一种热力系统参数的优化调整方法技术方案

本发明专利技术公布一种热力系统参数的优化调整方法，其特征在于：采用定态有限时间热力分析法，导出热力系统的输出功率、效率、吸热率、放热率、工质的等效吸热温度、等效放热温度、以及高温热源温度、低温热源温度、低温与高温换热器的总传热系数的比值κ之间有量纲和无量纲的关系式，以及用两张无量纲的输出功率与效率的关系图和输出功率等参数与κ的关系图，说明了用等权重法确定最佳效率、同时获得κ=1时的最大输出功率，以及用作图法寻求对应的κ值。本发明专利技术使对热力系统效率、输出功率和κ值都得到和谐优化，有学术创新和重要应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种热力系统参数的优化调整方法
本专利技术涉及能源、动力机械工程领域,特别提供了热力系统参数优化设计方法。
技术介绍
热力系统是吸收高温热源的热量对外输出功量和向低温热源排出废热的装置，热力装置也称热机，主要包括高温换热器、膨胀机、低温换热器、液体循环泵，热力装置内部灌注有工质，工质在热机内的进行热力循环，高压液体工质在高温换热器中蒸发，吸收热源的热量，变成高压蒸汽，通过膨胀机对外界输出功，带动发电机发电，低压工质气体通过低温换热器冷凝，变成液体，再经过液体循环泵，把液体工质提升压力后，送入高温换热器吸热蒸发，完成一个热力循环，如此不停循环工作。目前的热电厂，基本采用这种循环。热力系统的热力参数，主要包括高温、低温的热源温度，高、低温换热器的平均传热温差和传热流速率，输出功率，评价系统性能的热效率。目前的热力学理论，通过热力学第一定律，即能量守恒方程，提供循环的吸热、放热和输出功的平衡关系，提供卡诺热机效率，和分别为高温和低温热源的温度，卡诺热机是高、低温换热器无传热温差的效率，即循环工质的高温与高温热源的温度相等，工质的低温与低温热源的温度相等，这需要换热器换热面积无限大或工质与热源有无限长换热时间，实际热机是无法做到的。实际热机不允许平衡时间无限长，其吸热和放热以及循环都必须在有限时间内完成，那么，在有限时间内热机的最大输出功率和效率界限又是什么,1975年,加拿大学者Curzon和Ahlborn首先考虑了这问题，以内可逆卡诺循环模型,导出了具有有限速率和有限循环周期的热机效率界限，即著名的效率，在输出最大功率时的卡诺热机效率为【13】。此后，我国的陈林根【15】、严子俊、陈金灿【16】等与各国的一大批学者，对有限热力分析法进行了大量研究，拓展了内可逆模型的研究成果。但是，目前学者采用的有限时间分析法，在引进时间变量时，是对循环的每个环节分别给一个时间量，例如能量流经过高温换热器用时为，经过低温换热器用时为，在忽略膨胀机和液体循环泵中工质能量交换时间后，循环周期定为，在此基础上，利用两个换热器的传热方程，能量方程，求解得输出最大功率时的卡诺热机效率为；但是由于其变量多，推导的功率、效率与循环工质的高温、低温的关系为隐函数关系，难以明晰应用于实际热力系统的工程优化设计。文献（陈金灿,严子浚，有限时间热力学理论的特征及发展中几个重要标志，厦门大学学报(自然科学版)，2001，Vol.40，No.2,，232-240）这样评价现在的有限热力分析法：“由于有限热力分析法引入了时间变量，考察的不可逆过程比可逆过程复杂得多，尤其演化规律更是复杂多样，使热力系统性能分析难度加大，目前也只有对所求解问题进行大量简化，才可能获得一些解析解，而且解的表达式复杂难于被工程界接受，所以限制了它的应用。”至于，同时内不可逆和有限热容的外不可逆模型的与工程实际条件相近的有限热力分析法的成果还相对缺乏；另外，热力系统中换热器的设计参数只是在系统中保证能量平衡实现，对于高、低温换热器性能匹配缺乏系统性能优化的理论指导；实际热力系统的效率只能根据完成系统和实验获得，是被动式，缺乏主动优化设计指导理论和预测变得工况的能力；2014年本申请人在专利技术专利申请件“一种热力系统热力参数的优化方法，”（申请号201410087258.X）中，根据科学界已有研究结果,即内卡诺循环外不可逆传热热机输出功率最大时的效率为和卡诺循环热机最高效率时的输出功率为0，提出了兼顾热机效率与功率的优选效率原则，并以单位输出功率成本最低原则，导出的高低温换热器的最佳两器总传热系数比值；由于专利技术专利单一性的要求，申请号201410087258.X件中不能包括关于如何用无量纲方法表示热机热力参数的演变关系和如何在保持冷、热源条件下由内可逆卡诺循环模型导出的最大输出功率前提下，通过调节高低温换热器的最佳两器总传热系数比值，获得相当于两器总传热系数比值时热机的最大输出功率,同时又能获得优化的效率；所以根据审查员的意见，此部分内容另案申请。参考文献［1］CurzonFL,AhlbornB.EfficiencyofaCarnotengineatmaximumpoweroutput[J].Am.J.Phys.,1975,43(1):22-24.［2］BejanA.EntropyGenerationThroughHeatandFluidFlow.NewYork:Wiley,1982［3］陈林根，孙丰瑞，陈文振，有限时间热力学研究新进展，杂志，1992.15(4):249-253［4］陈金灿,严子浚，有限时间热力学理论的特征及发展中几个重要标志，厦门大学学报(自然科学版)，2001，Vol.40，No.2,，232-240［5］PrigogineI.Structure,Dissipationetal.CommunicationPresentedoftheFirstInternationalConference/TheoreticalphysicsandBiology.Amsterdam:North-Hollandpub,1969［6］陈则韶程文龙胡芃.