162 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)火用性能分析

1、.PAGE ：.；PAGE 7燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)火用性能分析湖南科技大學(xué) 郝小禮 王海橋湖南大學(xué) 張國(guó)強(qiáng)摘要：運(yùn)用有限時(shí)間熱力學(xué)方法，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用輸出率與火用效率特性進(jìn)展了分析，導(dǎo)出了該系統(tǒng)的無(wú)因次總火用輸出率及火用效率公式。數(shù)值計(jì)算闡明，分別存在最優(yōu)的壓比參數(shù)，使得聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的總火用輸出率及火用效率到達(dá)最大。關(guān)鍵詞：熱力學(xué)；聯(lián)產(chǎn)安裝；火用分析熱電聯(lián)產(chǎn)由于具有提高能源利用效率、減少污染排放、節(jié)約能源資源和維護(hù)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了越來(lái)越多的關(guān)注和運(yùn)用1。然而，為了充分發(fā)揚(yáng)聯(lián)產(chǎn)安裝在節(jié)能、環(huán)保方面的潛力，提高聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，確定優(yōu)化的聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)是必要的。燃?xì)廨啓C(jī)具有功率大、體

2、積小、啟動(dòng)快、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)消費(fèi)、交通運(yùn)輸以及能源動(dòng)力等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。同時(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)具有高溫吸熱和高溫放熱的特點(diǎn)，因此，很適宜于熱電聯(lián)產(chǎn)用途。然而，雖然許多學(xué)者對(duì)各種燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力循環(huán)進(jìn)展了大量的分析和研討2-7，但是，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)循環(huán)進(jìn)展研討的卻很少。最近，文獻(xiàn)8對(duì)內(nèi)可逆燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)安裝進(jìn)展了火用分析，獲得了內(nèi)可逆條件下聯(lián)產(chǎn)循環(huán)火用輸出率和火用效率最優(yōu)時(shí)的壓比參數(shù)。在文獻(xiàn)8的根底上，本文進(jìn)一步對(duì)不可逆燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)循環(huán)進(jìn)展研討，思索同時(shí)存在由于有限傳熱溫差而引起的外部不可逆性和由于非等熵緊縮和膨脹而引起的內(nèi)部不可逆性時(shí)，聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的火用率與火用效率特性。經(jīng)過(guò)最

3、大化聯(lián)產(chǎn)安裝的無(wú)因次火用輸出率和火用效率，確定最優(yōu)的循環(huán)壓比參數(shù)，分析火用輸出率與火用效率之間的關(guān)系。1. 聯(lián)產(chǎn)循環(huán)模型圖1 不可逆燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)循環(huán)T-s圖思索如圖1所示的不可逆燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)循環(huán)，該聯(lián)產(chǎn)循環(huán)任務(wù)在三個(gè)恒溫?zé)嵩粗g，即高溫?zé)嵩?，低溫?zé)嵩春吐?lián)產(chǎn)熱用戶之間。該循環(huán)在向外輸出機(jī)械功的同時(shí)，為熱用戶輸出有用熱能，實(shí)現(xiàn)熱功或熱電聯(lián)產(chǎn)。圖中，過(guò)程1-2為工質(zhì)在壓氣機(jī)內(nèi)不可逆絕熱緊縮過(guò)程；過(guò)程3-4為工質(zhì)在透平內(nèi)不可逆絕熱膨脹過(guò)程；過(guò)程2-3為工質(zhì)從高溫?zé)嵩吹葔何鼰徇^(guò)程；過(guò)程5-1為工質(zhì)向低溫?zé)嵩吹葔号艧徇^(guò)程；過(guò)程4-5為工質(zhì)在熱回收安裝中向熱用戶等壓放熱過(guò)程；而過(guò)程1-2s和過(guò)程3-4s那么

