化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (S1): 512-519.DOI: 10.11949/0438-1157.20201516
收稿日期:
2020-10-29
修回日期:
2021-01-22
出版日期:
2021-06-20
发布日期:
2021-06-20
通讯作者:
罗向龙
作者简介:
卢沛(1996—),男,硕士研究生,基金资助:
LU Pei(),LUO Xianglong(),CHEN Jianyong,YANG Zhi,LIANG Yingzong,CHEN Ying
Received:
2020-10-29
Revised:
2021-01-22
Online:
2021-06-20
Published:
2021-06-20
Contact:
LUO Xianglong
摘要:
针对不同换热设备组合之间以及换热设备在系统中的分布情况进行了研究,建立了高级分析模型,将换热设备与系统的损进一步分割成不可避免性部分和可避免性部分,计算相应的损失和效率,确定换热设备与系统中能量损失的主要部位,并在有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统试验台中进行验证,为换热设备及其热力系统的运行优化提供科学依据。结果表明,不同的换热面积对换热设备的能效有着非常大的影响,同时常规分析和高级分析提出了不同的系统优化次序。高级分析表明,蒸发器可避免损占蒸发器损的41.2%~60.0%,冷凝器可避免损占冷凝器总损最高可达91%~97%,整个ORC系统有52.5%~66.3%的损可以避免,有很大的改造潜力,且发现不合理设计的管道也会影响ORC系统性能。
中图分类号:
卢沛, 罗向龙, 陈健勇, 杨智, 梁颖宗, 陈颖. 板式换热器及其热力系统的运行特性和高级分析[J]. 化工学报, 2021, 72(S1): 512-519.
LU Pei, LUO Xianglong, CHEN Jianyong, YANG Zhi, LIANG Yingzong, CHEN Ying. Operating characteristics and advanced exergy analysis of plate heat exchangers and their thermal system[J]. CIESC Journal, 2021, 72(S1): 512-519.
参数 | 型号 | 范围 | 误差 |
---|---|---|---|
T | Pt-100(INOR-66RKS) | -200~800℃ | ±0.1℃ |
p | 压力传感器(PTX5072) | 0~3.5 MPa, 0~5 MPa | ±0.2% |
mr | Coriolis流量计(OPTIMASS 1330C) | 0~400 kg/h | ±1.0% |
mv,h | 转子流量计(H250-RR-M40) | 0.400~4 m3/h | ±1.0% |
mv,c | 电磁流量计(AXF025G) | >0.060 m3/h | ±0.2% |
Wexp | 测功仪(DW300KC) | — | ±0.8% |
Wpum | 功率监视器(8967B) | — | ±1.0% |
Qeva | Qeva=f(h1, h6, mr) | — | ±1.3% |
Wnet | Wnet=f(Wexp, Wpum) | — | ±1.0% |
ηth | ηth=f(Qeva, Wexp, Wpum) | — | ±2.2% |
表1 试验测试台的测量量、计算量以及不确定度
Table 1 Details of measured quantities, calculated quantities and their uncertainties in test rig
参数 | 型号 | 范围 | 误差 |
---|---|---|---|
T | Pt-100(INOR-66RKS) | -200~800℃ | ±0.1℃ |
p | 压力传感器(PTX5072) | 0~3.5 MPa, 0~5 MPa | ±0.2% |
mr | Coriolis流量计(OPTIMASS 1330C) | 0~400 kg/h | ±1.0% |
mv,h | 转子流量计(H250-RR-M40) | 0.400~4 m3/h | ±1.0% |
mv,c | 电磁流量计(AXF025G) | >0.060 m3/h | ±0.2% |
Wexp | 测功仪(DW300KC) | — | ±0.8% |
Wpum | 功率监视器(8967B) | — | ±1.0% |
