基于有機朗肯循環(huán)的柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)研究

1、哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 基于有機朗肯循環(huán)的柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)研究 摘要 為了凈化大氣環(huán)境和利用可再生能源，使人類社會得到可持續(xù)發(fā)展，本 文以回收柴油機廢氣余熱熱源為目的，開展了柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的研 究。 文中在對國內外相關領域進行了充分調研的基礎上，結合工程實際狀 況，針對柴油機廢氣余熱發(fā)電特點，對現行的柴油機廢氣余熱利用設備進行 比較，選擇了 R11 為工質, 由蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪-發(fā)電機組等主要部件 組成的有機朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)模型。文中以熱力學理論為基礎，計算了柴油 機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的運行參數（比焓、熵、工質流量、雷諾數、蒸汽出口 速度等）和各主要組件（汽輪-發(fā)電機組

2、、冷凝器、噴管）的結構參數，計 算了系統(tǒng)發(fā)出的電量。同時從熱交換器換熱理論出發(fā)，建立了表征工質-水 冷凝器傳熱數學模型，針對小型殼管式冷凝器編制了穩(wěn)態(tài)傳熱仿真程序，利 用該仿真程序分析討論了工質 R11 和冷卻水入口溫度和流量對冷凝器傳熱 性能的影響。探討了冷凝器結構尺寸隨著工質和冷卻水壓力、溫度、流速之 間的變化關系。 本文提出了汽輪機噴管的優(yōu)化設計，利用有限元法，通過 matlab 軟 件，對噴管的模型進行數值模擬和結構優(yōu)化，在相同入口勢差條件下，計算 出錐型噴管結構最優(yōu)。 該項實驗設計模型不僅可以應用于柴油機廢氣余熱發(fā)電的研究，同樣適 用于艦船、客車等大型交通工具的廢氣余熱發(fā)電，而且對地

3、熱、太陽能及海 洋溫差發(fā)電均有參考價值。 關鍵詞 柴油機；廢氣余熱發(fā)電；有機朗肯循環(huán) - I - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 Diesel Engine Waste Gas Heat Generation Research Based on Organic Rankine Cycle Abstract In order to clean atmosphere environment, utilize reproducible energy and bring human society sustaining development, the paper researches into a

4、diesel engine waste-heat power generation system with the purpose of the recovery of a diesel engine waste-heat resource. Based on the research of the related fields home and abroad and combined work condition, in allusion to the feature of diesel engine waste-heat generation, the comparison were ma

5、de between the current equipments utilizing diesel engine waste-heat and the low boiling point working fluidR11 is chosen, the evaporator, condenser, steam turbine-generator group and so on compose the organic Rankine cycle thermal system model. Based on the thermodynamics, the operational parameter

6、s (enthalpy, entropy, working fluid flux, Reynolds number, steam eject velocity is calculated, mainly parts (steam turbine-generator, condenser, nozzle structure parameter is calculated in power generation system, the gained power gen eration is calculated in system. At the same time, the thermal ma

7、thematic model of working-fluid water condenser is established and the steady diathermancy program is worked out in a allusion to the mini-type Shell-and-Tube condenser. Utilizing this simulated program, it analyzes that R11 and cooling water affect to the diathermanous performance of condenser, dis

8、cusses the condenser structure depending on the working-fluid, cooling water, temperature, velocity of flow. The paper brings forward optimized design of the steam turbine-generator jet nozzle, utilizing finite-element method ， by Matlab software, numerically simulates the structure model of nozzle.

9、 At the same condition of difference in potential, it calculates that the structure of conical jet nozzle is optimized. The experimental model is not only applied to the research on diesel engine waste-heat power generation, but also could be applicable for the waste-heat - II - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 powe

10、r generation of ships, trucks and so on. Besides, it can be available in the geothermal, solar and ocean thermal gradient power generation. Keywords diesel engine; waste heat; organic Rankine cycle(ORC - III - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 目錄 第 1 章 緒論.1 1.1 國內外柴油機廢氣余熱利用技術發(fā)展概況.1 1.2 國內外朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)展 .7 1.3 工作內容和課題意義

