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热源驱动的超临界动力循环一朗肯复合热泵/制冷系

发布日期:2017-04-20 来源: 本网 查看次数: 272 作者:admin

核心提示:  斯特林动力循环是一种倍受关注的高效实用循环,但为达到一定的热效率,其运行压力很篼,人们纷纷提出各种改进措施。中提出了一种改进措施,利用复合工质(二元组分流体或单元多相流体)的相变特性改善回热过程、

  斯特林动力循环是一种倍受关注的高效实用循环,但为达到一定的热效率,其运行压力很篼,人们纷纷提出各种改进措施。中提出了一种改进措施,利用复合工质(二元组分流体或单元多相流体)的相变特性改善回热过程、降低气体斯特林循环的平均压力、提篼传热效率。利用超临界加热技术,克服了单纯采用复合工质时气缸内两相分布不均的问题,从而在较低的运行压力下达到较篼的热效率和功率密度。特别是单元多相工质,其循环过程已经演变成超临界回热循环,不限于往复结构的斯特林热机。而且由于其压比相同或相近,还可以应用最近美、日等国正极力发展的微型透平。利用这种超临界回热动力循环与朗肯循环组成的复合热泵/制冷系统,将提供一种新型热泵技术,是斯特林/朗肯复合热泵的进一步发展,具有重要的理论和工程应用研究价值。

  本文将对这种复合热泵/制冷系统在供热和制冷工况下进行循环参数的优化和系统性能的计算,揭示出各系统参数变化对性能的影响,为进一步的理论研究和产品开发提供基础数据。

  该复合系统是由超临界回热、加热动力循环驱动逆朗肯热泵/制冷循环构成的,其特点是采用了改进的动力循环,大大提篼了系统性能。动力循环的理论循环T―S图和hV图分别如、2所示动力循环P―V图理论动力循环由下列过程组成:膨胀过程4―1,膨胀机等熵膨胀对外做功;超临界回热过程/―r和2―3,回热器内实现超临界回热;放热过程r一2,冷凝器冷凝放热,向外部热源放热;等容过程2―2',由循环泵提高冷凝液体的压力;超临界加热过程3―4,在加热器内由外部热源超临界加热。

  热泵/制冷循环是普通的逆朗肯循环,其理论循环T-S如所示,其中5'―5过程采用过热。

  理论循环T―S图该复合系统的实际循环与理论循环有很多不同之处,在进行参数优化和热力计算时要考虑到膨胀机、循环泵和压缩机等的等熵效率及其他实际因素。

  3的回热过程中,因在接近饱和点r时,蒸汽的定压比热容迅速增加,使得篼温蒸汽部分放出的热量不能被低温侧的工质完全吸收,考虑到回热器的技术经济性,让回热过程高温侧的出口温度与对应的饱和点温度保持一定温差。即为了保证点lr不具有过篼的比热容,经过初步计算分析可取点lr与点1'温差为5T,回热器设计所需更准确的数据还要通过做。其中回热过程为llr和2'―3,li―2为冷凝器中的放热过程。

  动力循环对外做功既可以采用活塞式的机构,如所述,也可以采用正在发展中的微型透平。系统的供热量既包括热泵循环中的冷凝供热量,也包括动力循环向外排出的废热,二者既可以不同的温度为不同的用途供热,也可采用混水技术以某一温度供热。

  为了实现系统的集成化设计,可以采用封闭式结构,把循环泵、压缩机与膨胀机做在同一根轴上,用外壳将动力循环与热泵/制冷循环密封起来,既可以使设备结构集约,又可防止工质泄露,这样,外部的能量输人只有热量项,即加热器中加热、蒸发器中吸热及向外供热量。

  超临界动力循环实际T一S图按所述,该动力循环适合采用的工质主要有PFCs等,因为它们较篼的热稳定性和较低的临界压力。本文采用C4F10(十氟正丁烷)作为循环工质来进行系统的参数优化和性能计算。计算机模拟热力计算需要编制工质热力性质计算程序,本文程序编制是以所推荐的方程和常数为依据的,并经校验精度满足要求。

  3系统参数优化和热力计算该复合热泵/制冷系统由热源驱动,既可以实现冬天供热也可以实现夏天制冷。人们在室内感到舒适的温度一般为25 ~27尤,因此,在系统作为热泵供热工作时,供热温度45T左右即可满足要求。在制冷时,蒸发温度7.2T也可满足人们的需要。该系统还可以供给热水,热水温度在70系统在冬天供热和夏天制冷工作时,环境的温度也在发生变化,而且同样是冬天,不同地区环境温度差别也较大,本文可取冬天室外环境温度为-KTC进行设计计算。

  为了方便参数优化和热力计算,假定:整个复合循环系统都采用同一种工质,C4F10可设动力循环工质质量流量为lkg,热栗/制冷循环工质质量流量为Afkg;在各工况下,外部加热温度固定,由燃料的特性或所回收废热的品位来确定;系统的低温部分蒸发温度一定,供热7 =0.85,循环泵效率=0.70,压缩机效率=0.80.忽略各个换热器及管路中的热量损失。

  系统的参数优化就是在上述假定下,选取适当的循环参数,使整个系统的性能系数和能量利用经济性达到最篼,计算所确定的参数包括动力循环的膨胀压比、放热温度t、热泵/制冷循环的冷凝温度蒸发温度t,以及两循环工质的质量流量比等。确定所有参数后,进一步求出在实际供热和制冷工况下系统的最篼性能系数COP、动力循环和逆朗肯循环的性能系数C0Ps和COPt等系统性能评价指标。根据这些评价指标,可以与相同工况下其他类似供热和制冷系统相比较。

