燃气内燃机微型冷热电联供系统集成式热管理器的研究

冷热电联供是一种多联供总能系统,实现了能源的梯级利用,综合效率高,近年来引起了广泛的关注。 基于燃气内燃机的微型冷热电联供系统,由于价格低廉,灵活性、适用性好,十分适合在我国的开展与应用,成为近期节能领域的研究热点。内燃机冷热电联供系统一般采取“以电定热”的方式运行,回收发电过程中内燃机的缸套水和烟气中的余热。由于内燃机自身的特点,决定了基于燃气内燃机的冷热电联供系统属于多种类热源输入、多热用户热量输出的场合,并且同时还需要实现对热源(缸套水)温度的控制。为了解决常规方法中存在的热管理系统投资高、灵活性和可靠性差等问题,本文提出了通过构建集成式“热管理器”实现该类型联供系统热管理的思路,并展开深入的理论与实验研究。热管理器的运行依靠纯热力过程,无任何运动部件,自动实现了对热源温度的控制及余热的回收与管理,是一种具有热控特点热管理器新方法。该装置的有效性、可靠性与稳定性在联供系统的实际运行中都得到了验证。在此基础上,基于16kW小型燃气内燃发电机组、固体高效吸附式制冷机和热管理器,实现了可移动式微型冷热电联供系统的集成与示范。本文的研究成果对基于燃气内燃机的小型、微型联供系统的实用化和商业化具有重要意义,将促进联供系统向家用和小型商用领域的推广和应用。主要的研究内容包括: (1)针对当前基于燃气内燃机的冷热电联供系统在推广中遇到的实际问题,基于控温热管的运行原理,提出了通过构建集成式热管理器实现对热源温度的控制以及热管理的功能。通过与常规热管理方法的比较,确定了热管理器的特点及应用范围。该设计思路已经申请了中国发明专利。 (2)通过对热管理器实验系统的构建,验证了热管理器运行原理的可行性,为热管理器的实际应用积累了实验数据。在实验中,详细考察了工质、不凝性气体和运行工况对热管理器性能的影响,以及在动态、稳态条件下,热管理器控温特性与热量分配规律。 (3)建立热管理器工作过程的数学模型。通过理论与实验数据的对比分析,修正平面交界面理论中交界面区域内的换热系数与温度分布,提高了模型的计算精度,拓广了平面交界面理论的适用范围。在对热管理器理论模型进行修正的基础上,对热管理器的工作过程进行仿真,分析了影响热管理器性能的各项因素,指明了提高热管理器性能及结构优化设计的途径。 (4)针对燃气内燃机冷热电联供系统的特点,结合16kW燃气内燃发电机组和吸附式制冷机,进行配套的热管理器实用化装置的开发。通过箱体与底盘的设计,将发电、制冷与热管理器进行模块化连接,实现了可移动式微型冷热电联供系统的集成,形成冷热电联供系统微型化的示范,促进联供系统的推广与应用。 (5)通过搭建冷热电联供实验系统,进行了热电联供以及冷热电联供的综合调控实验研究。经实际运行的检验,验证了热管理器具备对缸套水温度控制的可靠性以及可以根据工况的变化自动实现对余热的回收与管理的功能,明确了多热源输入与多热用户输出之间的相互的关系。实验结果表明,联供系统的综合能源利用率可达75.3%。在设计极限工况下,缸套水温度的变化仅有5.4°C。同时,在额定发电负荷条件下,热管理器的热回收效率可以达到90%以上。当以吸附式制冷机作为用热对象时,其具有用热负荷周期性交变的特征,这种运行工况下热管理器依然保持了很好的控温性能,缸套水变化幅度在2°C以内。热管理器可以根据热用户的优先级别自动分配热量,很好的实现了热管理功能。 (6)在总结全文的基础上,对热管理设计与运行中存在的问题进行总结,并对热管理器研究工作的进一步开展提出了建议,为今后的推广与应用方向奠定了基础。