11、.7 第 2 章 基于朗肯循環(huán)的柴油機廢氣余熱發(fā)電模型系統(tǒng)及主要參數熱力計算 .9 2.1 柴油機廢氣余熱利用的空間和特點.9 2.2 柴油機廢氣余熱發(fā)電模型 .10 2.3 本章小結.16 第 3 章 系統(tǒng)的換熱元件結構設計.17 3.1 冷凝器的結構及其設計 .17 3.2 蒸發(fā)器結構參數的確定 .30 3.3 本章小結.32 第 4 章 單列級汽輪機的蒸汽通流部件參數計算 .33 4.1 汽輪機結構形式的確定 .33 4.2 本章小結.39 第 5 章 汽輪機噴管的數值模擬.40 5.1 噴管的數值模擬.40 5.2 本章小結.45 結論.46 參考文獻.47 附錄.51 攻讀學位期間發(fā)

12、表的學術論文.57 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 致謝.58 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 第1章 緒論 1.1 國內外柴油機廢氣余熱利用技術發(fā)展概況 柴油發(fā)動機排放的氣體包括一氧化碳、未燃凈的碳氫化合物、水、一氧化 氮、氮、氫、硫以及各類微量元素如鉛、溴等。一般來說,水占 13%,氫占 1%2%,一氧化氮占 1%5%。其余部分主要由碳氫化合物和氧化氮組成1， 表 1-1 為柴油機廢氣（即柴油機排出的廢氣）在不同條件下的化學組成。 對柴油發(fā)動機來說，僅由排氣帶走的熱量就占進入發(fā)動機中的燃料所產生 的熱量的30%-45%，而殘余廢氣的溫度約在600800。利用這部分逸散到大 氣中的廢氣余熱利

13、用朗肯循環(huán)技術進行余熱發(fā)電，不僅可以節(jié)約能源，而且還 會因發(fā)電吸熱降溫對柴油機整體性能大有裨益。 在發(fā)達的工業(yè)化國家中，柴油機廢氣是構成大氣污染的主要原因。例如在 美國，廢氣排放的一氧化碳占美國一氧化碳排放總量的66%，碳氫化合物占 48%，氮氧化合物占40%23。 目前，國內外柴油發(fā)動機余熱利用技術從熱源來看，有利用發(fā)動機冷卻水 余熱和利用排氣余熱兩種。從用途上來看，有廢氣渦輪增壓，制冷空調、發(fā) 電、采暖、改良燃料等方式4。 1.渦輪增壓技術 廢氣渦輪增壓技術56是借助廢氣中的部分能量來提高內燃機的進氣壓力 進而增加充氣量，以改善內燃機的動力性和經濟性廢氣渦輪增壓是當前廢氣 能量利用較為廣泛

14、的一種途徑，但這種方法只能利用廢氣中的部分能量，且由 于內燃機與渦輪增壓裝置聯(lián)合工作時能量傳遞的特點，給增壓內燃機的使用增 加了一些強制附加條件，造成使用不便。此外，這種裝置在汽油機與小 器 3，4 低溫反應器 5 氣水換熱器 6 風機盤管 7，8 電 磁三通閥 915 空氣管路三通閥 16，17 氫氣流量調節(jié)閥 18 水泵 19 室外空氣風機 20 室內空氣風機 21，22 氫氣管路 圖1-1 汽車空調兩級金屬氫化物制冷系統(tǒng)循環(huán) Fig.1-1 automobile air-condition two level metal hydride refrigeration system cycl

15、e - 3 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 和傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機相比13。其原理為將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的 一端結合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開路并給以低溫時，由于高溫端的熱激 發(fā)作用較強，空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅動下， 空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差,溫差發(fā)電使排氣溫度 降低導致排氣壓力減少，有助于柴油機噪聲水平下降。同時溫差發(fā)電本身是靜 態(tài)下能量轉換，沒有旋轉部件，勿需傳動系統(tǒng)。但由于熱電轉換效率低，只能 利用發(fā)動機廢氣余熱的一小部分，有待于進一步提高熱電轉換效率和尋找具有 更高熱電轉換效率的材料。 圖 1-2 溫差發(fā)電（seek

