一种基于跨季节有机朗肯循环系统中管壳式冷凝器冷源温度的数值方法

：
1.本发明涉及管壳式冷凝器传热性能技术领域，具体涉及确定跨季节有机朗肯循环系统运行过程中管壳式冷凝器冷源温度的数值计算方法。


背景技术：

2.目前针对跨季节有机朗肯循环中冷却系统冷源温度的计算方法通常采用logistic模型，即t
water
＝0.813t
environment
+3.316。而在实际的传热过程中，有机朗肯循环冷却系统的冷源温度与干球温度、湿球温度、相对湿度、大气压力以及冷却塔的冷却能力等因素密切相关。显然，仅仅通过logistic模型公式计算得到的有机朗肯循环冷源温度是不合理的。一般来说，有机朗肯循环的基本流程如下：储液罐内工质经工质泵加压后流经流量计送入蒸发器的管程，工质在蒸发器内吸收导热油放出的热量后变成高温高压蒸气，随后，工质蒸气被送入单螺杆膨胀机，推动膨胀机旋转，当工质从膨胀机排出后，变成温度和压力均已降低的乏气，乏气进入油分离器后，压力略微降低，然后进入冷凝器冷凝，从冷凝器出来的工质由储液罐收集，并由工质泵重新循环。


技术实现要素：

3.发明目的：针对目前存在的问题，本发明提出了一种基于matlab以及meteonorm气象软件同时调用refprop9.1数据库，将冷却塔模型与跨季节有机朗肯循环系统进行耦合计算，建立了一种更符合、更贴近有机朗肯循环实际运行过程中冷源温度的计算方法。
4.技术方案：一种基于跨季节有机朗肯循环系统中管壳式冷凝器冷源温度的数值方法，包括以下步骤：
5.第一步：通过meteonorm气象软件，获取当地干球温度t
g
、湿球温度t
s
、相对湿度φ、以及大气压力p
a
6.第二步：选取冷却塔的型号，根据如下公式计算冷却塔的特性数
7.ω'＝bλ
1m
ꢀꢀ
(1)
8.式中ω
′
为冷却塔的特性数，b、m与冷却塔的填料类型有关，λ1为冷却塔的气水比
9.第三步：设定工质蒸发温度t
eva
、工质质量流量q
m
、冷源流量q
v
、管壳式冷凝器换热面积a，在第一次迭代过程中t2＝t
s
(t2为冷却塔的出塔水温，后续迭代过程t2将发生变化)
10.第四步：设定第一次迭代过程中冷凝温度t
k
的下限t
k1
＝t
s
，t
k2
＝t
eva
，中间冷凝温度t
km
＝(t
k1
+t
k2
)/2，(后续迭代过程t
k1
、t
k2
将发生变化)
11.第五步：计算管壳式冷凝器的放热量：
[0012][0013]
式中h2、h3为冷凝器工质侧的进口及出口焓值，单位为kj
·
kg
‑1，通过t
km
调用refprop9.1即可查询。
[0014]
第六步：计算管壳式冷凝器冷却水出口温度
[0015][0016]
在不考虑散热损失的前提下，t
w1
＝t2,t
w2
＝t1(t
w1
为冷凝器的进口水温、t
w2
为冷凝器的出口水温、t1为冷却塔的进塔水温、t2为冷却塔的出塔水温)式中ρ1、c
p
为冷却水的密度kg
·
m
‑3和比热容kj
·
(kg
·
k)
‑1，
[0017]
第七步：计算管壳式冷凝器水侧传热系数：
[0018][0019][0020][0021]
式中d
i
为管壳式冷凝器换热管内径，单位为m
[0022]
第八步：计算管壳式冷凝器工质侧传热系数：
[0023][0024][0025]
式中，r为工质的汽化潜热，kj
·
kg
‑1，ρ2为工质的密度，kg
·
m
‑
3，λ2为工质导热系数，w
·
(m
·
k)
‑1，η为工质动力粘度，pa
·
s，r
壳程
为管壳式冷凝器的壳程热阻，r
管程
为管程热阻。d
o
为管壳式冷凝器换热管外径，单位为m，d
i
为管壳式冷凝器换热管内径，单位为m，λ3为冷凝器换热管的导热系数w
·
(m
·
k)
‑1，而且假设第一次迭代过程中，t
km
‑
t
wp
＝10℃(t
wp
为假设的冷凝器换热管外壁温度)，通过公式(7)即可计算出h
工质
，将计算的h
工质
带入公式(8)，即可计算t
w
，如果|t
w
‑
t
wp
|<0.01℃，则进行第九步，否则令t
