CN108491579A - 一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，只需给定制冷、热泵、有机朗肯的工作条件(蒸发温度、冷凝温度)和混合工质组分，以性能系数COP或热效率η_t及制热量/制冷量或输出功等为多目标函数，将排气压力、压缩比、排气温度等确定为约束条件，即可获得工质的最佳配比及目标函数值。本发明提出的多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，适用于制冷、热泵及有机朗肯等多种热力循环的混合工质的筛选。并通过调用现有工质物性计算软件中的工质热物性，进行理论循环计算，节约了计算的时间，提高了计算结果的精确性。

Description

一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法

技术领域

本发明属于新型混合工质开发领域，特别涉及一种基于多目标优化，可便捷调用既有工质性质，并将其用于制冷、热泵及朗肯循环等热力循环的计算程序。

背景技术

随着世界各国对环境问题的日益关注，《蒙特利尔议定书》规定：于2013年将HCFC类物质的生产和消耗量冻结在2009和2010平均水平的基线之上，并在之后逐渐削减HCFC类物质的使用量。与此同时，为了应对日益严重的全球变暖现象，国际上开始对HFC类物质的使用也加以限制。因此，面对大量制冷剂即将被淘汰的现状，对制冷剂的替代研究愈来愈重要。为了获得性能优良且环保的替代工质，混合工质的研究逐渐成为全球替代工质的研究热点。

近几年来，我国的低温余热废热浪费极其严重，且这些余废热直接排入大气中，严重破坏了生态环境。同时，在工业生产中，大规模的工业过程又存在着对大量更高温度品质(集中在100℃以上)热量的需求。因此，面对能耗浪费严重、环境污染严峻、用户需求高的现象，余热废热利用技术不断发展。其中，研究最广的就是以有机朗肯循环为代表的动力循环及以高温热泵循环为代表的蒸汽压缩循环。有机朗肯循环将低品位的中、低温热能转换为高品位的电能，通过此技术可取得较高的能源效率。高温热泵技术可将废热提升到高温度区域(100℃以上)，将产生的高品质能再回用到系统中去，实现过程自身的能量回收和利用，在工业领域，具有广泛的应用前景。

而无论是有机朗肯循环还是制冷/热泵技术，工质的筛选在其应用中均最为重要，工质性质的好坏直接影响和决定系统的性能参数，如COP、制热量/制冷量或输出功等方面。

目前，针对以上热力循环工质的筛选，大多数研究仅是建立一对一的理论循环计算模型，通过重复计算循环性能参数来对某种热力循环工质进行初筛，再通过实验对工质进行最后的筛选。因工质的循环性能包括多方面，各性能之间也存在相互冲突的问题，往往某个循环性能的改善会导致其他循环性能的降低。因此工质筛选过程需不断进行重复计算，尤其对于混合工质来说，为获得最佳的工质配比往往需要综合衡量工质各热力循环性能，反复调整配比进行计算。由此，造成了巨大的计算工作量。

在热力循环理论计算过程中，需要获得工质焓、熵等热力学性质。传统获得工质性质的方法有查表法及公式法。查表法的优点在于可直接利用现有资源，但是工质种类较多，若均采用查表法，会造成计算过程复杂，工作量较大等问题，且现有图表资源有限，未必包括所有种类的工质。公式法是利用状态方程计算工质的热力学性质，其包含多种形式的状态方程，计算过程也可通过计算机来实现，但是状态方程适用范围的局限性，导致其只能计算固定类的工质，无法实现应用上的普适性。

此外，国内外存在诸多工质热物性计算可供使用。TDWX1.0为天津大学杨昭等人开发的制冷剂物性计算软件，它适合于38种纯工质、16种已被ASHRAE命名的混合工质和自定义混合工质的热物性计算。ASPEN PLUS是由麻省理工大学开发的过程流程模拟软件，其有庞大的基础物性数据库，包含5000个纯组分及5000多个二元混合物。AP1700物性网站，专注于工业领域基础数据物性参数精准计算与模型开发，其可与.NET,J2EE和COM的平台对接，可以被C++，C#，VB，JAVA，FORTRAN等语言调用，但使用时需交付一定的费用。REFPROP是由美国国家标准与技术研究所开发的国际权威制冷剂物性计算软件，其是冷媒性质函数库的标杆，是美国冷冻空调工程学会及国际制冷协会出版的冷媒物理性质表的数据来源，REFPROP软件也预留了多种编程软件的接口，使用者可通过编写接入代码，直接对工质物性进行调用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，克服现有技术中热力循环工质的筛选仅是建立一对一的理论循环计算模型，工质筛选过程需不断进行重复计算，计算工作量巨大的问题。

