CN107120150A - 基于非共沸工质的热力循环升维构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法，是以理想卡诺循环为逼近目标，实际循环由非共沸工质完成，所述非共沸工质由两种组分构成；在实际循环中，将具有等温热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M1，将具有等熵热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M2；实际循环是在组分配比M1和M2之间跳跃完成。本发明该构建方法是在传统热力循环构建方法的基础上，增加表征工质基本热力学性能参数的维度，将实际热力循环构建问题从经典的二维平面问题，升维到三维空间问题。通过增加工质的自由度，可以实现循环中非共沸工质不同组分配比之间的切换，以达到各个热力过程的性能最佳，从而实现整体循环的理想逼近。

Description

基于非共沸工质的热力循环升维构建方法

技术领域

本发明属于热力循环升维构建方法，具体涉及基于非共沸工质高效循环利用的热力循环升维构建，基于新循环可以实现更高效的能源利用。

背景技术

能源是经济发展和社会进步的主要动力，而减少能源从生产到消费各个环节中的损失和浪费，提高能源转换效率是当前解决能源危机的主要手段。因此，不断提高循环系统中能量传递和转换的技术水平以减少损失，是实现我国节能减排的关键所在。

热力循环是热功相互转换的基础理论依据，而工质基础物性是实现循环的保障。理想热力循环的构建理论完备，致使理想循环相对统一(卡诺循环、斯特林循环、布雷顿循环等)，数量很少；而实际循环缺乏明确的构建理论，导致新循环层出不穷，数量繁杂，良莠不齐。

实际循环构建的目标是逼近理想循环，理想热力循环与实际热力循环最大的区别在于后者要基于某实际的工作介质进行构建，当前既有工质都不能完全满足全部理想热力过程的要求，导致实际热力循环只能根据实际情况有所取舍，即便当前最好的实际热力循环性能也大幅偏离了理想循环性能(热力学完善度普遍小于50％)。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法，可以减少实际循环的不可逆损失，提高循环性能，使实际循环逼近理想循环。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法，是以理想卡诺循环为逼近目标，实际循环由非共沸工质完成，所述非共沸工质由两种组分构成；在实际循环中，将具有等温热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M1，将具有等熵热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M2；实际循环记为A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，其中，A₁→B₁过程为吸热过程，B₂→C₂过程为膨胀过程，C₁→D₁过程为放热过程，D₂→A₂过程为压缩过程，B₁→B₂过程、C₂→C₁过程、D₁→D₂过程和A₂→A₁过程均为组分配比调节过程，上述实际循环A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，在组分配比M1和M2之间跳跃完成，具体过程如下：

工质的初始的组分配比为M1，吸热过程A₁→B₁，通过具有组分配比M1的工质与热源的匹配，使工质吸热过程中的不可逆损失达到最小；组分配比调节过程B₁→B₂，工质的组分配比由M1调节到M2，从而实现膨胀过程B₂→C₂的输出功最大；组分配比调节过程C₂→C₁，工质的组分配比由M2调节到M1，放热过程C₁→D₁，通过具有组分配比M1的工质与冷源的匹配，使工质在放热过程中的不可逆损失达到最小；组分配比调节过程D₁→D₂，工质的组分配比由M1调节到M2实现压缩过程D₂→A₂中的耗功最小；最后，组分配比调节过程A₂→A₁，工质的组分配比由M2调节至M1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

既然实际循环必须依托工质而构建，就应该将工质和其他问题协同在一起考虑，无论是在解决热力学完善度偏小的问题上，还是在实际热力循环理论构建上，工质的基本热力学参数作为一个思考维度都应有所体现。本发明提出的一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法是在经典的二维热力循环分析图的基础上，增加表征工质基本热力学性能参数的维度，将实际热力循环构建问题从经典的二维平面问题，升维到三维空间问题，扬长避短完成多个热力过程的理想逼近，最终实现三维实际热力循环构建。吸热之后增加组分配比调节过程，非共沸工质组分配比调节到膨胀过程中的性能最佳组分，实现膨胀过程的输出功最大；膨胀过程之后，组分配比调节到放热过程下性能最佳的组分，实现放热过程的可用能损失最小；放热过程之后，组分配比调节到压缩过程中性能最佳的组分，实现压缩过程中的耗功最小；压缩过程之后，组分配比调节到吸热过程中性能最佳的组分，实现吸热过程中的不可逆损失最小。通过增加工质的自由度，可以实现循环中非共沸工质不同组分配比之间的切换，以达到各个热力过程的性能最佳，从而实现整体循环的理想逼近。

