供暖季節(jié)燃?xì)鈾C(jī)熱泵傳動(dòng)比的選擇

吉瑋珵

摘要：天然氣作為一種極具潛力的清潔能源，其在我國(guó)總體能源消耗占比中仍然比較低。而隨著燃?xì)鉄岜眉夹g(shù)的不斷發(fā)展，推廣燃?xì)鈾C(jī)熱泵成為了一個(gè)合理利用天然氣的重要方式。選擇合理的運(yùn)行參數(shù)是保證其高效運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，尤其是傳動(dòng)比的選擇更是確保燃?xì)鈾C(jī)熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率的關(guān)鍵。本文首先介紹了燃?xì)鈾C(jī)單級(jí)傳送比并對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行了論述，然后根據(jù)存在的問(wèn)題，提出了燃?xì)鈾C(jī)熱泵多級(jí)傳動(dòng)比理論。最后提出了利用最佳扭矩曲線來(lái)確定傳送比的方法。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄岜?供暖設(shè)備;熱泵性能;性能優(yōu)化

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和綜合國(guó)力的不斷提升，國(guó)家能源的需求也越來(lái)越大。在國(guó)家推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的健康發(fā)展的大背景下，對(duì)于能源利用的清潔、環(huán)保和高效逐漸得到了全社會(huì)的重視。而天然氣作為一種極具潛力的清潔能源，其在我國(guó)的發(fā)展仍比較落后，在總的能源消耗占比中仍然比較低。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)于天然氣能源的合理利用，是提高天然氣使用占比的關(guān)鍵問(wèn)題。而隨著燃?xì)鉄岜眉夹g(shù)的不斷發(fā)展，推廣燃?xì)鈾C(jī)熱泵成為了一個(gè)合理利用天然氣的重要方式。燃?xì)鈾C(jī)熱泵利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮式熱泵進(jìn)行工作。同時(shí)可以回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，為生產(chǎn)提供熱水，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的天然氣利用方法。在燃?xì)鈾C(jī)熱泵的運(yùn)行過(guò)程中，選擇合理的運(yùn)行參數(shù)是保證其高效運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，尤其是傳動(dòng)比的選擇更是確保燃?xì)鈾C(jī)熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率的關(guān)鍵。

一、燃?xì)鈾C(jī)熱泵的單級(jí)傳送比

在一般的情況下，我們采用其單級(jí)傳動(dòng)比作為主要依據(jù)來(lái)確定燃?xì)鈾C(jī)熱泵是否處于最大負(fù)荷。在燃?xì)鈾C(jī)傳動(dòng)比的選擇時(shí)，也應(yīng)該考慮燃?xì)鈾C(jī)與壓縮機(jī)的匹配問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)要滿足壓縮機(jī)處于最大負(fù)荷工況的傳動(dòng)比。這樣可以確保燃?xì)鈾C(jī)處于最好運(yùn)行狀態(tài)。若傳動(dòng)比選擇過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致燃?xì)鈾C(jī)的經(jīng)濟(jì)性降低。若傳動(dòng)比過(guò)小時(shí)，則不能滿足熱泵機(jī)組在最大負(fù)荷時(shí)所需的最大功率需求。燃?xì)鈾C(jī)的轉(zhuǎn)速與熱泵能為室內(nèi)供暖提供的最大熱量成正比，在供暖時(shí)要考慮供暖建筑在不同溫度下所需熱量，在滿足建筑物最大熱負(fù)荷的條件下，確定燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比。但是在實(shí)際的供暖過(guò)程中上燃?xì)鈾C(jī)在大部分時(shí)間都不能處于最大負(fù)荷的運(yùn)行，期處于最大負(fù)荷工況的時(shí)間一般在總運(yùn)行時(shí)間的10%左右。而當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，以最大負(fù)荷工況確定的傳動(dòng)比將使燃?xì)鈾C(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型大大降低差。因此使用單級(jí)傳動(dòng)比確定燃?xì)鈾C(jī)運(yùn)行狀態(tài)是以滿足壓縮機(jī)的性能要求為主，忽視了對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的考慮。而且當(dāng)建筑物所需供熱量的變化較大時(shí)，燃?xì)鈾C(jī)在部分負(fù)荷狀態(tài)下工作，會(huì)出現(xiàn)燃?xì)鈾C(jī)效率降低，燃料消耗較大的問(wèn)題。