16、back 效應）原理 Fig.1-2 principle of difference in temperature generation (seekback effect (2氟里昂汽輪機發(fā)電 日本的一色尚次首先提出利用發(fā)動機廢熱的氟里昂汽輪機發(fā)電裝置14，該 裝置利用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點物質(通常為氟利昂 作為工質，使其在吸收發(fā)動機廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿悠啓C發(fā) 電。此種裝置在利用低品位熱能力方面有優(yōu)勢，其缺陷是系統(tǒng)較為復雜笨重且 無工質回收裝置。 Bliem 首先提出利用氨-水混合物作為循環(huán)工質,以柴油機熱源，并用汽輪 機排氣預熱工質實現廢熱發(fā)電, 改善了循

17、環(huán)性能。原理如圖 1-3 流體進口溫度 455，出口溫度 326，工質從低溫熱源流體吸熱量 1290kW，在汽輪機作內 部絕熱膨脹，汽輪機排氣進冷凝器溫度 381，冷卻水帶走熱量 1140kW，循 環(huán)輸出功率 150kW，循環(huán)熱效率 11.63%15。 - 4 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖 1-3 氨-水混合物朗肯循環(huán) Fig.1-3 ammonia-water mixture Rankine cycle (3廢氣渦輪發(fā)電 青島大學的張鐵相提出利用廢氣能量驅動渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電的設想 116 ，并設計了一種新裝置來實現，獲得專利一項。日本的吉田佑也曾作過此 方面的實驗17，證明了利用

18、廢氣能量驅動渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運行 所需電能，但未做進一步研究。此種裝置結構簡單，易于安裝，但會對發(fā)動機 工作性能產生影響需要進一步研究。 集美航海學院劉福生,黃凱旋闡述并分析了在廢氣渦輪發(fā)電技術應用發(fā)展 的基礎上，重點闡述閃發(fā)式廢氣渦輪發(fā)電技術,并就其 熱平衡進行了分析。如 圖1-4所示，提出了程序設計框圖及應用前景，對廢氣鍋爐重新構思，設計。 主要措施有：降低排氣溫度；提高蒸發(fā)量；加裝過熱器。其產生的蒸汽除供給 系統(tǒng)加熱、生活雜用之外，完全有能力通過渦輪發(fā)電機在航行中產生電能，從 而取代柴油發(fā)電機，以滿足全船電力負荷需求。這種“廢熱發(fā)電”的概念，特 別適用于推進功率較大的柴油機船

19、舶。 隨著柴油機廢氣參數的降低，其它廢氣發(fā)電系統(tǒng)很難滿足全船用電需求。 而閃發(fā)式廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)在主機相對低輸出段還能很好地滿足船舶用電要 求，而且結構上也比多壓系統(tǒng)更為簡單。因此，閃發(fā)式余熱發(fā)電系統(tǒng)不失為一 種先進的具有較大適用范圍的現代低速柴油機船舶動力裝置余熱發(fā)電裝置，可 望得到進一步發(fā)展18。 4.利用廢氣余熱取暖和加熱 余熱式暖氣裝置利用汽車發(fā)動機工作剩余熱量供暖19，其優(yōu)點是既不需要 在汽車上增加熱源，又不增加發(fā)動機本身的熱量消耗，成本較低、經濟性好、 使用方便。其缺點是發(fā)熱量的大小受發(fā)動機工況的制約，而且僅在冬季發(fā)揮作 用，廢氣能量利用不充分。另外，利用廢氣取暖時，換熱裝置增大了

20、發(fā)動機排 - 5 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 氣背壓，將影響到發(fā)動機的工作性能 202122 。 PH廢氣鍋爐的經濟器，EVAP蒸發(fā)器，SH 過熱器。 圖1-4 單段單壓式余熱發(fā)電系統(tǒng) Fig.1-4 one sect-one pressure waste heat power generation system 內蒙古工業(yè)大學的高雪峰研制了一種利用汽車廢氣余熱加熱瀝青的裝置， 它利用熱管換熱器回收汽車發(fā)動機排氣的余熱去加熱瀝青。實驗的主體設備 有： EQ1092F型東風汽車(重5t，柴油發(fā)動機(額定轉速下的功率Ne=99kW， 百公里燃油消耗量為25.5L，汽車廢氣余熱瀝青加熱爐，燃