附图说明

图1是本发明基于非共沸工质的热力循环升维构建方法示意图；

图2是本发明实施例一自复叠有机朗肯循环系统示意图；

图3是本发明实施例一自复叠有机朗肯循环三维构建示意图；

图4是本发明实施例二喷射式冷电联供循环系统示意图；

图5是本发明实施例二喷射式冷电联供循环三维构建示意图；

图6是本发明实施例三气相膨胀双级压缩循环系统示意图；

图7是本发明实施例三气相膨胀双级压缩循环三维构建示意图。

图中：

1-蒸发器，11-第一蒸发器，12-第二蒸发器，2-气液分离器，3-膨胀机，31-第一膨胀机，32-第二膨胀机，4-内部换热器，5-冷凝器，51-第一冷凝器，52-第二冷凝器，6-储液罐，7-工质泵，8-喷射器，9-节流阀，10-主压缩机，11-辅助压缩机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法，是以理想卡诺循环为逼近目标，如图1所示，实际循环由非共沸工质完成，所述非共沸工质由两种组分构成，液相和气相中具有不同的组成成分，并且在一定压力下冷凝或蒸发时，冷凝温度和蒸发温度都要发生变化。实现循环中，将具有等温热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M1，将具有等熵热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M2；非共沸工质可实现上述两种组分配比的调节，组分配比为M1时，能实现热量传递过程的能量损失最小；组分配比为M2时，能实现膨胀及压缩过程的效率最高。

如图1所示，实际循环记为A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，其中，A₁→B₁过程为吸热过程，B₂→C₂过程为膨胀过程，C₁→D₁过程为放热过程，D₂→A₂过程为压缩过程，B₁→B₂过程、C₂→C₁过程、D₁→D₂过程和A₂→A₁过程均为组分配比调节过程，上述实际循环A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，在组分配比M1和M2之间跳跃完成，具体过程如下：

吸热过程A₁→B₁，工质的初始的组分配比为M1，通过具有组分配比M1的工质与热源的匹配，可以实现与热源的良好匹配，从而达到吸热过程中的不可逆损失达到最小及可用能损失最小；

组分配比调节过程B₁→B₂，工质的组分配比由M1调节到M2；

膨胀过程B₂→C₂，此过程中，工质的组分配比为M2，可以实现膨胀过程的等熵膨胀，提高膨胀过程的能量输出，达到输出功最大；

组分配比调节过程C₂→C₁，工质的组分配比由M2调节到M1；

放热过程C₁→D₁，此过程中，工质的组分配比为M1，通过具有组分配比M1的工质与冷源的匹配，可以实现与热源的良好匹配，从而达到在放热过程中的不可逆损失达到最小，即可用能损失最小；

组分配比调节过程D₁→D₂，工质的组分配比由M1调节到M2；

实现压缩过程D₂→A₂，此过程中，工质的组分配比为M2，可以实现压缩过程的等熵压缩，减少压缩过程的能量消耗；

组分配比调节过程A₂→A₁，工质的组分配比由M2调节至M1。

此空间热力循环在T-S图上的投影为理想卡诺循环A₀→B₀→C₀→D₀→A₀。

实施例一：自复叠有机朗肯循环构建

利用本发明基于非共沸工质的热力循环升维构建方法构建出如图2所示的自复叠有机朗肯循环，图3为其三维热力循环示意图。

如图2所示，自复叠有机朗肯循环主要包括以下部件：第一蒸发器11、第二蒸发器12、气液分离器2、第一膨胀机31、第二膨胀机32、内部换热器4、冷凝器5、储液罐6和工质泵7。第一蒸发器11的工质出口端接于所述气液分离器2的入口端，所述气液分离器2的气体出口端接于第二蒸发器12的工质入口端，第二蒸发器12的工质出口端接于第一膨胀机31的入口端，所述气液分离器2的液体出口端接于内部换热器4的加热流体入口段，第一膨胀机31的出口端接于所述内部换热器4的载热流体入口端，所述内部换热器4的加热流体出口端接于所述第二膨胀机32的入口端，所述内部换热器4的载热流体出口端和第二膨胀机32的出口端接于所述冷凝器5的工质入口端，所述冷凝器5的工质出口端接于所述储液罐6的入口端，所述储液罐6的出口端接于所述工质泵7的入口端，所述工质泵7的出口端接于所述第一蒸发器11的工质入口端，所述第一蒸发器11的载热流体入口端和所述第二蒸发器12的载热流体入口端分别通入热源Ⅰ和热源Ⅱ。

