一种热力系统参数优化方法
专利汇可以提供一种热力系统参数优化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是一种热力系统参数优化方法专利的具体信息内容。
1.一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TH的高温热源和温度为TL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K1和K2，总传热系数是传热系数k与换热面积A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κ，κ＝K2/K1，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ΦH；由低温换热器排放的热流率，简称为放热率，记为ΦL；
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P，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T1，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T2，简称为等效放热温度；热力系统的输出功率P与吸热率ΦH的比值定义为效率，记为η；热力系统的最大效率为卡诺热机效率，记为ηC，ηC＝1-TL/TH，此时，实际热力系统的输出功率为0；在等效吸热温度T1与等效放热温度T2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Pmax，与最大输出功率对应的效率为ηCA，
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ηopt，最佳输出功率Popt和最佳总传热系数比值κopt；第一步，选择最佳效率ηopt；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Popt和最佳总传热系数比值κopt，即，在最佳效率ηopt保持固定的前提下，通过增加总传热系数比值κ，使输出功率达到满意的输出功率，并使κ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ηopt的范围是介于ηCA与ηC之间，即ηCA＜ηopt＜ηC；其次，用热力系统的最大效率ηC与最大输出功率的效率ηCA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
ηopt＝qηC+(1-q)ηCA (1)
式中，q为最大效率ηC的权重因子，q在0.25-0.75之间；再次，推荐采用等权重方程
1/2
式(2)计算最佳效率，即q＝ ，
ηopt＝(ηC+ηCA)/2 (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ηopt的输出功率Popt，κ与总传热系数比值κ的函数关系，获得式(3),
式中，τL＝TL/TH；当κ＝1的最佳效率时的输出功率，记为Popt,κ＝1，计算式为式(4),最佳效率时任意总传热系数比值κ的输出功率Popt,κ与Popt,κ＝1的比值，记为Pr,opt，简称为最佳效率的对比输出效率，Pr,opt与κ的关系式为式(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κ；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κ＝1和最佳效率ηopt时高温换热器的成本σH为比较基准的成本单位，记κ＝1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κ≠1时，高温换热器的K1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κ的变化；热力系统的无量纲设备成本，记为σr,opt,κ，
σr,opt,κ＝σopt,κ/σH＝1+aκ+bPr,opt+c+d；所述的热力系统的单位输出功率设备成本，记为ω，定义为热力系统无量纲设备成本σr,opt,κ与最佳效率的对比输出效率Pr,opt的比值，其计算式为式(6)
根据单位输出功率设备成本ω方程(6)对总传热系数比值κ求极值，令极值方程等于0，参见式(7)
求得最佳总传热系数比值，记为κopt，计算式为式(8)
最佳总传热系数比值κopt的范围为1＜κopt＜2.5，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κopt为在保持最佳效率ηopt条件下，输出功率Popt,κ与κ＝
1时热力系统的最大输出功率Pmax,κ＝1相等的κ值，即Popt,κ＝Pmax,κ＝1，导出的最佳总传热系数比值κopt的数学计算式为式(9)
再次，求取对应于等权重法确定的最佳效率ηopt和最佳输出功率Popt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T2，opt，计算式(10)为：
最佳等效吸热温度T1,opt的计算式为：T1,opt＝T2,opt/(1-ηopt)，式(11)；
