矿井排风热回收系统中能量品位提升循环运行优化

作     者：张艺才 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈世强;朱祝龙

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：矿井排风 热泵循环 极限利用 综合性能系数 (火用)利润 

摘      要：喷淋式矿井排风热湿能量提取与利用系统,实现了“提取-利用一体化,具有良好的应用前景,然而现有研究成果主要从局部讨论空气-水热质交换循环,后续热泵循环的优化问题,亟需进一步探讨。因此,本文基于有限时间热力学现有的理论成果,重点围绕系统中空气-水热质交换循环参数和环境温度对热泵循环的影响展开研究。首先,建立了系统中空气热泵循环的内可逆变温热源循环模型,为表征工质与热源间的传热热阻,引入了蒸发器换热效率以及冷凝器换热效率。通过数值计算,发现喷淋循环水流量与工质热容率存在耦合关系。进而,建立了不可逆变温热源空气热泵循环模型,并引入了表征工质压缩过程不可逆性的压缩机效率,和表征工质膨胀过程不可逆性的膨胀机效率。其次,为确立喷淋循环水流量的设定,先后以无因次吸热流率和综合性能系数为优化目标,通过数值计算,讨论了在不同的工质热容率、压缩效率、膨胀效率和喷淋循环水进水温度工况下,喷淋循环水质量流率对吸热流率和综合性能系数的影响。并通过中值定理,求出了综合性能系数取得极大值所对应的喷淋循环水质量流率,进而讨论了工质热容率和喷淋循环水进水温度对综合性能系数极值的影响。再者,为确立喷淋循环水进水温度的设定,先后以无因次循环熵产速率和无因次(火用)利润率为优化目标,通过数值计算,讨论了在不同的喷淋循环水质量流率、价格比和环境温度工况下,循环水进水温比对无因次循环熵产速率和无因次(火用)利润率的影响,并求出了无因次(火用)利润率取得极大值时所对应的循环水进水温比,进而讨论了喷淋循环水质量流率与环境温度对无因次(火用)利润率极值的影响。最后,为探究系统在我国各区域的适用情况,以(火用)利润率作为评价依据,选取了国内各气候带中矿产较丰富的几个城市作为气候特征城市,根据《中国气象数据集》提供的数据参数,对各特征城市的无因次(火用)利润率进行了估算,结果表明,系统适用的地域呈气候分区特征,单日(火用)利润率大致呈“M型,且系统运行过程中产生的收益不稳定。进而,提出了一种启停控制方法,系统的经济收益明显提高,无因次(火用)利润率最高可从-0.33提高至0.02,增量达0.35。本文填补了喷淋式矿井排风热湿能量提取与利用系统在热泵循环过程的技术空白,对系统的设计和安设预评价提供了理论依据。