本发明的技术方案是：一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，包括如下步骤：(1)建立工质循环流程模型；工质的热力循环流程模型，是工质理论循环计算的基础，不同循环流程，对应着不同的计算结果。制冷及热泵循环为蒸汽压缩式循环，如图1。有机朗肯循环为动力循环，其循环流程如图2。两者均经历4个阶段，循环过程需考虑过冷度、过热度及等熵效率等问题。

(2)计算热力循环的热力过程参数及性能指标；

(3)基于现有工质物性计算软件的预留接口，直接调用工质物性进行理论循环计算；

(4)建立目标函数及约束条件的函数关系式；

(5)最优解求解过程；通过计算程序自动对各配比下混合工质的循环进行依次计算并对比结果，最终可获得给定工况条件及混合工质成分下的最佳工质配比及各目标函数值。

所述步骤(1)在热泵理论循环计算过程中需进行如下假设：

a.忽略系统与环境之间的散热损失；

b.节流过程视为等焓过程，即h₃＝h₄；

c在蒸发器及冷凝器内发生的蒸发过程及冷凝过程均视为等压过程；

d.考虑到非共沸混合工质存在温度滑移，计算时，混合工质的蒸发温度和冷凝温度分别为蒸发压力和冷凝压力下泡点温度和露点温度的平均值。

所述步骤(2)是以各状态点的热力学性质来表达热力循环过程，实现定性分析到定量计算的转换；无论是制冷\热泵循环还是有机朗肯循环，其所经历的过程均为状态函数，即只考虑初终状态，不考虑中间变化的过程；因此，热力循环各过程参数均可表达为各过程初终状态点热力学性质的关系式，热力循环性能参数则可表达为含多个过程参数的关系式。热泵理论循环中多个过程参数的关系式为：

吸热过程中单位质量吸热量：q₀＝h₁-h₄kJ/kg (1)

放热过程中单位质量制热量：q_k＝h₂-h₃kJ/kg (2)

单位容积制热量：q_v＝(h₂-h₃)/v₂kJ/m³ (3)

压缩过程中考虑等熵效率压缩机出口处焓：

单位容积功：w_v＝(h₂-h₁)/v₁kJ/m³ (5)

压缩比：ε＝P₂/P₁ (6)

排气温度：T₂ (7)

节流过程中h3＝h4(8)

理论循环性能参数：COP＝q_V/w_v＝(h₂-h₃)/(h₂-h₁)kJ/kg (9)

式中h1、h2、h2s、h3及h4分别为图1中1、2、2s、3及4点的焓值，kJ/kg；v₁为压缩机的吸气比容，m3/kg；v₂为压缩机的排气比容，m3/kg；η_s为等熵效率；P₁和P₂分别为蒸发压力及冷凝压力，MPa。

所述步骤(3)计算过程中需要的各状态点的热力学性质，主要为混合工质配比(x1/x2/…)的函数，即：

h＝H(x1，x2，…) (10)

T＝T(x1，x2，…) (11)

P＝P(x1，x2，…) (12)

ν＝ν(x1，x2，…) (13)

……

此技术中，计算用到的各状态点的热力学性质，可直接调用现有工质物性计算软件中混合工质的性质。

所述步骤(4)目标函数OF的关系式为：

设定约束条件C的关系式为：

约束条件为设备运行中需考虑的极限因素。

本发明的有益效果为：通过本发明方法，只需给定制冷、热泵、有机朗肯的工作条件(蒸发温度、冷凝温度)和混合工质组分，以性能系数COP或热效率η_t及制热量/制冷量或输出功等为多目标函数，将排气压力、压缩比、排气温度等确定为约束条件，即可获得工质的最佳配比及目标函数值。同时，由于有机朗肯循环和制冷/热泵循环，其系统形式及循环过程具有相通性。对于这些热力循环中的工质筛选问题，完全可以统一方法，共同推进。因此，本发明对制冷、热泵及有机朗肯循环的工质筛选，建立了统一的筛选模式，仅需改变目标函数及约束条件，就可获得任意一种的最佳混合工质及目标数值。且为更加快速便捷地获得循环计算结果，本发明基于工质物性计算软件的预留接口，如AP1700或REFPROP，直接调用现有软件中工质的物性参数进行循环计算。