21、油型燃燒器。 實驗條件如下：汽車以平均時速60Km/h，環(huán)境溫度20，走行60min后, 廢氣加熱系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，廢氣進口溫度為669，出口溫度為157。按照公 路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTJ032-94的規(guī)定,道路石油的瀝青加熱溫度應為 150170,剛好該汽車廢氣余熱瀝青加熱裝置在修路時，滿足這一溫度要求 23 。 5.改良燃料 利用柴油發(fā)動機排氣余熱加熱燃料，使其在催化劑作用下能分解出氫、一 氧化碳等可燃氣體，可提高燃料的燃燒熱值，減輕排放污染和積碳2425。比如 甲醇，改良后 H,CO 的含量可增大 2026,可有效減輕污染和積炭。目前，這 種方法只應用到改良甲醇，對其他燃料的改良尚在研

22、究中。這種方法只利用了 發(fā)動機余熱的一小部分，其目的重在改良燃料而非充分利用廢氣能量27。 - 6 - 哈爾 續(xù)性發(fā)展，廢氣余熱的回收和利用成為發(fā)展中國家 和發(fā)達國家都在研究的熱門問題。利用柴油機廢氣余熱發(fā)電，是解決這一問題 的有效方法之一。柴油機廢氣余熱發(fā)電模型中存在的關鍵技術問題是所用的蒸 發(fā)器及冷凝器之間的溫差小，換熱能力弱，能量轉化率低。在利用有機工質的 雙循環(huán)系統(tǒng)的柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中, 這樣從根本上解決了對空氣的熱污 染和大氣環(huán)境污染。 另外，本課題研究屬應用基礎研究，實驗設計模型不僅可以應用于柴油機 廢氣余熱發(fā)電的研究，同樣適用于艦船、客車等大型交通工具的廢氣余熱發(fā) 電，而且

23、對地熱、太陽能及海洋溫差發(fā)電均有參考價值。 - 8 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 第2章 基于朗肯循環(huán)的柴油機廢氣余熱發(fā)電模型系 統(tǒng)及主要參數熱力計算 2.1 柴油機廢氣余熱利用的空間和特點 從柴油發(fā)動機的熱平衡來看33，用于動力輸出的功率一般只占燃油燃燒總 熱量的 30%-45%(柴油機。以廢氣余熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的 55%-70%(柴油機，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和廢氣帶走的熱量。表 2-1 為柴油機和汽油機的熱平衡表34 表 2-1 柴油機和汽油機的熱平衡 Table2-1 diesel engine and gasoline heat balance 熱平衡各分

24、項% 轉變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?冷卻介質帶走的熱量 廢氣帶走的熱量 其他熱量損失 汽油機 2030 2530 4045 510 高速柴油機 30 40 2025 3540 510 中速柴油機 3545 1020 3040 1015 在發(fā)動機廢氣余熱能量分析中大都采用能量衡算法34。應用這種方法，把 發(fā)動機工作時消耗的燃料所發(fā)出的熱量分為轉變成有效功的熱量、冷卻介質帶 走的熱量、廢氣帶走的熱量和其它熱量損失。 取6250ZCD 型低增壓柴油機為研究對象35,這里假設柴油機達到熱平衡 時，可按熱平衡計算求取排氣帶走的熱量。由于受余熱利用設備進、出口溫度 的限制，能供利用的最大熱量Qr (kJ/h可按下式

25、估算。 0 Qro = Gr cpr (tr ?tr Gr = Ne ge (L0? +1 1 2 (2-1 (2-2 cpr 在tr 和tr 溫度范圍內，工質燃燒產物的平均等壓比熱，估算時， 1 2 - 9 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 可取 1kJ/(kg· (0.24 kcal/kg· tr t 余熱利用設備前、后的排氣溫度，（為防止余熱利用設備結露 1 r2 腐蝕，tr 值一般應大于 140150） 2 Gr 柴油機排氣量，kg/h Gr 值可由下式計算 式中Ne柴油機功率，kW ge 相應功率時的耗油率，kg/(kW·h L0 每公斤燃油燃燒時所需