wp
＝t
w
，重复进行第八步，直至满足|t
w
‑
t
wp
|<0.01℃为止。通过第八步可以计算出t
w
(冷凝器换热管外壁的真实温度)、h
工质
[0026]
第九步：计算管壳式冷凝器中的对数平均温差
[0027][0028]
第十步：计算管壳式冷凝器综合传热系数
[0029][0030]
式中r
壳程
为管壳式冷凝器的壳程热阻，r
管程
为管程热阻，η0为肋效率，d
o
为管壳式冷凝器换热管外径，单位为m
[0031]
第十一步：计算管壳式冷凝器的传热量
[0032][0033]
第十二步：将第五步计算得到的管壳式冷凝器放热量p
condenser
与第十一步计算得到的管壳式冷凝器传热量p进行比较，如果p
condenser
>p，则t
k2
＝t
km
，否则t
k1
＝t
km
，如果满足|t
k1
‑
t
k2
|<0.01℃，则进行第十三步，否则回到第四步重新计算。
[0034]
第十三步：计算冷却塔的冷却数
[0035][0036]
δt＝t1‑
t2，且当δt<15℃时，可以简化为下式：
[0037][0038]
其中相关的参数可通过下式进行计算：
[0039]
p
tg
＝98.065*10
(0.0141966
‑
3.142305*(1000/tg
‑
1000/373.15)
+8.2*log
10(373.15/tg)
‑
0.0024804*(373.15
‑
tg))
ꢀꢀ
(14)
[0040][0041][0042][0043][0044]
i
1”＝1.005*(t1‑
273.15)+(2500+1.842*(t1‑
273.15))*0.622*p
t1
/(p
a
‑
p
t1
)
ꢀꢀ
(19)
[0045][0046][0047][0048]
k的经验公式为：
[0049][0050]
如果输出最终结果t1、t2，否则令t2＝t2+0.0001，重新进行第三步。
[0051]
式中ω为逆流冷却塔的冷却数，k为蒸发水量带走的热量系数，c
w
为冷却水的比热，单位为kj
·
(kg
·
℃)
‑1，p
t1
、p
t2
为温度为t1、t2的湿空气对应的饱和蒸汽压力，i
1”、i
m”、i
2”分别表示温度为出塔水温t2、平均水温t
m
、进塔水温t1时的饱和空气焓，i1、i
m
、i2分别表示进塔空气、平均状态空气及出塔空气的比焓。
[0052]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0053]
本发明最主要的目的便是可以准确模拟冷却系统对跨季节有机朗肯循环系统的影响，通过调节有机工质的蒸发温度、质量流量、冷源流量以及管壳式冷凝器传热面积等相关参数，运用数值模拟的方法，得到最符合实际有机朗肯循环运行工况的结果，将环境因素、冷却塔等与有机朗肯循环进行了耦合。本发明中使用的方法可以极大的贴近实际运行状态，构建了有机朗肯循环数值模拟与实验验证之间精度较好的匹配关系。
附图说明：
[0054]
图1为本发明有机朗肯循环系统与冷却塔模型耦合计算流程图
[0055]
图2为跨季节不同冷源流量下各工况管壳式冷凝器进口水温t
w1
(即为冷却塔的出塔水温t2)、管壳式冷凝器出口水温图t
w2
(即为冷却塔的进塔水温t1)
具体实施方式：
[0056]
下面结合实施例以及附图对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于以下的实施例。
[0057]
本发明根据上述建立的理论计算模型，基于matlab以及meteonorm气象软件同时调用refprop9.1数据库，编写相关计算程序，将冷却塔模型与有机朗肯循环系统进行耦合计算。如附图1所示，一种基于有机朗肯循环系统中管壳式冷凝器冷源温度的数值方法，包括下述步骤：
[0058]
通过meteonorm气象软件，获取北京2020年3月份、6月份、9月份、12月份的干球温度t
g
、湿球温度t
s
、相对湿度φ、以及大气压力p
a
[0059]
