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专利号: 2017103708171
申请人: 陈则韶
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-04-28
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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)

高温换热器传热流率方程式:

  (2)

低温换热器传热流率方程式:

  (3)

内可逆热机模型的特性方程:

  (4)

内可逆热机效率公式:

  (5)

利用式(1)- (5)的5个方程,以等效放热温度 或等效吸热温度 为独立的中间变量,在 和 已知的条件下,求解出功率 、效率 的数学表达式分别为  (6)

  (7)

内可逆循环热机的等效吸热温度 与等效放热温度 关系为  (8)

(2)求最大输出功率数学表达式

利用输出功率 函数式(6)对变量 求极值方程,  (9)

获得最大输出功率 时的等效放热温度 数学计算式为  (10)

把式(6)中的 用式(10)  的关系替换,获得最大输出功率 的计算式(11),  (11)

(3)求最大输出功率时的效率数学表达式

把式(8)中的 用式(10)  的关系替换,得最大输出功率 时效率 的计算式(12),  (12)。

3.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:所述的通过参数的无量纲处理,表示热力系统的各参数之间关系;用高温热源温度 为分母无量纲各种温度,用高温换热器的总传热系数 与假定传热温差等于高温热源温度 的乘积 为能流率的无量纲基数,则无量纲高温热源温度 、无量纲低温热源温度 、无量纲等效吸热温度 、无量纲等效放热温度 、无量纲吸热流率 、无量纲放热流率 、无量纲输出功率 、无量纲对比输出功率 、无量纲最大输出功率 、最大输出功率 时所对应的无量纲等效放热温度 、无量纲对比最大输出功率 的定义式分别为: 无量纲处理后,式(8)  的无量纲式为

  (13)

式(7)效率 的无量纲式为

  (14)

式(6)输出功率 的无量纲式为

  (15)

由 对 极值方程求出无量纲最大输出功率 步骤如下:  (16)

  (17)

由上式解得最大输出功率 时所对应的无量纲放热温度 为,或由式(10)的无量纲得  (18)

把式(17)中的 用式(18)  的关系替换,则得到无量纲最大输出功率 表达式为  (19)

把式(14)中的 用式(18)  的关系替换,得最大输出功率 时的效率 计算式(12)  (20)

根据式(15)和 ,解出 ,并据式(19),令 ,解出  (21)

由式(19)和式(21)解得无量纲对比最大输出功率 ,  (22)

式(22)表明对比最大输出功率 仅仅是对比总传热系数 的函数。

4.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;图的左纵轴表示 和 ,左纵坐标范围0-1.0;右纵轴表示 ,右纵坐标范围下限0,上限根据 的最大值;横坐标轴为 ,横坐标范围为 ;生成 图的具体操作步骤是:根据式(17)在给定 和 情况下,解出 ;继而据式(13)解出 ;把得到的 代入式(15)解出 ;并据式(19)令 解出 ;再据 的无量纲定义式,求解出对应于选定 值的 值,继而画出 的曲线;无量纲对比输出功率 ,反映不同、 和不同 值时输出功率 的对比相对变化规律;

图中的 曲线为抛物线,在 区间, 随 增大而增大,在 区间,随 增大而减小,在效率为 时 达到极大值,最佳效率只能在 区间选取, ;

参照等权重法,建议

  (23)

由图2看出,值大的 抛物线在上方,即在相同效率时上方的 曲线输出功率大;因此,可以在确定了最佳效率 后,通过适当地增大 获得较高的输出功率。