如图2和图3所示，储液罐6中的非共沸工质经工质泵7增压(图3中5→6)，进入第一蒸发器11，非共沸工质被加热到两相状态(图3中6→7所示)，然后进入所述气液分离器2，通过气液分离实现工质组分的调节，分离为组分配比为M1的饱和气相(图3中7→1所示)和组分配比为M2的饱和液相(图3中7→8所示)，其中组分配比为M1的工质具有该工况下最好的等温热力性能，组分配比为M2的工质具有该工况下最好的等熵热力性能，组分配比为M1的饱和气相工质进入到第二蒸发器12进一步加热为过热气(图3中1→1a所示)，然后进入第一膨胀机31膨胀做功(图3中1a→2所示)，第一膨胀机31出来的工质通入内部换热器4把组分配比为M2的饱和液加热为气态(图3中8→9所示)，然后组分配比为M2的气体进入第二膨胀机32膨胀做功(图3中9→9a所示)，内部换热器4出来的组分配比为M1的工质和第二膨胀机32出来的组分配比为M2的工质都进入冷凝器5(图3中9a→3，2→3所示)冷凝为液态(图3中3→5所示)，回到储液罐6，至此完成循环。

在相同的初始系统参数下，即热水进口温度为449.17K，热水质量流量为83kg/s，冷却空气温度为288.15K，膨胀机等熵效率设定为0.85，工质泵等熵效率设定为0.8，比较了自复叠有机朗肯循环和普通有机朗肯循环的性能，结果显示自复叠有机朗肯循环比普通有机朗肯循环热效率增加1.85％，可用能效率增加7.12％。

实施例二：喷射式冷电联供循环构建

利用本发明基于非共沸工质的热力循环升维构建方法构建出如图4所示的喷射式冷电联供循环，图5为其三维热力循环示意图。

如图4所示，喷射式冷电联供循环主要包括以下部件：第一蒸发器11、膨胀机3、喷射器8、第一冷凝器51、气液分离器2、第二冷凝器52、工质泵7、节流阀9、第二蒸发器12。所述第二冷凝器52的工质出口端接于所述工质泵7入口端，工质泵7出口端接于第一蒸发器11的工质入口端，第一蒸发器11的工质出口端接于所述膨胀机3的入口端，膨胀机3的出口端接于喷射器8的工作流体入口端，喷射器8的出口端接于第一冷凝器51的工质入口端，第一冷凝器51的工质出口端接于气液分离器2的入口端，气液分离器2的气相出口端接于第二冷凝器52的工质入口端，气液分离器2的液相出口端通过调节阀9后接于第二蒸发器12的工质入口端，第二蒸发器12的工质出口端接于喷射器8的引射流体入口端。第一蒸发器11和第二蒸发器12的热源入口端分别通入热源Ⅰ和热源Ⅱ；第一冷凝器51和第二冷凝器52的热源入口端分别通入冷源Ⅰ和冷源Ⅱ。

如图4和图5所示，第二冷凝器51中的非共沸工质组分配比为M1，其具有该工况下最好的等温热力性能，组分配比为M1的工质经工质泵进行增压然后进入第一蒸发器11(图5中7→1所示)，被热源Ⅰ加热为高温高压的过热气体然后进入膨胀机3膨胀做功(图5中1→2a→2→3所示)，膨胀机3出来的乏气作为喷射器8的工作流体进入喷射器8增速减压(图5中3→4所示)，与第二蒸发器12出来的工质进行混合(图5中10→4所示)然后进入第一冷凝器51被部分冷凝(图5中4→5b→5所示)，冷凝之后的两相工质进入气液分离器2，气液分离器2液相出口为组分配比为M2的非共沸工质，其具有该工况下最好的等熵热力性能，饱和液工质进入节流阀9降压为两相状态(图5中5→8→9所示)，然后进入第二蒸发器12吸收热量变为气相进入喷射器8的引射流体端(图5中9→10所示)；气液分离器2气相出口的组分配比为M1的饱和气工质进入第二冷凝器52被冷凝为液相(图5中5→6→7所示)，至此完成循环。