本发明提出的多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，适用于制冷、热泵及有机朗肯等多种热力循环的混合工质的筛选。该方法可通过一个程序分别获得上述三种循环相对应的最佳混合工质，适用于多领域替代制冷剂的研究及新混合工质的开发。此外，本专利利用现有工质热物性计算软件的预留接口，直接调用工质物性参数进行循环计算，大大缩短了工质筛选过程所需的时间，避免了人为设定配比步长造成的误差，提高了工质筛选的效率。

附图说明

图1工质的循环流程模型——制冷/热泵循环图；

图2工质的循环流程模型——有机朗肯循环图；

图3混合工质筛选程序的操作界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明技术方案中，采用了多目标函数优化计算方法。工质的循环性能包括多方面，各性能之间也存在相互影响的问题，往往某个性能的提高会导致其他性能的降低。因此对于工质的多目标最优化筛选就是对多个循环性能同时实施最优化。

多目标优化算法包括三因素：N个决策变量、M个目标函数和K个约束条件。可将热力循环的工况(蒸发温度、冷凝温度)、混合工质的成分及工质配比的精度设定为决策变量。制冷\热泵循环中，将制冷量\制热量和COP设定为目标函数；将排气压力、排气温度及压缩比设定为约束条件。有机朗肯循环中，将输出功及η_t设定为目标函数；冷凝压力及膨胀比等设定为约束条件。

在此，举例介绍利用本发明研究高温热泵的二元混合工质。根据环境特性及热物性质初步筛选出HFC245fa及HFC365mfc这两种工质，其基本热物性及环境特性见表1。应用本发明计算以上混合工质在不同配比下的热泵循环特性。设定高温热泵工况为：蒸发温度80℃；冷凝温度140℃。设定工质配比精确到小数点后两位(0.01)。

表1热泵工质基本物性表

高温热泵的循环流程如图1所示：1→2^S为等熵压缩过程。但实际运行中，工质在压缩机进气口处常伴有摩擦和压降现象，压缩机的容积效率会降低，因此实际压缩过程应为1→2，在此，考虑采用涡旋压缩机，其等熵效率为0.85。2→3为工质在冷凝器中的等压放热过程。为提高制热效果，工质在冷凝器出口膨胀阀进口处取5℃的过冷度。3→4为绝热节流过程。4→1为工质在蒸发器内等压蒸发吸热过程。在制冷/热泵运行中，为避免压缩机回气滞液，出现液击现象，压缩机进口处的工质一般需要有一定的过热度。由于本例中冷凝温度为140℃，温度较高，为避免压缩机出现湿压缩，设定过热度为8℃。此外，对本例中的流程模型还进行了如下假设：

a.忽略系统与环境之间的散热损失；

b.节流过程视为等焓过程；

c在蒸发器及冷凝器内发生的蒸发过程及冷凝过程均视为等压过程；

d.考虑到非共沸混合工质存在温度滑移，计算时，混合工质的蒸发温度和冷凝温度分别为蒸发压力和冷凝压力下泡点温度和露点温度的平均值。

根据式(1)～(9)，计算高温热泵循环的热力过程参数及性能指标：

吸热过程中单位质量吸热量：q₀＝h₁-h₄kJ/kg (1)

放热过程中单位质量制热量：q_k＝h₂-h₃kJ/kg (2)

单位容积制热量：q_v＝(h₂-h₃)/v₂kJ/m³ (3)

压缩过程中考虑等熵效率压缩机出口处焓：

单位容积功：w_v＝(h₂-h₁)/v₁kJ/m³ (5)

压缩比：ε＝P₂/P₁ (6)

排气温度：T₂ (7)

节流过程中h₃＝h₄(8)

理论循环性能参数：COP＝q_V/w_v＝(h₂-h₃)/(h₂-h₁)kJ/kg (9)

式中h₁、h₂、h₂ ^s、h₃及h₄分别为图一中1、2、2^s、3及4点的焓值，kJ/kg；v₁为压缩机的吸气比容，m³/kg；v₂为压缩机的排气比容，m³/kg；η_s为等熵效率；P₁和P₂分别为蒸发压力及冷凝压力，MPa。

计算过程中需要的各状态点的热力学性质，主要为二元混合工质配比(x1/x2)的函数，即：

x1+x2＝1 (16)

h＝H(x1) (17)

T＝T(x1) (18)

