一種熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能源、動(dòng)力機(jī)械工程領(lǐng)域，特別提供了熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱力系統(tǒng)是吸收高溫?zé)嵩吹臒崃繉?duì)外輸出功量和向低溫?zé)嵩磁懦鰪U熱的裝置，熱 力裝置也稱熱機(jī)，主要包括高溫?fù)Q熱器、膨脹機(jī)、低溫?fù)Q熱器、液體循環(huán)泵，熱力裝置內(nèi)部灌 注有工質(zhì)，工質(zhì)在熱機(jī)內(nèi)的進(jìn)行熱力循環(huán)，高壓液體工質(zhì)在高溫?fù)Q熱器中蒸發(fā)，吸收熱源的 熱量，變成高壓蒸汽，通過(guò)膨脹機(jī)對(duì)外界輸出功，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，低壓工質(zhì)氣體通過(guò)低溫 換熱器冷凝，變成液體，再經(jīng)過(guò)液體循環(huán)泵，把液體工質(zhì)提升壓力后，送入高溫?fù)Q熱器吸熱 蒸發(fā)，完成一個(gè)熱力循環(huán)，如此不停循環(huán)工作。目前的熱電廠，基本采用這種循環(huán)。熱力系 統(tǒng)的熱力參數(shù)，主要包括高溫、低溫的熱源溫度，高、低溫?fù)Q熱器的平均傳熱溫差和傳熱流 速率，輸出功率，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的熱效率。目前的熱力學(xué)理論，通過(guò)熱力學(xué)第一定律，即能量 守恒方程，提供循環(huán)的吸熱、放熱和輸出功的平衡關(guān)系，提供卡諾熱機(jī)效率η。= ι-?/τη，τη和ιγ分別為高溫和低溫?zé)嵩吹臏囟?，卡諾熱機(jī)是高、低溫?fù)Q熱器無(wú)傳熱溫差的效率，即循環(huán) 工質(zhì)的高溫與高溫?zé)嵩吹臏囟认嗟?，工質(zhì)的低溫與低溫?zé)嵩吹臏囟认嗟?，這需要換熱器換 熱面積無(wú)限大或工質(zhì)與熱源有無(wú)限長(zhǎng)換熱時(shí)間，實(shí)際熱機(jī)是無(wú)法做到的。實(shí)際熱機(jī)不允許 平衡時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，其吸熱和放熱以及循環(huán)都必須在有限時(shí)間內(nèi)完成，那么，在有限時(shí)間內(nèi)熱 機(jī)的最大輸出功率和效率界限又是什么？ 1975年，加拿大學(xué)者Curzon和Ahlborn首先考 慮了這問題，以內(nèi)可逆卡諾循環(huán)模型，導(dǎo)出了具有有限速率和有限循環(huán)周期的熱機(jī)效率界 限，即著名的nCA效率，在輸出最大功率時(shí)的卡諾熱機(jī)效率為
。此后，我 國(guó)的陳林根[15]、嚴(yán)子俊、陳金燦[16]等與各國(guó)的一大批學(xué)者，對(duì)有限熱力分析法進(jìn)行了大量 研宄，拓展了內(nèi)可逆模型的研宄成果。但是，目前學(xué)者采用的有限時(shí)間分析法，在引進(jìn)時(shí)間 變量時(shí)，是對(duì)循環(huán)的每個(gè)環(huán)節(jié)分別給一個(gè)時(shí)間量，例如能量流經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器用時(shí)為τ i， 經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器用時(shí)為τ 2，在忽略膨脹機(jī)和液體循環(huán)泵中工質(zhì)能量交換時(shí)間后，循環(huán)周期 定τ為τ1+τ2，在此基礎(chǔ)上，利用兩個(gè)換熱器的傳熱方程，能量方程，求解得輸出最大功率 時(shí)的卡諾熱機(jī)效率為
但是由于其變量多，推導(dǎo)的功率、效率與循環(huán)工質(zhì) 的高溫、低溫的關(guān)系為隱函數(shù)關(guān)系，難以明晰應(yīng)用于實(shí)際熱力系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn) (陳金燦，嚴(yán)子浚，有限時(shí)間熱力學(xué)理論的特征及發(fā)展中幾個(gè)重要標(biāo)志，廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自 然科學(xué)版），2001，V〇 1.40，Ν〇. 2，，232-240)這樣評(píng)價(jià)現(xiàn)在的有限熱力分析法："由于有限 熱力分析法引入了時(shí)間變量，考察的不可逆過(guò)程比可逆過(guò)程復(fù)雜得多，尤其演化規(guī)律更是 復(fù)雜多樣，使熱力系統(tǒng)性能分析難度加大，目前也只有對(duì)所求解問題進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，才可能 獲得一些解析解，而且解的表達(dá)式復(fù)雜難于被工程界接受，所以限制了它的應(yīng)用。"至于，同 時(shí)內(nèi)不可逆和有限熱容的外不可逆模型的與工程實(shí)際條件相近的有限熱力分析法的成果 還相對(duì)缺乏；
[0003] 另外，熱力系統(tǒng)中換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)只是在系統(tǒng)中保證能量平衡實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高、低 溫?fù)Q熱器性能匹配缺乏系統(tǒng)性能優(yōu)化的理論指導(dǎo)；
