[发明专利]一种热力系统参数优化方法

摘要

本发明提出一种热力系统参数优化方法，涉及工作在高、低热源之间的热机循环参数、最佳效率、最佳输出功率和换热器参数的选择，其特征在于采用简化型有限时间热力分析法，以定态内可逆循环热机模型，直接采用热流率方程和传热流率方程，和无量纲方法，导出了输出功率与系统效率、工质循环的等效吸热温度、等效放热温度的关系式；并采用两步优选法，用等权重原则确定系统最佳效率为卡诺热机效率与最大功率时的CA效率之和的半值；用单位输出功率成本最低原则，优选低、高温换热器的总传热系数比值，并确定最佳效率时的输出功率与总传热系数比值为1时的最大输出功率相等；实际热力系统的高、低热源和工质吸、放热过程的温度均为等效热力温度。

主权项

一种热力系统参数优化方法，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；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；工质膨胀过程膨胀机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与效率是不断变化的，记热力系统出现的最大输出功率为，与最大输出功率对应的效率为，；其特征在于：一种热力系统参数优化方法，是采用两步优选法选择最佳效率，最佳输出功率和最佳总传热系数比值；第一步，选择最佳效率；第二步，以单位输出功率成本最低原则，协同优化选择最佳输出功率和最佳总传热系数比值，即，在最佳效率保持固定的前提下，通过增加总传热系数比值，使输出功率达到满意的输出功率，并使的增加所增加换热器面积和制造成本的收益最大；所述的两步优选法的第一步，首先，确定热力系统的最佳效率的范围是介于与之间，即；其次，用热力系统的最大效率与最大输出功率的效率的权重方程式(1)通过优选权重因子计算最佳效率，最佳效率权重方程为（1）式中，为最大效率的权重因子，在0.25‑0.75之间；再次，推荐采用等权重方程式(2)计算最佳效率，即，（2）所述的两步优选法的第二步，首先，建立对应于等权重方程确定的最佳效率的输出功率与总传热系数比值的函数关系，获得式(3),（3）式中，；当的最佳效率时的输出功率，记为，计算式为式(4),（4）最佳效率时任意总传热系数比值的输出功率与的比值，记为，简称为最佳效率的对比输出效率，与的关系式为式(5),（5）其次，以热力系统的单位输出功率设备成本最低原则，选择总传热系数比值；所述的热力系统的设备成本由高温换热器、低温换热器、膨胀机、液体循环泵和其它辅助设备的成本构成；以和最佳效率时高温换热器的成本为比较基准的成本单位，记时高温换热器、低温换热器、膨胀机、液体循环泵和其它辅助设备的成本系数分别为1、a、b、c和d，在时，高温换热器的不变，其成本也不变，高温换热器的系数仍为1，并忽略液体循环泵和其它辅助设备的成本系数随的变化；热力系统的无量纲设备成本，记为，；所述的热力系统的单位输出功率设备成本，记为，定义为热力系统无量纲设备成本与最佳效率的对比输出效率的比值，其计算式为式(6)（6）根据单位输出功率设备成本方程(6)对总传热系数比值求极值，令极值方程等于0，参见式（7）（7）求得最佳总传热系数比值，记为，计算式为式(8)（8）最佳总传热系数比值的范围为，在缺乏具体工程的a、b、c和d数值时，推荐的总传热系数比值为在保持最佳效率条件下，输出功率与时热力系统的最大输出功率相等的值，即，导出的最佳总传热系数比值的数学计算式为式(9)（9）再次，求取对应于等权重法确定的最佳效率和最佳输出功率的其它最佳热力参数，这些参数分别是：最佳等效放热温度，记为，计算式(10)为：(10)最佳等效吸热温度的计算式为：，式(11)；最佳吸热率的计算式为：，式(12)；高温换热器的最佳总传热系数计算式为：，式(13)；低温换热器的最佳总传热系数计算式为：，式(14)；最佳放热率的计算式为：，式(15)。