P＝P(x1) (19)

ν＝ν(x1) (20)

本例中，计算用到的各状态点的热力学性质，主要根据二元混合工质的成分及配比，直接调用REFPROP软件中混合工质的性质。

建立目标函数及约束条件的函数关系式。高温热泵的目标函数为COP及单位容积制热量q_v，其关系式如下：

考虑到设备运行中需考虑的压力、温度及压缩比的极限值，约束条件冷凝压力、排气温度及压缩比的关系式如式(20)：

根据程序计算结果显示，在以上约束条件下，当HFC365mfc的质量分数为0.21时，其COP及单位容积制热量最大，分别为3.77和16666.8kJ/m³。因此，确定此高温热泵工况下，二元混合工质HFC365mfc/HFC245fa的最佳配比为：0.21：0.79。

此外，通过设定计算程序的精确度，可将工质配比更加细化。通过此发明，为今后高温热泵二元混合工质的实验研究，提供了一定的指导方向。

图3为混合工质筛选程序的操作界面图，指定混合工质成分，输入工作条件及约束条件，再规定混合工质配比的精度。点击计算按钮，即可分别获得制冷、热泵、有机朗肯循环对应的最佳混合工质配比及最优目标性能。

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，并不是限制性的，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立工质循环流程模型；

(2)计算热力循环的热力过程参数及性能指标；

(3)基于现有工质物性计算软件的预留接口，直接调用工质物性进行理论循环计算；

(4)建立目标函数及约束条件的函数关系式；

(5)最优解求解过程；通过计算程序自动对各配比下混合工质的循环进行依次计算并对比结果，最终可获得给定工况条件及混合工质成分下的最佳工质配比及各目标函数值。

2.根据权利要求1所述多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，所述步骤(1)在热泵理论循环计算过程中需进行如下假设：

a.忽略系统与环境之间的散热损失；

b.节流过程视为等焓过程，即h₃＝h₄；

c在蒸发器及冷凝器内发生的蒸发过程及冷凝过程均视为等压过程；

d.考虑到非共沸混合工质存在温度滑移，计算时，混合工质的蒸发温度和冷凝温度分别为蒸发压力和冷凝压力下泡点温度和露点温度的平均值。

3.根据权利要求1所述多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，所述步骤(2)是以各状态点的热力学性质来表达热力循环过程，实现定性分析到定量计算的转换；无论是制冷\热泵循环还是有机朗肯循环，其所经历的过程均为状态函数，即只考虑初终状态，不考虑中间变化的过程；因此，热力循环各过程参数均可表达为各过程初终状态点热力学性质的关系式，热力循环性能参数则可表达为含多个过程参数的关系式。

4.根据权利要求3所述多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，其在热泵循环中的多个过程参数关系式为：

吸热过程中单位质量吸热量：q₀＝h₁-h₄kJ/kg (1)

放热过程中单位质量制热量：q_k＝h₂-h₃kJ/kg (2)

单位容积制热量：q_v＝(h₂-h₃)/v₂kJ/m³ (3)

压缩过程中考虑等熵效率压缩机出口处焓：

单位容积功：w_v＝(h₂-h₁)/v₁kJ/m³ (5)

压缩比：ε＝P₂/P₁ (6)

排气温度：T₂ (7)

节流过程中h3＝h4 (8)

理论循环性能参数：COP＝q_V/w_v＝(h₂-h₃)/(h₂-h₁)kJ/kg (9)

式中h1、h2、h2s、h3及h4分别为图1中1、2、2s、3及4点的焓值，kJ/kg；v₁为压缩机的吸气比容，m3/kg；v₂为压缩机的排气比容，m3/kg；η_s为等熵效率；P₁和P₂分别为蒸发压力及冷凝压力，MPa。

5.根据权利要求1所述多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，所述步骤(3)计算过程中需要的各状态点的热力学性质，主要为混合工质配比(x1/x2/…)的函数，即：

h＝H(x1，x2，…) (10)

T＝T(x1，x2，…) (11)

P＝P(x1，x2，…) (12)

ν＝ν(x1，x2，…) (13)

……

此技术中，计算用到的各状态点的热力学性质，可直接调用现有工质物性计算软件中混合工质的性质。

6.根据权利要求1所述多目标循环性能优化筛选混合工质的方法，其特征在于，所述步骤(4)目标函数OF关系式为：

设定约束条件C的关系式为：

约束条件为设备运行中需考虑的极限因素。