4、分別表示相應(yīng)的可逆絕熱緊縮和膨脹過(guò)程。因此，循環(huán)1-2-3-4-5-1為不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)；循環(huán)1-2s-3-4s-5-1為內(nèi)可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)。為了表征壓氣機(jī)和透平內(nèi)的不可逆損失，定義兩個(gè)等熵效率和為： 1 2假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，且其定壓比熱堅(jiān)持恒定，其熱容率為工質(zhì)的質(zhì)量流量和定壓比熱的乘積；根據(jù)傳熱學(xué)和熱交換器實(shí)際可知，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰岬奈鼰崧屎拖虻蜏責(zé)嵩捶艧岬姆艧崧剩约盁峄厥瞻惭b的回收熱流率分別可表示為： (3) (4) (5)式中，、和分別為工質(zhì)與高、低溫?zé)嵩粗g的換熱有效度以及用戶側(cè)熱交換器熱回收安裝的換熱有效度。聯(lián)產(chǎn)安裝包括兩種有用的輸出：有用功輸出和有用熱輸出。根據(jù)熱力學(xué)第

5、一定律，聯(lián)產(chǎn)安裝的輸出功率為： (6)由于機(jī)械功是高檔次能，因此，其火用輸出率與功率相等，即： (7)假設(shè)環(huán)境溫度為，那么伴隨有用熱能的火用輸出率為： (8)因此，聯(lián)產(chǎn)安裝的總火用輸出率為： (9)另外，根據(jù)熱力學(xué)第二定律有： (10)用對(duì)進(jìn)展無(wú)因次化，并聯(lián)立式15、9和10，可以求解得聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的無(wú)因次總火用輸出率為： (11)式中， 其中：，為工質(zhì)的絕熱指數(shù)，是循環(huán)的壓比，稱(chēng)為循環(huán)的壓比參數(shù)；，稱(chēng)為循環(huán)溫比；，稱(chēng)為用戶溫比；，稱(chēng)為環(huán)境溫比。聯(lián)產(chǎn)火用效率定義為： (12)式中，為聯(lián)產(chǎn)安裝的火用輸入率，用下式計(jì)算： (13)將式9和13代入式12，并化簡(jiǎn)得： (14)聯(lián)產(chǎn)安裝的電功熱比定義為：

6、(15)2. 結(jié)果與討論式11和14闡明，不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)無(wú)因次總火用輸出率和火用效率與、和等參數(shù)有關(guān)，然而，利用式11和14很難經(jīng)過(guò)解析的方法直接分析出這些要素對(duì)總火用輸出率和火用效率的影響，因此，采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)展分析。為了計(jì)算方便，在一切的算例中，取環(huán)境溫比，也就是低溫?zé)嵩吹臏囟鹊扔诃h(huán)境溫度。2.1 最優(yōu)壓比參數(shù)圖2和3分別顯示了無(wú)因次總火用輸出率和火用效率隨循環(huán)壓比參數(shù)的變化規(guī)律，圖中的計(jì)算條件為，。圖2和3闡明，和隨都呈類(lèi)似拋物線變化規(guī)律，也就是說(shuō)，分別存在一個(gè)最優(yōu)的壓比參數(shù)和，使得聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的總火用輸出率和火用效率到達(dá)最大值和，即圖中拋物線的最高點(diǎn)。圖2 無(wú)因次總火用輸出率隨

7、壓比參數(shù)的變化循環(huán)溫比的影響；b用戶溫比的影響圖3 火用效率隨壓比參數(shù)的變化a循環(huán)溫比的影響；b用戶溫比的影響圖2和3還顯示，隨循環(huán)溫比的添加和用戶溫比的降低，循環(huán)的總火用輸出率和火用效率總是添加的，優(yōu)化總火用輸出率和優(yōu)化火用效率也是添加的。一樣條件下，最大火用輸出率時(shí)的壓比參數(shù)總是小于最大火用效率時(shí)的壓比參數(shù)。研討闡明，隨的添加和的降低而線性添加，隨的添加而線性增大，隨的變化規(guī)律與和的大小有關(guān)，普通和較大時(shí)，隨的增大而增大，相反，當(dāng)和較小時(shí)，隨的增大反而減小。不過(guò)總體來(lái)講，對(duì)的影響較小。圖4和圖5更加明晰地顯示了和對(duì)和的影響規(guī)律，圖中的其它計(jì)算條件與圖2和3一樣。圖4 火用輸出率最大時(shí)的壓比

