在设置完仿真环境设定和全局规定,搭建完仿真流程图和设定完初始参数和变量之后,需要进行仿真流程的收敛分析。
软件中模块的计算方法为序贯模块法。
序贯模块法依照一定的计算顺序依次进行求解,流程中包含循环物流的情况需进行反复迭代计算,直至循环收敛。
对于含有循环回路的流程需要定义断裂物流,来实现循环物流的收敛。
本次高温热泵蒸汽机仿真模拟涉及两个循环物流分别是工质循环和汽水循环,因此需要定义两个撕裂物流。
在定义撕裂物流之前需要选择收敛方法和收敛参数设置。
由于仿真涉及多个循环物流且循环回路相互影响,所以选用布洛伊顿拟牛顿法较为适合。
流程最大选代次数为30次,操纵变量容差0.0001,在第一次加速迭代前直接迭代次数为2次。
撕裂物流赋初值,如遇到流程不收敛的情况,口将Wait值增大为4,改变新裂物流容差,增大最大迭代计算次数或者换用韦格斯坦法等方法来解决。
以上方法调试之后循环物流依然不收敛时,可以适当调整撕裂物流初始值来满足循环物流收敛。
循环物流收敛分析结束之后,运行整个高温热泵蒸汽机仿真模拟流程,流程收敛则完成了一次静态模拟仿真。
然后在给水温度70、75、80、85℃四个工况下,设置流程变量,工质质量流量从7.36t/h变化到11.96t/h,闪蒸负压0.75bar变化到0.95bar,研究工质流量变化和闪蒸负压变化对热泵蒸汽机制热性能和运行稳定性的影响。
换用除R245fa以外的4种工质,研究不同工质下热泵蒸汽机的运行特性。
本章节以软件为基础,详细阐述了高温热泵蒸汽机系统的整个仿真流程的建立。
仿真流程的建立主要包括三部分:软件环境设置、热泵蒸汽机参数设置、循环物流收敛分析。
软件环境设置包括仿真外界环境设定、组分信息、物性方法选择、设置全局规定、建立仿真流程图。
高温热泵蒸汽机参数设置包括各模块(换热器、压缩机、膨胀阀、水泵)参数设置,初始参数设置,流程变量设置。
循环收敛分析包括设置撕裂物流、确定收敛方法、调整收敛参数。
工质流量和闪蒸负压设置为流程变量,研究它们对热泵蒸汽机制热性能的影响,在此基础上换用除R245fa以外的4种工质,研究不同下质下高温热泵蒸汽机的运行特性。
高温热泵蒸汽机仿真实验在给水温度70到85°℃条件下进行,给水温度在下列各图中用Tn表示。
闪蒸负压保持0.95bar不变,工质选用R245fa时,模拟了工质流量从7.36t/h增加到11.96t/h,热泉蒸汽机主要参数(系统耗功、COP值、闪蒸率、蒸汽温度)随之变化的情况。
完成仿真实验后,将仿真数据导出,然后利用Origin画图软件绘制变化关系曲线。
主要研究R245fa工质,因为该工质为无色透明易流动液体,易挥发,不易燃且易获取,应用较为广泛。
在高温热泉系统中,该工质在较高冷凝温度下,冷凝压力相对其它工质较低,适用于现有热泵系统,所以选为主要研究工质。
水温度不变时,随着工质流量的增大系统耗功随之增加,工质流量不变时,给水温度越高系统耗功越少。
热泵慕汽机系统功耗包括压缩机耗功和水泵耗功,根据公式,工质流量的增加使得压缩机耗功增大从而系统耗功随之增加,同时工质流量的增大使得压缩机进气压力升高,导致了系统耗功增幅变大。
当工质流量不变时,给水温度升高,使得工质蒸发后的温度和压力升高,所以压缩机进气温度和压力升高,相同排气压力下压缩机的耗功降低,从而降低了系统耗功。
水温度不变时,随着工质流量的增加,COP值变化曲线存在极大值点,即热泵蒸汽机制热效率存在最优值。
Tin等于70℃,当工质流量达到9.2t/h,COP达到最优值2140:Tn等于75℃,当工质流量达到10.2t/h,COP达到最优值2.227;Tn等于80℃,当工质流量达到最优值2.307;Tin等于85℃,当工质流量达到11.1t/h,COP达到最优值2.389。
由此可见,给水温度不变时,热泉水汽机COP均存在最优值,电式2-12日知,由子质流量过小会导致循环水从热泵冷凝器吸收的热量减少,从而降低热泵制热效率,工质流量过大会导致系统功耗显著增加,从而降低热泵制热效率。
参考文献:王明涛,刘焕卫,张百浩.燃气机热泵供热性能规律的理论和实验研究[J].化工学报2015(10):3834-3840