最佳吸热率ΦH,opt的计算式为：ΦH,opt＝Popt/ηopt，式(12)；
高温换热器的最佳总传热系数K1，,opt计算式为：
K1,opt＝ΦH,opt/(TH-T1,opt)，式(13)；
低温换热器的最佳总传热系数K2,opt计算式为：K2.opt＝κoptK1,opt，式(14)；
最佳放热率ΦL,opt的计算式为：ΦL,opt＝K2,opt(T2,opt-TL)，式(15)。
2.一种热力系统参数优化方法，其特征在于：是一种简化型有限热力分析法，即以定态热力系统的内可逆热机模型，通过建立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P、效率η、吸热率ΦH、放热率ΦL、工质的等效吸热温度T1、工质等效放热温度T2、以及高温热源温度TH、低温热源温度TL之间的关系；导出最大输出功率Pmax和最大输出功率时的效率ηCA的数学表达式；具体步骤为：
(1)建立方程组
能流率平衡方程：P＝ΦH-ΦL，式(16)；
高温换热器传热流率方程：ΦH＝K1(TH-T1)，式(17)；
低温换热器传热流率方程：ΦL＝K2(T2-TL)，式(18)；
内可逆热机模型的特点方程：ΦL/ΦH＝T2/T1，式(19)；
内可逆热机效率公式：η＝1-T2/T1，式(20)
利用式(16)～(20)的5个方程，以等效放热温度T2或等效吸热温度T1为独立的中间变量，在TH和TL已知的条件下，求解出功率P、效率η的数学表达式分别为
内可逆循环热机的等效吸热温度T1与等效放热温度T2关系为
(2)求最大输出功率数学表达式
利用输出功率P函数式(21)对变量T2求极值方程，
dP/dT2＝0 (24)
获得最大输出功率Pmax时的放热温度T2,m数学计算式为
把式(21)中的T2用式(25)T2,m的关系替换，获得最大输出功率Pmax的计算式(26)，(3)求最大输出功率时的效率数学表达式
把式(22)中的T2用式(25)T2,m的关系替换，得最大输出功率Pmax时的效率ηCA的计算式(27)，
3.一种热力系统参数优化方法，其特征在于：通过对本发明的热力系统模型所用的热力参数进行无量纲和归一化处理，把不同热源条件的热力系统的各参数之间关系，用无量纲的直角坐标图清晰表示，这些图包括：无量纲输出功率-效率的π-η图，相对无量纲输出功率-效率的πr-η图，无量纲的热流率-效率的φ-η图，无量纲温度-效率的τ-η图，无量纲温度-总传热系数比值的τ-κ图，无量纲输出功率-总传热系数比值的π-κ图，无量纲的热流率-总传热系数比值的φ-κ图，效率-总传热系数比值 的η-κ图，以及归一化的对比输出功率-对比效率Pr-ηr图表示；所述的参数的无量纲，采用无量纲定义式分别为：
ηr和Pr为自对比参
数，不反映不同κ值的变化；πr为相对参数，反映不同κ值的差别；
所述的πr-η图用于表示不同κ值的热力系统的输出功率差别和最大输出功率对应的效率；所述的π-κ图、φ-κ图、η-κ图、τ-κ用于表示最佳效率时的πopt、φ1,opt、φ2,opt、ηopt与κ的关系，并用于选择最佳效率时的κopt；所述的Pr-ηr用于表示等权重效率的选择作图法。
4.根据权利1、或权利2、或权利3所述的一种热力系统参数优化方法，其特征在于：所述的工质等效吸热温度T1，是在高温换热器换热过程工质比焓的差值h1,b-h1,a与比熵的差值s1,b-s1,a的商值，即T1＝(h1,b-h1,a)/(s1,b-s1,a)，脚注a、b分别表示过程的起、止；所述的工质等效放热温度T2是在高温换热器换热过程工质的比焓差值h2,b-h2,a与比熵差值s2,b-s2,a的商值，即T2＝(h2,b-h2,a)/(s2,b-s2,a)。
5.根据权利1、或权利2、或权利3所述的一种热力系统参数优化方法，其特征在于：
所述的高温热源温度，当热源是以高温气体流供给热能时，高温热源温度TH为高温热源等效温度，是热源的高温气体流在高温换热器换热过程的比焓的差值hH,b-hH,a与比熵的差值sH,b-sH,a的商值，即TH＝(hH,b-hH,a)/(sH,b-sH,a)，脚注a、b分别表示过程的起、止；所述的低温热源温度TL，当低温热源是以环境空气流或水流的流体吸收废热时，低温热源温度TL为等效低温热源温度，是低温热源的流体在低温换热器换热过程的比焓的差值hL,b-hL,a与比熵的差值sL,b-sL,a的商值，即TL＝(hL,b-hL,a)/(sL,b-sL,a)。
一种热力系统参数优化方法
技术领域
背景技术
国的陈林根 、严子俊、陈金灿 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τ1，经过低温换热器用时为τ2，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τ为τ1+τ2，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；
发明内容
数，不反映不同κ值的变化；πr为相对参数，反映不同κ值的差别；
具体实施方式
大,遵从式(25)的规律；κ较大时τ1降低，高温换热器不变，却能有较高的吸热率，可增加输出功率；τ2降低，使效率较高。
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