8、參數(shù)隨和的變化規(guī)律2.2 火用輸出率和火用效率關(guān)系圖6顯示了不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)無(wú)因次總火用輸出率與火用效率之間的變化關(guān)系，圖中的計(jì)算條件為：，。與不可逆布雷頓動(dòng)力循環(huán)功率與效率特性稍有不同22，不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)-關(guān)系曲線雖然也呈扭葉線型，但卻不是一條完好的扭葉線。在每一條-曲線上，都可以確定出四個(gè)重要的參數(shù)，即：最大無(wú)因次總火用輸出率與最大總火用輸出率條件下的火用效率、最大火用效率與最大火用效率條件下的總火用輸出率。由這四個(gè)重要的參數(shù)，可以確定出實(shí)踐布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，既可獲得較大的火用輸出率，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)較高的火用效率。通常，更大的無(wú)因次火用輸出率，意味著實(shí)現(xiàn)同樣

9、的火用輸出時(shí)所需求的設(shè)備體積更小，也就是更低的設(shè)備本錢(qián)；而更高的火用效率，意味著獲得同樣多火用輸出時(shí)所耗費(fèi)的燃料更少，也就是更低的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，為兼顧這兩個(gè)方面，在實(shí)踐中，應(yīng)使聯(lián)產(chǎn)安裝的設(shè)計(jì)參數(shù)落在該優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)。圖6還闡明，一樣條件下，隨著壓氣機(jī)效率和透平效率的添加，聯(lián)產(chǎn)循環(huán)無(wú)因次總火用輸出率和火用效率都是添加的。當(dāng)和都趨近于1時(shí)這時(shí)，不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)蛻變成內(nèi)可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)，和到達(dá)最大。也就說(shuō)，一樣條件下，不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的性能總是低于內(nèi)可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)。從圖6還可以看出，不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循的-曲線與內(nèi)可逆時(shí)的情況完全不同，不可逆時(shí)，-曲線呈扭葉線形，而內(nèi)可逆時(shí)，-曲線那么

10、呈拋物線形，這時(shí)，火用效率沒(méi)有最大值，這一點(diǎn)與文獻(xiàn)8的結(jié)果是不同的。圖5 火用效率最大時(shí)的壓比參數(shù)隨和的變化規(guī)律圖6 無(wú)因次總火用輸出率與火用效率之間的變化關(guān)系3. 終了語(yǔ)本文運(yùn)用有限時(shí)間熱力學(xué)方法，對(duì)恒溫?zé)嵩礂l件下的不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)進(jìn)展了火用分析。研討闡明，分別存在最優(yōu)的壓比參數(shù)和，使得聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的總火用輸出率和火用效率到達(dá)最大值?；鹩幂敵雎首畲髸r(shí)的壓比參數(shù)總是小于火用效率最大時(shí)的壓比參數(shù)，且隨循環(huán)溫比的添加，最優(yōu)的壓比參數(shù)和呈線性添加。不可逆布雷頓聯(lián)產(chǎn)循環(huán)與之間呈扭葉線變化規(guī)律，而在內(nèi)可逆時(shí)，與之間呈拋物線變化規(guī)律。本文的研討結(jié)果可為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)安裝設(shè)計(jì)提供指點(diǎn)。在進(jìn)一步的研討中，可以思

11、索存在熱漏和變溫?zé)嵩磿r(shí)，聯(lián)產(chǎn)安裝的火用性能，使研討結(jié)果更進(jìn)一步接近工程實(shí)踐。參考文獻(xiàn)：1 WU DW, WANG RZ. Combined cooling, heating and power: A review J. Progress in Energy and Combustion Science, 2006, 32: 459495.2 SAHIN B, KODAL A, YILMAZ T, YAVUZ H. Maximum power density analysis of an irreversible Joule-Brayton engine J. J. Phys. D: Appl.

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