选取冷却塔的型号，根据如下公式计算冷却塔的特性数
[0060]
ω'＝bλ
1m
ꢀꢀ
(1)
[0061]
式中ω
′
为冷却塔的特性数，b、m与冷却塔的填料类型有关，λ1为冷却塔的气水比，通过查阅冷却塔相关手册，本次实施例中b＝1.57、m＝0.57，λ1＝1。
[0062]
设定工质为r123，t
eva
＝111.15℃、q
m
＝1500kg
·
h
‑1、q
v
＝4m3·
h
‑1～20m3·
h
‑1、a＝57m2[0063]
计算管壳式冷凝器的放热量：
[0064][0065]
式中h2、h3为冷凝器工质侧的进口及出口焓值，单位为kj
·
kg
‑1，通过t
km
调用refprop9.1即可查询。
[0066]
计算管壳式冷凝器冷却水出口温度
[0067][0068]
在不考虑散热损失的前提下，t
w1
＝t2,t
w2
＝t1(t
w1
为冷凝器的进口水温、t
w2
为冷凝器的出口水温、t1为冷却塔的进塔水温、t2为冷却塔的出塔水温)式中ρ1、c
p
为冷却水的密度kg
·
m
‑3和比热容kj
·
(kg
·
k)
‑1[0069]
计算管壳式冷凝器水侧传热系数：
[0070][0071][0072][0073]
式中d
i
为管壳式冷凝器换热管内径，d
i
＝0.0168m，单位为m
[0074]
计算管壳式冷凝器工质侧传热系数h
工质
以及冷凝器管热管外壁温度t
w
：
[0075][0076][0077]
式中r
壳程
＝0.14
×
10
‑3，r
管程
＝0.18
×
10
‑3，d
o
＝0.019m。
[0078]
计算管壳式冷凝器中的对数平均温差
[0079][0080]
计算管壳式冷凝器综合传热系数
[0081][0082]
式中r
壳程
＝0.14
×
10
‑3，r
管程
＝0.18
×
10
‑3，η0＝85％，d
o
＝0.019m。
[0083]
计算管壳式冷凝器的传热量
[0084][0085]
将计算得到的管壳式冷凝器放热量p
condenser
与管壳式冷凝器传热量p进行比较，如果p
condenser
>p，则t
k2
＝t
km
，否则t
k1
＝t
km
[0086]
计算冷却塔的冷却数
[0087][0088]
δt＝t1‑
t2，且当δt<15℃时，可以简化为下式：
[0089][0090]
其中相关的参数可通过下式进行计算：
[0091]
p
tg
＝98.065*10
(0.0141966
‑
3.142305*(1000/tg
‑
1000/373.15)
+8.2*log
10(373.15/tg)
‑
0.0024804*(373.15
‑
tg))
ꢀꢀ
(14)
[0092][0093][0094][0095][0096]
i
1”＝1.005*(t1‑
273.15)+(2500+1.842*(t1‑
273.15))*0.622*p
t1
/(p
a
‑
p
t1
)
ꢀꢀꢀ
(19)
[0097][0098][0099][0100]
k的经验公式为：
[0101][0102]
如果输出最终结果t1、t2，否则令t2＝t2+0.0001，直至满足条件为止
[0103]
式中ω为逆流冷却塔的冷却数，k为蒸发水量带走的热量系数，c
w
为冷却水的比热，单位为kj
·
(kg
·
℃)
‑1，p
t1
、p
t2
为温度为t1、t2的湿空气对应的饱和蒸汽压力，i
1”、i
m”、i
2”分别表示温度为出塔水温t2、平均水温t
m
、进塔水温t1时的饱和空气焓，i
1 i
m i2分别表示进塔空气、平均状态空气及出塔空气的比焓。
[0104]
通过上述流程图的计算，可以准确求解出跨季节有机朗肯循环系统运行工况下，不同冷源流量情况下冷源温度的变化情况，如附图2所示。
[0105]
综上所述，本发明通过耦合冷却塔模型和跨季节有机朗肯循环系统，基于matlab以及meteonorm气象软件同时调用refprop9.1数据库的数值计算方法，建立了一种更符合、更贴近有机朗肯循环实际运行过程中冷源温度的计算方法。