一种换热器优化设计的新方法.工程热物理学报,2013.［7］HesselgreavesJE.Rationalisationofsecondlawanalysisofheatexchangers.InterJHeatMassTrans,2000,43:4189—4204［8］郭江峰,程林,许明田.耗散数及其应用.科学通报,2009,54:2998~3002［9］《数学手册》编写组，数学手册，人民教育出版社（北京），1979.11,232-235［10］严子浚，卡诺热机的最佳效率与功率间的关系，工程热物理学报，1985.6(1):1-5［11］赵东旭,余敏,陈丽超,杨茉，有限时间实际蒸汽动力循环热力性能优化，上海理工大学学报，2010,32(4):329-333XuZM,YangSR,ChenZQ.Amodifiedentropygenerationnumberforheatexchanger.JThermSci,1996,5:257—263。
技术实现思路
为了克服现有以可逆过程和平衡态假定建立的热力学理论不能描述存在传热过程实际热力系统的热力学问题和现有有限时间热力分析法不能提供实际热力系统的传热速率与热力系统效率清晰显函数关系的不足，并补充已经申请的“一种热力系统热力参数的优化方法”专利技术专利中不能同案申请的内容，本申请提出一种热力系统参数的优化调整方法，采用定态热力系统的内可逆热机模型，求解并用无量纲表示热力系统的功率、效率与高、低温热源，循环工质的高温、低温，换热器传热系数关系的分析法，通过无量纲热力参数关系图，寻求使热力系统获得高效率同时有高的输出功率时，确定高温、低温换热器传热系数匹配值。为实现上述目标，本专利技术采用下述的技术方案是：一种热力系统参数的优化调整方法，所述的热力系统是工作在温度为的高温热源和温度为的低温热源之间的热机，热机包括有高温换热器、膨胀机、低温换热器、液体循环泵，并依序串联组成的工质循环系统，热力循环时高压液体工质在高温换热器中吸收高温热源的热量变为高压蒸汽，通过膨胀机时对外输出功量同时变为低压低温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热力系统参数的优化调整方法，所述的热力系统是工作在温度为

【技术特征摘要】
1.一种热力系统参数的优化调整方法，所述的热力系统是工作在温度为的高温热源和温度为的低温热源之间的热机，热机包括有高温换热器、膨胀机、低温换热器、液体循环泵，并依序串联组成的工质循环系统，热力循环时高压液体工质在高温换热器中吸收高温热源的热量变为高压蒸汽，通过膨胀机时对外输出功量同时变为低压低温蒸汽，再通过低温换热器时向低温热源排放废热并凝结成液体，低温低压液体工质经过液体循环泵加压，再输入到高温换热器吸热，如此循环往复；为了对热力系统进行描述和分析，需要引用如下一些参数：高、低温换热器的总传热系数分别记为和，总传热系数是传热系数与换热面积的乘积；低温换热器与高温换热器的总传热系数的比值，记为，，简称为两器总传热系数比值；当工质循环到达稳定态时由高温换热器吸入的热流率，简称为吸热率，记为；由低温换热器排放的热流率，简称为放热率，记为；工质通过膨胀机时膨胀过程的输出功率扣除液体循环泵消耗的功率的净输出功率记为，简称为输出功率；高温换热器工质蒸发吸热过程的等效平均热力温度，记为，简称为等效吸热温度；低温换热器工质冷凝放热过程的等效平均热力温度，记为，简称为等效放热温度；热力系统的输出功率与吸热率的比值定义为效率，记为；热力系统的最大效率为卡诺热机效率，记为，，此时，实际热力系统的输出功率为0；在等效吸热温度与等效放热温度的组合改变时，热力系统的输出功率和效率也随之变化，记热力系统出现的最大输出功率为，与最大输出功率所对应的效率为，；所述的等效吸热温度，定义为工质在高温换热器换热过程终止点与起始点的比焓差值与比熵差值的商值，脚注a、b分别表示过程的起、止，定义式为；所述的等效放热温度，定义为工质在低温换热器换热过程终止点与起始点的比焓差值与比熵差值的商值，定义式为：；其特征在于：以大多数实际热力/热泵系统是连续运行，能量随工质流动而迁移，在系统循环中不发生聚集和空缺现象的事实为依据，采用定态有限时间热力分析法，即以热力系统的内可逆卡诺循环热机模型，建立稳定态的能流率平衡方程和高、低温换热器传热流率方程，导出热力系统的输出功率、效率、吸热率、放热率、工质的等效吸热温度、工质的等效放热温度、以及高温热源温度、低温热源温度之间的关系，以及最大输出功率和最大输出功率时的效率的数学表达式；其次，通过参数的无量纲处理，表示热力系统的各无量纲参数之间关系；再次，用无量纲对比输出功率、无量纲等效吸热、放热温度与效率的关系图，简记为图，以及固定最佳效率时无量纲等效吸热、放热温度、，无量纲输出功率和无量纲吸、放热率、，以及无量纲最大输出功率、效率与变量的直角坐标图，简记为图，来说明对输出功率等参数的影响，并用其寻求在保持最佳效率效率同时获得最合适的输出功率和对应的值。2.根据权利要求1所述的一种热力系统参数的优化调整方法，其特征是：所述的定态有限时间热力分析法，是以稳定态热力系统的内可逆卡诺循环热机模型进行分析的方法，分析法的具体步骤是：（1）建立方程组能流率平衡方程式：(1)高温换热器传热...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈则韶，
申请(专利权)人：陈则韶，
类型：发明
国别省市：安徽,34