  每个参数的优化选取是以相应的性能系数最大为原则的,具体计算采用试算法,对于待优化参数每个试算值,分别求出相应性能系数,绘出其曲线图来选取。首先让L试取某值,然后依据动力循环效率或性能系数来确定压比循环泵功按下式求取:逆朗肯循环与动力循环是通过功量联系在一起的:朗肯循环冷凝温度Q与质量流量m并不独立,当Q确定后771随之确定。的确定要以朗肯循环供热系数(或制冷系数)最大为原则。

  最后,的确定以整个系统性能系数最大为目标。

  当然,在选取参数的时候还要综合考虑其他因素的限制和实际工况的要求。

  3.3优化计算结果与分析根据上述方法和公式,编制参数优化和热力计算FORTRAN程序,根据计算数据绘出各个待优化参数与相应性能系数指标的关系曲线图,分析每个参数对系统性能的影响。

  动力循环性能系数与压比曲线动力循环膨胀压比ep的确定:由可见,在7―定时,C0Ps随£;)的增大而增大,但考虑到压比过大会导致膨胀效率降低、运行压力过篼等不足,选取5.0,此时系统最篼压力为5.8MPa,动力循环效率或性能系数为朗肯循环冷凝温度的优化:在Tcs取定值并确定动力循环的压比eP之后,:Ta的优化目标是热泵循环供热系数最大。由计算结果数据绘出与7变化曲线图,如所示。

  热泵循环性能系数与冷凝温度曲线由可知,ra越低供热系数越篼,但不能无限制地低,因为供热温度有其实用的要求,如前所述,室内供热45以上即可,因此,可取在确定了Ta温度后,两循环的质量流量比M即可求出。

  的确定要以系统总的供热系数COP最大为目标,由计算结果数据绘出C0P随ra的变化曲线图,如所示。

  系统性能系数与ra温度曲线由可知,系统供热系数COP随7的升高而增大,但的值也不能过高,否则会导致每千克工质供热量减小,而且在接近临界点处工质的比热容升篼极快,使得换热器的设计相当困难,因此,综合各方面的因素可取7=80:,此时系统性能系数为1.94.按照上述分析选取系统参数,然后计算在此工况下系统的各项性能指标的值,见表1.表1t ft热工况优化考参数及系统性育名称参数名称参数尸4蒸发温度r£变化对系统性能的影响:地区不同,室外环境温度变化较大,即热泵循环蒸发温度变化较大,它对系统性能也会产生影响。为求取不同蒸发温度7下系统的各参数及性能指标,在程序中将。变动取一系列值试算,其余过程不变。

  分别为-1.、-时,进行优化计算,得到的的优化性能系数COP如表2所示。

  表2不同蒸发温度下的优化性能系数该系统在夏天用于制冷时,工作状况有些改变,可取蒸发温度7=7.2T进行优化计算,即该工况下系统的已知参数有:加热温度r 7.2T,其它参数均待优化确定。制冷工况下参数优化的方法与过程和供热工况下相同,仅将供热系数改成制冷系数。动力循环的计算与供热工况下完全相同,仍取压比ep=5.0.为了确定制冷循环中的冷凝温度ra,由计算结果数据绘出制冷循环制冷系数(:0户随7变化图,如所示。由该图可知,随7的升篼而降低,因此,:Ta可取符合实际的最小值,根据夏天室外环境条件,可取ra=45t.朗肯循环制冷系数与冷凝温度曲线制冷性能系数与7温度曲线对于7的选取,先绘出系统总的制冷系数随的变化曲线图,如所示。可见,值越高,值越篼,但考虑到不能太接近临界点(原因见供热工况下所述),仍取ra=8丈。

  按照上述所取各参数值,系统各参数及性能指标等的计算值结果见表3.表3制冷工况下参数优化及热力计算结果数据名称参数名称参数利用超临界回热、加热动力循环与朗肯循环组成的复合热泵/制冷系统,是一种新型热泵技术。本文对这种复合热泵/制冷系统在供热和制冷工况下进行循环参数的优化和系统性能的计算,结果表明,在加热温度550冗、蒸发温度-10.0弋作为热泵使用时,系统以80T和45T两种温度进行供热,供热性能系数可达到1.9左右。它既可以两种温度实现不同用途供热,也可采用混水技术用一种温度对外供热,能量利用的经济性较篼;当系统以7.2弋的蒸发温度用于制冷时,系统的制冷性能系数可达到1.6以上,高于现有双效溴化锂一水吸收式制冷系统的理论制冷系数。

  由于该系统的燃烧系统可单独设计,因此本系统也将为垃圾资源化利用、太阳能以及地热能等分散型能源提供一种新型能量转换技术,即直接利用热能作为驱动能源,提供不同温度水平的能量(冷源或热源)。在节约能源、保护环境和可持续发展等方面表现出巨大的优越性,具有明确的工程应用前景。

  上述的分析计算是在一些假设下初步完成的,很多具体问题还需要做进一步的分析以及试验研究,主要有:回热器的设计是该系统的一个难题,篼温侧的H热在接近饱和点时工质具有较高的比热容而使得放出的一部分热量不能被低温侧的超临界压力下的液体吸收,具体的传热量和温度的数据还需要做更精细的计算和试验分析;工质在换热器以及管道中的压力损失以及能量损失没有具体分析;还可以对其他符合本复合系统使用条件的工质进行计算并比较分析,找出循环性能更好的工质;应该对系统经济性和可行性做进一步的分析评价。

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