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城市污水热泵系统的有限时间热力学优化分析点击：1822 日期：[ 2014-04-26 21:39:29 ] |
| 城市污水热泵系统的有限时间热力学优化分析 钱剑峰, 孙德兴, 张承虎, 庄兆意 (哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090) 摘 要：应用有限时间热力学理论建立了热泵最佳制热性能系数和最小总传热面积的数学模型,结合实际算例,对总传热面积对系统特性的影响及总传热面积的优化进行了模拟分析。 关键词：城市污水热泵; 有限时间热力学; 总传热面积 中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1000-4416(2007)06-0061-04 城市污水是一种优良的可再生冷热源,它的应用具有重要的节能环保意义[1]。考虑到城市污水水质的特殊性,实际应用中必须先由污水防阻机解决其堵塞问题,然后采用污水换热器获取其冷热量,通过水源热泵机组向建筑物供冷或供热。城市污水热泵(简称USSHP)系统主要由污水防阻机、污水换热器、水源热泵机组等组成。 污水换热器、热泵机组蒸发器和冷凝器面积是USSHP系统重要的设计参数,在一定的总传热面积下对各传热面积进行优化匹配,可使USSHP系统获得最佳的运行特性,如最佳制热性能系数;同样,在满足一定运行特性下对各面积进行优化匹配也能获得最小的总传热面积,从而降低造价与运行费用。 许多研究人员用有限时间热力学的方法分析了常规热力系统(如热机、热泵与制冷机等)的性能优化问题,并取得了相应成果[2~6]。本文将应用有限时间热力学理论来分析制热工况下USSHP系统的优化问题,研究各参数之间的优化关系。 1 数学模型的建立 通过分析由城市污水热泵系统抽象出来的定常不可逆循环模型,得出制热工况下系统参数间关系为: 2 污水热泵系统的优化关系 2.1 最佳制热性能系数 以制热性能系数Icop为目标函数时,由式(9)可知,在给定的热源温度、传热系数、不可逆程度、内热漏损失和冷凝器实际传热量的情况下,制热性能系数Icop仅是冷凝器和蒸发器面积的函数。 当三个换热器换热面积之和A给定时,目标函数的约束条件为式(4)和(10)。 A=A1+A2+A3(10) 应用拉格朗日乘数法优化计算可知,若换热器传热面积满足式(4)、(10)和(11),则存在最佳的制热性能系数。 联立上述三方程可以求出对应的三个换热器传热面积,从而可求得最佳制热性能系数及其相应参数。 2.2 最小总传热面积 以总传热面积A为目标函数时,目标函数为式(10)。当热泵机组制热性能系数Icop给定时,该目标函数的约束条件为式(4)和(11)。因而,合理选取各换热器的面积,在给定热源温度等条件下使得总传热面积最小是一个有意义的问题,能降低换热器造价。 应用拉格朗日乘数法优化计算可知,若换热器传热面积满足式(12)~(14),则存在最小的总传热面积A。 3·算例分析 案例具体参数如下:三个换热器(冷凝器、蒸发器、污水换热器)均为管壳式换热器,相应的传热系数为1.4、0.55、0. 7,热泵机组制冷剂为R134a,热泵循环不可逆程度=1.05,内热漏损失Φlos=0.02ΦH[7]。 3.1 总传热面积对系统特性影响 设该算例的设计供热负荷ΦH为500 kW,则内热漏损失为10 kW。图1~4显示了总传热面积对系统特性参数的影响,图5显示了不同总传热面积下工质的最佳工作温度。图中t1、t2、tH、tL、tW是对应T1、T2、TH、TL、TW的摄氏温度,单位为℃。 图1~3给出系统运行于不同工况下的特性曲线,其中以工况tH=43℃,tL=3℃,tW=8℃为基准工况。在同一设计供热负荷ΦH下,随着总传热面积A增加,在tH、tL、tW分别变化的情况下,最佳制热性能系数Icop,max单调递增。在相同总传热面积下,供水温度tH升高和污水温度tW降低,都会对系统特性产生一定的不利影响。随着总传热面积A增加,中介水温度升高有利于提高系统特性,而在总传热面积较小(例如本算例中A=300~550 m2)时,中等中介水温度时的系统特性较好。 由图4可知,在同一设计供热负荷ΦH及同一温度参数(tH、tL、tW、)下,随着总传热面积A增加,最小循环输入功率Pmin呈单调减小的趋势。 由图5可知,在同一温度工况tH=43℃、tL=3℃、tW=8℃下,随着总传热面积A增加,优化所得工质蒸发温度t2逐渐增大而冷凝温度t1逐渐减小,且蒸发器和冷凝器的传热温差(t1-tH)、(tL-t2)随着总传热面积的增加逐渐减小。当总传热面积增加到一定程度后,蒸发器和冷凝器的传热温差等特性参数的变化均趋于平缓,这意味着此时再盲目地增加总传热面积将无端增大机组的体积,并引起制造成本增加及投资浪费。 3.2 总传热面积的优化 图6为在制热性能系数为4. 5时,不同设计供热负荷及设计工况下总传热面积的优化结果。可以看出,最小总传热面积Amin与设计供热负荷ΦH成线性递增关系,且增长较快。另外,设计工况对Amin的影响也较大,图7显示了对应的各换热器传热面积的最佳分配关系。 可以看出,在总传热器面积中,污水换热器所占比例最大,占50%以上,因此提高污水换热器的传热性能,将有效缩小换热器整体尺寸,降低造价。 4·结论 运用有限时间热力学理论对城市污水热泵系统进行了优化分析,得出了热泵制热性能系数最优时换热器面积的匹配关系和总传热面积最小时各参数间的优化关系。研究结果显示,合理匹配和选择换热器面积对改善系统运行特性及降低造价具有重要意义。 参考文献:略 |
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