二、燃?xì)鈾C(jī)熱泵的多級(jí)傳送比

通過(guò)之前的分析可知，當(dāng)建筑物所需供熱量變化較大時(shí)，以單級(jí)傳動(dòng)比確定燃?xì)鈾C(jī)熱泵的運(yùn)行狀態(tài)，在使用經(jīng)濟(jì)性上是不合適的。為解決這一問(wèn)題，一般需要采用多級(jí)傳動(dòng)比來(lái)確定燃?xì)鈾C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在設(shè)備上需要采用多級(jí)傳動(dòng)比自動(dòng)變速器取代離合器作為燃?xì)鈾C(jī)與壓縮機(jī)之間的連接裝置。具體可根據(jù)建筑物所需的供熱量來(lái)改變傳動(dòng)比，從而改善燃?xì)鈾C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使燃?xì)鈾C(jī)的運(yùn)行保持在高效的工況區(qū)，改善燃?xì)鈾C(jī)熱泵的低負(fù)荷運(yùn)行性能。在確定多級(jí)傳動(dòng)比變速器的傳動(dòng)比是要注意以下幾點(diǎn)。首先從調(diào)節(jié)壓縮機(jī)容量范圍的角度考慮，在確定傳動(dòng)比時(shí)應(yīng)至少確定兩個(gè)傳動(dòng)比，使熱泵的運(yùn)行過(guò)程中使壓縮機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速上限和下限，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在最大容量和最小容量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次應(yīng)該確定一個(gè)相對(duì)較小傳動(dòng)比，使其適用于在燃?xì)鈾C(jī)在常態(tài)下的運(yùn)行，充分地利用燃?xì)鈾C(jī)的高效低耗運(yùn)行區(qū)域，改善熱泵的運(yùn)行狀態(tài)。然后在確定多級(jí)不同的傳動(dòng)比時(shí)，其之間的差距不宜過(guò)大，避免設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生較大波動(dòng)，保障裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。最后多級(jí)傳動(dòng)比的設(shè)置不宜過(guò)大，盡量簡(jiǎn)化自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備在設(shè)計(jì)和選型上的成本。最后在確定多級(jí)傳動(dòng)比至后，在每個(gè)不同的熱負(fù)荷工作區(qū)域，應(yīng)選擇能夠滿足功率要求的最小傳動(dòng)比作為該工作階段的傳動(dòng)比，保證燃?xì)鈾C(jī)的高效運(yùn)行。

三、以最佳扭矩曲線確定傳送比

在確定的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下，不同的轉(zhuǎn)速可以對(duì)應(yīng)一個(gè)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值，結(jié)合燃?xì)鈾C(jī)的熱效率，就可以得到在相同功率下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最高的狀態(tài)點(diǎn)，即為該功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳運(yùn)行點(diǎn)。重復(fù)上述過(guò)程，就可以獲得在不同功率下的燃?xì)鈾C(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)曲線，即最佳扭矩曲線。然后通過(guò)功率轉(zhuǎn)換公式，就可以獲得燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速與最優(yōu)扭矩之間的關(guān)系。在最佳扭矩曲線上燃?xì)鈾C(jī)的轉(zhuǎn)速與其工作效率之間，呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)。在確定傳動(dòng)比時(shí)首先要依據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的最加扭矩曲線的熱效率圖，以熱效率值為依據(jù)，確定燃?xì)鈾C(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)間。并根據(jù)最加扭矩曲線上燃?xì)鈾C(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率之間的相對(duì)關(guān)系，計(jì)算燃?xì)鈾C(jī)的功率。然后根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的功率匹配關(guān)系，結(jié)合壓縮機(jī)的具體形式，確定不同運(yùn)行模式下壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。而傳動(dòng)比為燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速之間的比值，在確定兩者轉(zhuǎn)速后，就可以確定不同工作模式下的傳動(dòng)比。根據(jù)不同工作模式下的傳動(dòng)比，可以反推得到發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，確定此工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。最后根據(jù)平均熱效率計(jì)算理論，計(jì)算不同傳動(dòng)比下的熱效率均值，選取熱效率均值最大時(shí)的傳送比作為最佳傳送比。以最佳扭矩曲線確定傳送比，可以達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)的最高熱效率。具體的燃?xì)鈾C(jī)控制策略可以根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的最加扭矩曲線，綜合考慮燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，保證燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在最佳扭矩曲線上工作運(yùn)行，同時(shí)確保熱泵的其他設(shè)置吧處于與之相適應(yīng)的工作范圍之內(nèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

天然氣作為一種高效且環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，其已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹闹校湓谖覈?guó)能源的使用占比也呈逐年提高的趨勢(shì)。隨著燃?xì)鈾C(jī)熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，勢(shì)必也會(huì)擴(kuò)大我國(guó)天然氣能源的使用范圍，并提高天然氣能源的使用效率。但是由于我國(guó)對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)熱泵的研究才剛剛起步，仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)熱泵的結(jié)構(gòu)和工作特性的理解還不夠深入。這就需要我們進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)熱泵技術(shù)的研究，同時(shí)還應(yīng)做好燃?xì)鈾C(jī)熱泵的推廣與應(yīng)用工作，為調(diào)節(jié)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，合理利用天然氣資源，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)地健康發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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