[0004] 實(shí)際熱力系統(tǒng)的效率只能根據(jù)完成系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)獲得，是被動(dòng)式，缺乏主動(dòng)優(yōu)化設(shè) 計(jì)指導(dǎo)理論和預(yù)測(cè)變得工況的能力。
[0005] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 為了克服現(xiàn)有熱力學(xué)理論有效率概念而無(wú)傳熱速率的缺陷和現(xiàn)有有限時(shí)間熱力 分析法不能提供實(shí)際熱力系統(tǒng)的傳熱速率與熱力系統(tǒng)效率清晰顯函數(shù)關(guān)系的不足，以及熱 物理領(lǐng)域缺少熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的有效方法，本發(fā)明提出一種熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，可 以建立熱力系統(tǒng)的功率、效率與高、低溫?zé)嵩矗h(huán)工質(zhì)的高溫、低溫，換熱器傳熱系數(shù)的清 晰關(guān)系，并提供最佳效率選擇原則和提高輸出功率的換熱器匹配方法，使熱力系統(tǒng)獲得高 效率同時(shí)有高的輸出功率。
[0019] 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案是：
[0020] 一種熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，所述的熱力系統(tǒng)是工作在溫度為Th的高溫?zé)嵩春蜏?度為?Υ的低溫?zé)嵩粗g的熱機(jī)，熱機(jī)包括有高溫?fù)Q熱器、膨脹機(jī)、低溫?fù)Q熱器、液體循環(huán)泵， 并依序串聯(lián)組成的工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，熱力循環(huán)時(shí)高壓液體工質(zhì)在高溫?fù)Q熱器中吸收高溫?zé)嵩?的熱量變?yōu)楦邏赫羝?，通過(guò)膨脹機(jī)時(shí)對(duì)外輸出功量同時(shí)變?yōu)榈蛪旱蜏卣羝?，再通過(guò)低溫?fù)Q 熱器時(shí)向低溫?zé)嵩磁欧艔U熱并凝結(jié)成液體，低溫低壓液體工質(zhì)經(jīng)過(guò)液體循環(huán)泵加壓，再輸 入到高溫?fù)Q熱器吸熱，如此循環(huán)往復(fù)；高、低溫?fù)Q熱器的總傳熱系數(shù)分別記為1和K 2，總傳 熱系數(shù)是傳熱系數(shù)k與換熱面積A的乘積；低溫?fù)Q熱器與高溫?fù)Q熱器的總傳熱系數(shù)的比值， 記為κ，κ = K2A1，簡(jiǎn)稱為總傳熱系數(shù)比值；當(dāng)工質(zhì)循環(huán)到達(dá)穩(wěn)定態(tài)時(shí)由高溫?fù)Q熱器吸入 的熱流率，簡(jiǎn)稱為吸熱率，記為ΦΗ;由低溫?fù)Q熱器排放的熱流率，簡(jiǎn)稱為放熱率，記為Φ ^ 工質(zhì)膨脹過(guò)程膨脹機(jī)的輸出功率扣除液體循環(huán)泵消耗的功率的凈輸出功率記為Ρ，簡(jiǎn)稱為 輸出功率；高溫?fù)Q熱器工質(zhì)蒸發(fā)吸熱過(guò)程的等效平均熱力溫度，記為T1，簡(jiǎn)稱為等效吸熱溫 度；低溫?fù)Q熱器工質(zhì)冷凝放熱過(guò)程的等效平均熱力溫度，記為T2，簡(jiǎn)稱為等效放熱溫度；熱 力系統(tǒng)的輸出功率P與吸熱率φη的比值定義為效率，記為η ;熱力系統(tǒng)的最大效率為卡諾 熱機(jī)效率，記為n c，η1-τ/rH，此時(shí)，實(shí)際熱力系統(tǒng)的輸出功率為〇 ;在等效吸熱溫度T1與等效放熱溫度T2的組合改變時(shí)，熱力系統(tǒng)的輸出功率與效率是不斷變化的，記熱力系統(tǒng) 出現(xiàn)的最大輸出功率為Pniax，與最大輸出功率對(duì)應(yīng)的效率為n eA
[0021] 其特征在于：一種熱力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，是采用兩步優(yōu)選法選擇最佳效率η _， 最佳輸出功率PtjpJP最佳總傳熱系數(shù)比值K 第一步，選擇最佳效率η 第二步，以單 位輸出功率成本最低原則，協(xié)同優(yōu)化選擇最佳輸出功率？_和最佳總傳熱系數(shù)比值κ _， 即，在最佳效率保持固定的前提下，通過(guò)增加總傳熱系數(shù)比值κ，使輸出功率達(dá)到滿 意的輸出功率，并使K的增加所增加換熱器面積和制造成本的收益最大；
[0022] 所述的兩步優(yōu)選法的第一步，首先，確定熱力系統(tǒng)的最佳效率η _的范圍是介于 11〇\與n c之間，即n CA< η _< n 其次，用熱力系統(tǒng)的最大效率n c與最大輸出功率的 效率n eA的權(quán)重方程式（1)通過(guò)優(yōu)選權(quán)重因子計(jì)算最佳效率，最佳效率權(quán)重方程為 [0023] n opt = q n c+d-q) nCA ⑴
[0024] 式中，q為最大效率n。的權(quán)重因子，q在〇. 25-0. 75之間；再次，推薦采用等權(quán)重 方程式（2)計(jì)算最佳效率，即q = 1/2，
[0025] nopt= (n c+n ca)/2 ⑵
[0026] 所述的兩步優(yōu)選法的第二步，首先，建立對(duì)應(yīng)于等權(quán)重方程確定的最佳效率η _ 的輸出功率與總傳熱系數(shù)比值κ的函數(shù)關(guān)系，獲得式（3)，
[0027