Qeva | Qeva=f(h1, h6, mr) | — | ±1.3% |
Wnet | Wnet=f(Wexp, Wpum) | — | ±1.0% |
ηth | ηth=f(Qeva, Wexp, Wpum) | — | ±2.2% |
系统部件 | 参数 | 实际循环 | 不可避免损循环 |
---|---|---|---|
工质泵pum | ηpum | — | 0.95 |
管路p-e | ?pp-e | 0.006 MPa | 0.001 MPa |
蒸发器eva | ?Teva | 1.416℃ | 0.5℃ |
管路e-e | ?pe-e | 0.062 MPa | 0.001 MPa |
膨胀机exp | ηexp | 0.63 | 0.95 |
管路e-c | ?pe-c | 0.182 MPa | 0.001 MPa |
冷凝器con | ?Tcon | 0.745℃ | 0.5℃ |
管路c-p | ?pc-p | 0.014 MPa | 0.001 MPa |
表2 分析中的实际循环和不可避免循环
Table 2 Real and unavoidable cycles in exergy analysis
系统部件 | 参数 | 实际循环 | 不可避免损循环 |
---|---|---|---|
工质泵pum | ηpum | — | 0.95 |
管路p-e | ?pp-e | 0.006 MPa | 0.001 MPa |
蒸发器eva | ?Teva | 1.416℃ | 0.5℃ |
管路e-e | ?pe-e | 0.062 MPa | 0.001 MPa |
膨胀机exp | ηexp | 0.63 | 0.95 |
管路e-c | ?pe-c | 0.182 MPa | 0.001 MPa |
冷凝器con | ?Tcon | 0.745℃ | 0.5℃ |
管路c-p | ?pc-p | 0.014 MPa | 0.001 MPa |
换热器组合 | 蒸发器 | 冷凝器 | ||
---|---|---|---|---|
εk/% | ?D | εk/% | ?D | |
蒸发器1-冷凝器1 | 66.78 | 3.177 | 39.33 | 1.264 |
蒸发器1-冷凝器2 | 67.24 | 3.083 | 38.17 | 1.224 |
蒸发器1-冷凝器3 | 66.37 | 3.188 | 36.76 | 1.258 |
蒸发器2-冷凝器1 | 66.37 | 3.292 | 38.02 | 1.290 |
蒸发器2-冷凝器2 | 66.03 | 3.276 | 36.90 | 1.257 |
蒸发器2-冷凝器3 | 67.55 | 3.135 | 35.71 | 1.304 |
表3 热源130℃-冷源20℃的运行工况下不同换热器组合的分析
Table 3 Exergy analysis of different heat exchanger combinations under operating condition when heat source and heat sink are 130℃ and 20℃ respectively
换热器组合 | 蒸发器 | 冷凝器 | ||
---|---|---|---|---|
εk/% | ?D | εk/% | ?D | |
蒸发器1-冷凝器1 | 66.78 | 3.177 | 39.33 | 1.264 |
蒸发器1-冷凝器2 | 67.24 | 3.083 | 38.17 | 1.224 |
蒸发器1-冷凝器3 | 66.37 | 3.188 | 36.76 | 1.258 |
蒸发器2-冷凝器1 | 66.37 | 3.292 | 38.02 | 1.290 |
蒸发器2-冷凝器2 | 66.03 | 3.276 | 36.90 | 1.257 |
蒸发器2-冷凝器3 | 67.55 | 3.135 | 35.71 | 1.304 |
参数 | 工况变化 |
---|---|
有机工质 | R245fa |
热源进口温度/℃ | 120,130,140 |
冷源进口温度/℃ | 15,20,25 |
热源流量/(L/h) | 1800 |
冷源流量/(L/h) | 1350 |
膨胀机转速/(r/min) | 1500 |
工质流量/(kg/s) | 0.14 |
表4 ORC系统的运行工况
Table 4 Working condition of ORC system
参数 | 工况变化 |
---|---|
有机工质 | R245fa |
热源进口温度/℃ | 120,130,140 |
