一种高温蒸汽热泵的静态建模方法技术

本申请提供一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其主要方法为，获取待建模高温热泵的应用参数，建立高温蒸汽热泵系统；根据高温蒸汽热泵系统，分别计算换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型、螺杆压缩机模型和闪蒸罐模型；根据换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型、螺杆压缩机模型和闪蒸罐模型，建立高温蒸汽热泵的静态模型。本发明专利技术可以简便分析高温蒸汽热泵的过程，快速了解高温蒸汽热泵的特性，节约大量分析和设计所用的时间和人力，具有很强的实用性。具有很强的实用性。具有很强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种高温蒸汽热泵的静态建模方法


[0001]本申请涉及电力干扰平衡的
，尤其涉及一种高温蒸汽热泵的静态建模方法。

技术介绍

[0002]当今社会能源问题作为一个首要问题，节约能源显得尤为重要。在传统的需要蒸汽的场所，一般采用的锅炉或者电加热器直接对水加热用来产生蒸气，但随着对能源、环境问题的关注，节能、环保显得尤为重要，热泵蒸汽发生器作为一种新的产品，在使用上不能大大降低能源的消耗，而且不会产生常规能源的使用所造成的环境问题，对当今节能型社会显得尤为重要。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。热泵最原始的制热方式为热交换，其最大缺点就是热交换的热损耗。普通的热泵机组出气温度必须在75度以上的制热温度对大的热网才有意义。
[0003]目前，为满足部分轻工业的用热需求，10蒸吨以下的小型燃煤锅炉拥有较大的市场。这些小型锅炉主要集中于轻工业生产环节，其产热效率都很低下，且大都缺乏有效的烟气处理措施。为此，不少地区当下正在推进小型工业燃煤锅炉的淘汰和替代工作。在这个过程中，高温蒸汽热泵(HTSHP)技术得到了较多的关注。高温蒸汽热泵作为一种新型节能技术，通过两级压缩循环，能够突破普通热泵产热温度的限制。它可以将工业企业排放、浪费的中低温度的废水、废气中的热量通过蒸汽压缩循环进行收集，通过闪蒸循环转换成150℃以下的高温蒸汽，用于工业工艺或供暖使用，是实现工业废水回收利用、降耗提效的最佳选择。尽管高温蒸汽热泵技术在国际上开始逐渐成熟，但国内的应用研究和技术开发均处于起步阶段。实际应用中，高温蒸汽热泵应用广泛，为了掌握高温蒸汽热泵的温度和能量传递等数据，每一回都需要大量人力和时间用于分析计算和建模设计，为了更好地研究高温蒸汽热泵的特性，机理建模必不可少。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种高温蒸汽热泵静态建模方法，面对全球气候变暖、能源短缺等众多严峻问题，为了节能减排、提高工业能源效率，目前不少轻工业使用高温蒸汽热泵来代替传统的小型燃煤锅炉，通过本方法可以简便分析高温蒸汽热泵的过程，快速了解高温蒸汽热泵的特性，节约大量分析所用的时间和人力。
[0005]本申请提供了一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，包括以下步骤：
[0006]S10，获取待建模高温热泵的应用参数，建立高温蒸汽热泵系统；所述高温蒸汽热泵系统包括水源热泵循环流路和闪蒸循环流路；所述水源热泵循环流路包括水源热泵冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀以及变频涡旋压缩机；闪蒸循环流路包括第一闪蒸循环流路和第二闪蒸循环流路，所述第一闪蒸循环流路包括水源热泵冷凝器、闪蒸罐和循环水泵；所述第二
闪蒸循环流路包括闪蒸罐、螺杆压缩机、闪蒸循环冷凝器、液体收集器和闪蒸膨胀阀；
[0007]S20，根据高温蒸汽热泵系统，分别计算换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型和闪蒸罐模型；
[0008]S30，根据换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型和闪蒸罐模型，建立高温蒸汽热泵的静态模型。
[0009]优选的，S10中的获取待建模高温热泵的应用参数为：
