不可逆变温热源KCS-34循环生态学性能优化
2018-11-13秦宛旭戈延林陈林根秦晓勇夏少军
秦宛旭,戈延林,陈林根,秦晓勇,夏少军
(海军工程大学动力工程学院,武汉 430033)
Kalina循环是由Alexander I.Kalina于20世纪80年代提出的一类以氨水混合物为工质的热力循环[1-3]。KCS-34循环是Kalina循环的一种,是中低温热源利用的重要循环之一[4-5]。
有限时间热力学分析在经典热力学分析的基础上,考虑了热源和循环工质之间的传热热阻、循环内部过程的不可逆性等更符合工程实际的不可逆性因素,针对不同的热力循环过程进行优化[18-21]。文献[22]明确应用有限时间热力学理论,建立了变温热源不可逆KCS-34循环模型。
有限时间热力学分析中,除了以功率、效率为目标以外,还可以生态学函数、比功率等为目标进行性能分析。生态学函数是由Angulo-Brown[23]于1991年提出一个新的热机性能指标E′=P-T1σ(其中,P为循环净功率,T1为低温热源温度,σ为循环熵产率)。但Angulo-Brown没有注意到能量(热量)与功的本质区别,文献[24]对该性能指标进行了修正,得到E=P-T0σ(其中,T0为环境温度)。
本文在文献[22]的基础上,应用有限时间热力学的理论和方法,分析循环工质氨浓度变化时,循环工质质量流率和蒸发器出口循环工质干度对生态学函数的影响,并对循环净功率、效率与生态学函数三者之间的关系进行对比分析。
1 变温热源不可逆KCS-34循环模型
本文应用的模型详见文献[22]。变温热源不可逆KCS-34循环工作原理如图1所示,其T-s图如图2所示。工作流程如下:一定浓度的氨水混合物1经循环泵增压、低温和高温回热器预热后,在蒸发器中与热源进行热交换,变成高温高压的两相混合物5;两相混合物5经分离器气液分离,气相混合物5v进入膨胀机做功,液相混合物5l进入高温回热器中回收部分热量;膨胀机产生的乏气6v与高温回热器出口的液相混合物6l节流降压混合后,再经低温回热器回热、冷凝器冷凝后回到循环起点,完成整个循环。
假设循环中所有的换热器均为逆流式且换热过程无热量损耗,传输过程中的热量和压力损失忽略不计,冷凝器出口干度为0,蒸发器出口循环工质干度为。考虑循环的热源为有限热容率热源、热源和循环工质之间的传热热阻,并根据分离过程和混合过程中质量守恒和能量守恒,得到循环工质在气液分离前后的各点参数。
图1 KCS-34循环工作原理
图2 KCS-34循环T-s图
分别用循环泵等熵效率ηpump和膨胀机等熵效率ηturb表示循环泵和膨胀机的内不可逆性,则循环泵消耗的功率ηpump和膨胀机产生的功率ηturb为
ηpump=mb(h2s-h1)/ηpump
(1)
ηturb=mbv(h5v-h6vs)·ηturb
(2)
式中mb,mbv——循环工质和气液分离后气相混合物的质量流率;h1——冷凝器工质侧出口循环工质的比焓;h5v——气液分离后气相混合物的比焓;h2s——循环泵等熵增压时循环工质的出口比焓;h6vs——膨胀机等熵做功时的出口比焓。
考虑循环的总换热面积AT有限,循环的总换热面积为各部件换热面积之和,即:
AT=Aeva+Acon+Aht+Alt
(3)
则有循环净功率P、效率η、循环熵产率σ和生态学函数E分别为
P=Pturb-Ppump
(4)
η=P/Qeva
(5)
(6)
E=P-T0σ
(7)
式中Qeva——蒸发器的吸热率;Cph,Cpc——热源、冷源流体的热容率;T0——环境温度。
2 循环生态学目标函数性能优化