冷源进口温度/℃ | 15,20,25 |
热源流量/(L/h) | 1800 |
冷源流量/(L/h) | 1350 |
膨胀机转速/(r/min) | 1500 |
工质流量/(kg/s) | 0.14 |
工况组别 | 冷源进口温度/℃ | 热源进口温度/℃ |
---|---|---|
1 | 15 | 120 |
2 | 25 | 120 |
3 | 20 | 130 |
4 | 15 | 140 |
5 | 25 | 140 |
表5 ORC系统的试验工况组别
Table 5 Experimental operating condition group of ORC system
工况组别 | 冷源进口温度/℃ | 热源进口温度/℃ |
---|---|---|
1 | 15 | 120 |
2 | 25 | 120 |
3 | 20 | 130 |
4 | 15 | 140 |
5 | 25 | 140 |
工况组别 | 部件 | 效率/ % | 损/ kW | ηth/% | 系统 效率/% | |
---|---|---|---|---|---|---|
实际 | 不可避免 | |||||
1 | 蒸发器 | 63.99 | 3.029 | 4.43 | 12.65 | 19.22 |
冷凝器 | 5.37 | 1.186 | ||||
工质泵 | 20.78 | 0.371 | ||||
膨胀机 | 65.59 | 0.896 | ||||
2 | 蒸发器 | 67.95 | 2.614 | 4.55 | 11.20 | 19.15 |
冷凝器 | 55.95 | 0.850 | ||||
工质泵 | 20.17 | 0.378 | ||||
膨胀机 | 65.82 | 0.858 | ||||
3 | 蒸发器 | 66.03 | 3.276 | 4.54 | 13.02 | 18.60 |
冷凝器 | 36.90 | 1.257 | ||||
工质泵 | 22.62 | 0.376 | ||||
膨胀机 | 65.60 | 0.988 | ||||
4 | 蒸发器 | 62.94 | 4.143 | 4.54 | 14.87 | 17.97 |
冷凝器 | 14.22 | 1.710 | ||||
工质泵 | 23.47 | 0.377 | ||||
膨胀机 | 67.16 | 1.026 | ||||
5 | 蒸发器 | 65.24 | 3.696 | 4.77 | 13.24 | 17.77 |
冷凝器 | 53.06 | 1.274 | ||||
工质泵 | 22.15 | 0.388 | ||||
膨胀机 | 68.51 | 0.909 |
表6 常规分析结果
Table 6 Results of traditional exergy analysis
工况组别 | 部件 | 效率/ % | 损/ kW | ηth/% | 系统 效率/% | |
---|---|---|---|---|---|---|
实际 | 不可避免 | |||||
1 | 蒸发器 | 63.99 | 3.029 | 4.43 | 12.65 | 19.22 |
冷凝器 | 5.37 | 1.186 | ||||
工质泵 | 20.78 | 0.371 | ||||
膨胀机 | 65.59 | 0.896 | ||||
2 | 蒸发器 | 67.95 | 2.614 | 4.55 | 11.20 | 19.15 |
冷凝器 | 55.95 | 0.850 | ||||
工质泵 | 20.17 | 0.378 | ||||
膨胀机 | 65.82 | 0.858 | ||||
3 | 蒸发器 | 66.03 | 3.276 | 4.54 | 13.02 | 18.60 |
冷凝器 | 36.90 | 1.257 | ||||
工质泵 | 22.62 | 0.376 | ||||
膨胀机 | 65.60 | 0.988 | ||||
4 | 蒸发器 | 62.94 | 4.143 | 4.54 | 14.87 | 17.97 |
冷凝器 | 14.22 | 1.710 | ||||
工质泵 | 23.47 | 0.377 | ||||
膨胀机 | 67.16 | 1.026 | ||||
5 | 蒸发器 | 65.24 | 3.696 | 4.77 | 13.24 | 17.77 |
冷凝器 | 53.06 | 1.274 | ||||
工质泵 | 22.15 | 0.388 | ||||
膨胀机 | 68.51 | 0.909 |
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