[0010]初始化热力膨胀阀模型开度、涡旋压缩机频率、螺杆压缩机转速和换热器面积；
[0011]以五氟丙烷作为制冷剂而设定参数，得到预设制冷剂质量流量；
[0012]根据实际工业要求设置蒸汽温度，得到预设闪蒸温度。
[0013]优选的，所述S20中的计算换热器模型为：
[0014]令制冷剂和冷却介质的流体流动是一维的，忽略轴向导热、摩擦阻力和换热器内的压降；在水源热泵冷凝器中，制冷剂的放热量等于冷却水的吸热量，如式(1)～(3)所示：
[0015]G
r
(h2‑
h3)＝Q
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]c
w
G
c，w
(t
cw，L
‑
t
cw，E
)＝Q
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017][0018]其中，参数G
r
为制冷剂的质量流量，h2、h3分别为冷凝器出口与入口处的制冷剂比焓，Q
con
为冷凝换热量，c
w
为冷却水的比热容，G
c，w
为冷却水的质量流量，t
cw，E
、t
cw，L
分别表示冷却水入口、出口处的温度，k
c
为冷却水与冷凝器的换热系数，A
c
表示水源热泵冷凝器换热面积，t
c
表示水源热泵冷凝温度；
[0019]在蒸发器中，制冷剂的吸热量等于工业废水的放热量，如式(4)～(6)所示：
[0020]G
r
(h1‑
h4)＝Q
eva
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]c
w
G
e，w
(t
ew，E
‑
t
ew，L
)＝Q
eva
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022][0023]其中，参数h1、h4分别为蒸发器出口与入口处的制冷剂比焓，Q
eva
为蒸发器的换热量，G
e，w
为工业废水的质量流量，t
ew，E
、t
ew，L
分别为工业废水入口、出口处的温度，k
e
为工业废水与蒸发器的换热系数，A
e
表示换热器总换热面积，t
e
表示蒸发温度；
[0024]根据换热器中存在制冷剂的两相区和单相区，分别计算换热系数，对于单相区，换热系数的计算方法如下：
[0025][0026]其中，D
e
是换热器通道的等效直径，λ
r
是制冷剂的热导率，β表示波纹角大小，是面积扩展系数，Pr是饱和液普朗特数，Re是雷诺数，μ是饱和流体粘度；
[0027]对于两相区域，汽化和水源热泵冷凝的传热系数是不同的，水源热泵冷凝水的传
热系数可以根据式(8)和式(9)计算得到：
[0028][0029][0030]其中C1、n1、n2分别为4.118、0.4和0.34，Re
eq
是等效雷诺数，如式(10)：
[0031][0032]其中，是水源热泵冷凝区中制冷剂的平均干度，ρ
l
和ρ
v
是制冷剂的饱和液体密度和饱和气体密度，G是制冷剂质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其特征在于，所述方法包括：S10，获取待建模高温热泵的应用参数，建立高温蒸汽热泵系统；所述高温蒸汽热泵系统包括水源热泵循环流路和闪蒸循环流路；所述水源热泵循环流路包括水源热泵冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀以及变频涡旋压缩机；闪蒸循环流路包括第一闪蒸循环流路和第二闪蒸循环流路，所述第一闪蒸循环流路包括水源热泵冷凝器、闪蒸罐和循环水泵；所述第二闪蒸循环流路包括闪蒸罐、螺杆压缩机、闪蒸循环冷凝器、液体收集器和闪蒸膨胀阀；S20，根据高温蒸汽热泵系统，分别计算换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型、螺杆压缩机模型和闪蒸罐模型；S30，根据换热器模型、热力膨胀阀模型、涡旋压缩机模型、螺杆压缩机模型和闪蒸罐模型，建立高温蒸汽热泵的静态模型。2.根据权利要求1所述的一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其特征在于，S10中的获取待建模高温热泵的应用参数为：初始化热力膨胀阀模型开度、涡旋压缩机频率、螺杆压缩机转速和换热器面积；以五氟丙烷作为制冷剂而设定参数，得到预设制冷剂质量流量；根据实际工业要求设置蒸汽温度，得到预设闪蒸温度。3.根据权利要求2所述的一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其特征在于，所述S20中的计算换热器模型为：令制冷剂和冷却介质的流体流动是一维的，忽略轴向导热、摩擦阻力和换热器内的压降；在水源热泵冷凝器中，制冷剂的放热量等于冷却水的吸热量，如式(1)～(3)所示：G
