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用于余热回收动力利用系统的翅片管相变传热热经济性能研究

纠景瑞  
【摘要】:翅片管广泛应用于余热回收动力利用系统中,如用于低温余热发电的有机朗肯循环系统。目前已有相关学者对翅片管的热力学性能和热经济学性能进行了研究分析,但大多基于热力学第一定律或熵产分析(可用能损失),并且大多针对的是翅片管的单相对流传热。应该指出的是,对应用于余热回收动力利用系统的翅片管,一方面要求从余热资源中回收最大的做功能力以及尽可能小的冷源可用能损失,另一方面在余热回收动力利用系统中的蒸发器和冷凝器中经历的是一个相变的传热过程,因此,已有的研究结果已不适用于余热回收动力利用系统中的翅片管。 本课题基于热力学第一、第二定律,运用热经济学原理考虑翅片管投资和运行费用,并首次在管内侧相变传热(沸腾和冷凝)和翅片管外侧的传热同时考虑的情况下,选用纯工质(R245fa、R134a)和混合工质(R407C、R22/R142b),对用于余热回收动力利用系统的翅片管相变传热热经济性能进行研究,探讨相关参数的影响规律,并和光管进行比较性研究。计算结果表明,无论是纯工质还是混合工质,翅片管和光管都存在一个最佳的管内雷诺数Rei分别使其单位热负荷净收益值η达到最大和单位热负荷的年度化总成本值Γ达到最小,且管外雷诺数Reo和单位热火用价εq越大则η值和Γ值也越大,翅片管和光管的η值和Γ值随管外雷诺数Reo的增加都快速地增加;翅片管的η值明显大于光管,且其Γ值明显小于光管,即翅片管相变传热热经济性能要明显优于光管,更适合于余热回收动力利用系统。 此外,和R245fa相比,R134a的最佳Rei要大,但R134a的η值明显要小;和R22/R142b相比,R407C的最佳Rei值要大,但R407C的η值也明显要小。当工质为纯工质时,其他条件不变,翅片管和光管的η值与沸腾温度Tv呈线性变化趋势;存在临界的沸腾温度Tv,cri,当沸腾温度小于临界沸腾温度时,η小于零,即无任何经济收益;对于翅片管,在管外Reo较大和结构参数ηoβ较小情况下,存在临界的管内Rei,cri,小于临界Rei,cri时,R245fa的Γ大于R134a,大于临界Rei,cri时则相反;当工质为混合工质时,对于光管,也存在临界Rei,cri,小于临界Rei,cri时,R22/R142b的Γ大于R407C,大于临界Rei,cri时则相反;对于翅片管,其结构参数ηoβ越大,翅片管的η也越大而其Γ值则越小。混合工质的单位热负荷净收益η大于纯工质,且其单位热负荷的年度化总成本Γ值小于纯工质,即混合工质热经济性能要优于纯工质的热经济性能,也更适用于余热回收动力利用系统。


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