根据文献[33-35],给定以下初始参数:ηpump=0.75,ηturb=0.80,mh=12.5 kg/s,Cph=4.4 kJ/(kg·K),Th1=200℃,mc=60 kg/s,Cpc=4.2 kJ/(kg·K),Tc1=15℃,Aeva=139.2 m2,Keva=800 kW/(kg·m2),Acon=60.3 m2,kcon=1 500 kW/(kg·m2),Aht=1.7 m2,knt=1 200 kW/(kg·m2),Alt=17.37 m2,k1t=1 000 kW/(kg·m2),AT=218.5 m2,T0=15℃。基于文献[22]建立的变温热源不可逆KCS-34循环模型,由所给数值进行计算,可以分析不同的循环工质氨浓度下(取X分别为0.70、0.75和0.80),mb与ε分别为变量时对的影响,以及对应的P、η和E三者之间的关系。
2.1 循环工质氨浓度变化时,循环工质质量流率对生态学性能的影响
取ε=0.80,则E与mb之间的关系以及此时P与η、E与η和E与P之间的关系分别如图3至图6所示。
图3 不同X下,E与mb的关系
图4 不同X和mb下,P与η的关系
图5 不同X和mb下,E与η的关系
图6 不同X和mb下,E与F的关系
由图3可知,在不同的循环工质氨浓度下,mb与E之间均呈类抛物线关系。随着mb的增大,E先增大后减小,存在最优的mb使最大;随着循环工质氨浓度的增大,E的最大值增大。
由图4和图5可知,mb为变量时,在不同的工质氨浓度下,P与η、E与η均呈类抛物线关系,存在一定的mb分别使E或P最大,而η随mb的增大而单调递减;功率最大时的效率低于生态学函数最大时的效率。
由图6可知,mb为变量时,在不同的工质氨浓度下,E与P的关系曲线为扭叶型,存在一定的mb分别使E或P最大;且随着循环工质氨浓度的增大,E与P的最大值均随之增大。
2.2 循环工质氨浓度变化时,蒸发器出口循环工质氨浓度ε对生态学性能的影响
取mb=2.1 kg/s,则E与ε之间的关系以及此时P与η、E与η和E与P之间的关系,分别如图7至图10所示。
由图7可知,ε为变量时,在不同的工质氨浓度下,E与ε之间均呈类抛物线关系,随着ε的增大,E先增大后减小,存在最优的ε使E最大;随着循环工质氨浓度的增大,E的最大值增大,最大值对应的ε也逐渐增大。
由图8至图10可知,ε为变量时,在不同的工质氨浓度下,P、η和E均随着ε的增大先增大后减小,存在一定的ε分别使P、η或E最大;P、η和E之间任意二者的关系曲线均为扭叶型,即P、η和E任意两者均不能同时达到最大;功率最大时的效率低于生态学函数最大时对应的效率,效率最大时对应的功率低于生态学函数最大时对应的功率。
图7 不同X下,E与ε的关系
图8 不同X和ε下,P与η的关系
图9 不同X和ε下,E与η的关系
图10 不同X和ε下,E与P的关系
3 结语
本文应用有限时间热力学的理论和方法,分析了变温热源不可逆KCS-34循环的生态学函数性能,分别得到了循环工质氨浓度变化时,循环工质质量流率、蒸发器出口循环工质干度对生态学函数的影响和此时循环净功率、效率与生态学函数之间的关系。
(1) 当循环工质质量流率为变量时,生态学函数与效率、循环净功率与效率均呈类抛物线关系,而生态学函数与循环净功率之间关系曲线为扭叶型;
(2) 当蒸发器出口循环工质干度为变量时,循环净功率、效率和生态学函数任意两者之间的曲线关系均为扭叶型;
(3) 不同的优化目标对应不同的最优工况,生态学函数的最优工况位于效率最优工况与功率最优工况之间,是二者的折衷。
下一步,将对循环进行换热面积分配优化计算。