[发明专利]一种热力系统参数优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源、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。

背景技术

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，带动发动机发电，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。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，Vo l. 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。

参考文献

［1］Curzon F L , Ahlborn B. Efficiency of a Carnot engine at maximum power output [J ]. Am. J. Phys. , 1975, 43(1): 22- 24.

［2］Bejan A. Entropy Generation Through Heat and Fluid Flow. New York: 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，Vo l. 40，No. 2,，232-240

［5］Prigogine I. Structure, Dissipation et al . Communication Presented of the First International Conference / Theoretical physics and Biology . Amsterdam: North-Holland pub, 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.