相较于传统的冷电联供循环，该新循环具有较大的效率提升。在相同的初始参数条件下，即热源温度为323.15K，热源质量流量为20kg/s，冷却水温度为285.15K，膨胀机等熵效率为80％，工质泵等熵效率为70％，该循环相比传统冷电联供循环热效率提高6.2％。

实施例三：气相膨胀双级压缩循环构建

利用本发明基于非共沸工质的热力循环升维构建方法构建出如图6所示的气相膨胀双级压缩循环，图7为其三维热力循环示意图。

如图6所示，气相膨胀双级压缩循环主要包括以下部件：冷凝器5、气液分离器2、节流阀9，蒸发器1，辅助压缩机11，膨胀机3，主压缩机10，所述膨胀机3为气相膨胀机，主压缩机10出口端接于所述冷凝器5的工质入口端，冷凝器5的工质出口端接于气液分离器2的入口端，气液分离器2的气体出口端接于气相膨胀机3的入口端，气液分离器2的液相出口端接于节流阀9入口端，节流阀9出口端接于蒸发器1的工质入口端，蒸发器1的工质出口端接于辅助压缩机11的入口端，辅助压缩机11的出口端和气相膨胀机3的出口端都接于主压缩机10的入口端。冷凝器5的冷却流体入口端和蒸发器1的载热流体入口端分别通入冷源和热源。膨胀机3和辅助压缩机11直接连接。

如图6和图7所示，主压缩机10排出的过热蒸汽进入冷凝器5(图7中3→4所示)，工质在冷凝器5中进行非完全冷凝，冷凝为气液两相状态(图7中4→5b→5所示)，经气液分离器2后，气相工质组分配比为M2，其具有该工况下最好的等熵热力性能，通入膨胀机3进行膨胀做功(图7中5→1→2所示)，输出的膨胀功直接驱动辅助压缩机11；与此同时，气液分离器2分离出来的液相工质组分配比为M1，其具有该工况下最好的等温热力性能，通过节流阀9降温降压后变为两相状态(图7中5→6→7所示)，然后进入蒸发器1吸热并在蒸发器1出口达到饱和气状态(图7中7→8所示)，之后饱和气进入辅助压缩机11被压缩为高压过热气(图7中8→8a所示)，膨胀机3出口的乏气与辅助压缩机11排气同时进入主压缩机10(图7中8a→3，2→3所示)，至此完成循环。

相比于传统单级循环和基于全流膨胀技术的循环，在相同的冷热源入口温度条件下，采用气相膨胀双级压缩循环可使循环COP有明显提高，当循环温升达到72.5℃时，制热COP可提高16.2％；同时主压缩机压比、膨胀容积比和排气温度均显著降低。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于非共沸工质的热力循环升维构建方法，是以理想卡诺循环为逼近目标，实际循环由非共沸工质完成，所述非共沸工质由两种组分构成；其特征在于，

在实际循环中，将具有等温热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M1，将具有等熵热力过程性能最好的两种组分之间的组分配比记为M2；实际循环记为A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，其中，A₁→B₁过程为吸热过程，B₂→C₂过程为膨胀过程，C₁→D₁过程为放热过程，D₂→A₂过程为压缩过程，B₁→B₂过程、C₂→C₁过程、D₁→D₂过程和A₂→A₁过程均为组分配比调节过程，上述实际循环A₁→B₁→B₂→C₂→C₁→D₁→D₂→A₂→A₁，在组分配比M1和M2之间跳跃完成，具体过程如下：

工质的初始的组分配比为M1，吸热过程A₁→B₁，通过具有组分配比M1的工质与热源的匹配，使工质吸热过程中的不可逆损失达到最小；组分配比调节过程B₁→B₂，工质的组分配比由M1调节到M2，从而实现膨胀过程B₂→C₂的输出功最大；组分配比调节过程C₂→C₁，工质的组分配比由M2调节到M1，放热过程C₁→D₁，通过具有组分配比M1的工质与冷源的匹配，使工质在放热过程中的不可逆损失达到最小；组分配比调节过程D₁→D₂，工质的组分配比由M1调节到M2实现压缩过程D₂→A₂中的耗功最小；最后，组分配比调节过程A₂→A₁，工质的组分配比由M2调节至M1。