r
(h2‑
h3)＝Q
con
(1)c
w
G
c，w
(t
cw，L
‑
t
cw，E
)＝Q
con
(2)其中，参数G
r
为制冷剂的质量流量，h2、h3分别为冷凝器出口与入口处的制冷剂比焓，Q
con
为冷凝换热量，c
w
为冷却水的比热容，G
c，w
为冷却水的质量流量，t
cw，E
、t
cw，L
分别表示冷却水入口、出口处的温度，k
c
为冷却水与冷凝器的换热系数，A
c
表示水源热泵冷凝器换热面积，t
c
表示水源热泵冷凝温度；在蒸发器中，制冷剂的吸热量等于工业废水的放热量，如式(4)～(6)所示：G
r
(h1‑
h4)＝Q
eva
(4)c
w
G
e，w
(t
ew，E
‑
t
ew，L
)＝Q
eva
(5)其中，参数h1、h4分别为蒸发器出口与入口处的制冷剂比焓，Q
eva
为蒸发器的换热量，G
e，w
为工业废水的质量流量，t
ew，E
、t
ew，L
分别为工业废水入口、出口处的温度，k
e
为工业废水与蒸发器的换热系数，A
e
表示换热器总换热面积，t
e
表示蒸发温度；根据换热器中存在制冷剂的两相区和单相区，分别计算换热系数，对于单相区，换热系数的计算方法如下：
其中，D
e
是换热器通道的等效直径，λ
r
是制冷剂的热导率，β表示波纹角大小，是面积扩展系数，Pr是饱和液普朗特数，Re是雷诺数，μ是饱和流体粘度；对于两相区域，汽化和水源热泵冷凝的传热系数是不同的，水源热泵冷凝水的传热系数可以根据式(8)和式(9)计算得到：可以根据式(8)和式(9)计算得到：其中C1、n1、n2分别为4.118、0.4和0.34，Re
eq
是等效雷诺数，如式(10)：其中，是水源热泵冷凝区中制冷剂的平均干度，ρ
l
和ρ
v
是制冷剂的饱和液体密度和饱和气体密度，G是制冷剂质量通量，计算方法如式(11)、(12)所示：和气体密度，G是制冷剂质量通量，计算方法如式(11)、(12)所示：其中，G
r
是制冷剂的质量流量，N
cpc
是水源热泵冷凝器每个循环中的通道数，b是相邻板之间的距离，L是板的长度，N
tc
是水源热泵冷凝器板片数量，N
p
是循环数；汽化的传热系数可以根据式(13)和式(14)计算得到：汽化的传热系数可以根据式(13)和式(14)计算得到：其中，C2、n3、n4分别为0.023、0.8和0.4，水侧传热系数通过公式(15)和(16)获得：分别为0.023、0.8和0.4，水侧传热系数通过公式(15)和(16)获得：其中，C3、n5、n6、n7分别为0.2121、0.78、0.34和0.14；换热器的传热系数如式(17)所示：
其中，d表示板的厚度，λ
plate
是板的热导率，R
plate
是板面污垢的热阻。4.根据权利要求3所述的一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其特征在于，所述S20中的计算热力膨胀阀模型为：由于热力膨胀阀具有节流效果，水蒸汽的比焓通过热力膨胀阀保持不变，可通过改变节流阀门的开度改变阀孔截面积，从而调整制冷剂流量；节流过程如式(18)所示：h
r，3
＝h
r，4
(18)通过热力膨胀阀的水蒸汽的质量流量可通过以下公式计算：其中，G
val
为热力膨胀阀内制冷剂的质量流量，ρ
r3
是热力膨胀阀入口处的平均密度，P
c
和P
e
分别是水源热泵冷凝压力与蒸发压力，A
val
是阀孔的流通截面积，C
val
是流量系数，其经验公式如下：其中，V
r，3
是阀门入口处的平均比容积；在静态条件下，热力膨胀阀中的质量流量等于压缩机的质量流量，即G
val
＝G
com
。5.根据权利要求4所述的一种高温蒸汽热泵的静态建模方法，其特征在于，所述S20中的计算涡旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁俊宇，袁兴宇，杨洋，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：