26、要的理論空氣量，kg/kg (一般為 14.5 過量空氣系數，四沖程柴油機 1.62.2；二沖程柴油機 3 ? 掃氣系數，四沖程低 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 fsms (Nb +1Ds 2As Des 2 2 (mcpt(Tc T 2 c1 d0NTUF?Tm Ps = L = 單元段長度： Li = Cpms(Th ?Th 1 2 K?Tmnd0 (3-18 程序編制 基于上述冷凝器換熱模型，可以編制冷凝器的設計計算和模擬仿真程序。 設計計算程序可以根據 R11 進、出口狀態(tài)和冷卻水進口狀態(tài)來設計冷凝器的結 構參數 1.輸入已知參數：附表 4 2.改變工質入口溫度可得冷凝溫度 3.輸出

27、結果：冷凝器設計長度，工質冷凝溫度，殼內工質壓力 ，管內工質 壓 模擬仿真 仿真程序可以根據冷凝器結構參數和冷凝器兩種介質的入口狀態(tài)來計算冷 凝器的出口狀態(tài)。在 matlab.m 文件創(chuàng)建下列函數： 函數 LMTDcorrFactor 用于計算F ；函數 TubeFF 用于計算光滑管道的 f ；函數 WaterProperties 用于計算 0 到 100間在任意一溫度點上冷卻水 k,cp 和 Pr 見附表 5 ；函數 LMTD 用于計算對數平均溫差；函數 hTubeOutside 用 于 計 算 h0 和 ps ； 函 數 hTubeInside 用 于 計 算 hi ； 函 數 Press

28、ureDropLenth 用于計算 pt 和 L ；函數 T2HotSide 調用 fzero 函數計算 Th Th ；函數 flaProperties 用附表 6 給出的數據確定氟里昂的各種物理性能。 2 2 通過計算，以上所得結果利用 Origin6.0 進行數據處理。 結果與分析 利用程序對上述的冷凝器進行性能模擬，確定殼管式換熱器的結構參數如 下: 確定：管外徑d0 =16mm，管內徑di =12mm，傳熱管根數Nt = 32根。 - 26 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖 3-6 氟利昂 R11 出口溫度隨入口溫度的關系曲線 Fig.3-6 Dependence of R11

29、eject temperature on entrance temperature 圖 3-7 冷卻水的平均溫度隨管長的關系 Fig.3-7 Dependence of cooling water average temperature on tube - 27 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖 3-8 R11 平均溫度隨冷凝器管長變化關系 Fig.3-8 Dependence of R11 average temperature on condenser tube length 圖 3-9 R11 流量隨其平均溫度變化關系 Fig.3-9 Dependence of R11 flow

30、on average temperature 工質進入冷凝器，此時工質是過熱蒸氣。隨著工質向前流動，在釋放氣體 熱量的同時，受到沿管阻力等的影響，工質的溫度先下降（飽和溫度）直到氣 液混合體為止，在管長的兩相區(qū)換熱量，溫度快速下降。由于向外放熱，工質 的平均溫度如圖 3-8，可以看出，在過熱區(qū)，工質的溫度變化很小，而在兩項 區(qū)溫度急劇下降，這是由于工質的蒸發(fā)潛熱造成的。圖 3-6 所示工質的出口溫 度隨著入口溫度升高而呈線性升高。圖 3-7 所示在管內冷卻水流動過程中，其 平均溫度逐漸升高。如圖 3-9 所示，工質在管內的平均溫度隨工質流量增加而 - 28 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文

31、逐漸降低 ，隨工質入口溫度變化，其下降幅度基本相同。 圖 3-10 管長隨冷卻水流量變化關系 Fig.3-10 Dependence of designed length on water flow 圖 3-11 換熱量隨冷卻水流量變化關系 Fig.3-11 Dependence of exchange heat on cooling water flow - 29 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖 3-12 換熱量隨冷卻水平均溫度變化關系 Fig.3-12 Dependence of exchange heat on cooling water average 當冷卻水流量發(fā)生變化時，

32、冷凝器的換熱性能將隨之發(fā)生變化。圖 3-10 是工質在不同入口壓力下，冷凝器設計長度隨冷卻水流量的變化曲線。當冷卻 水流量比較小時，冷凝器設計長度隨著流量的增加有明顯的減少;而隨著流量 的升高，設計長度的減少趨勢逐步變緩。圖 3-11 是在不同的工質入口壓力下 冷凝器換熱量隨冷卻水流量的變化曲線。當流量比較小時，工質的汽化潛熱沒 能被充分利用，工質以汽、液混合態(tài)流出冷凝器，隨著流量的增大冷凝器換熱 量大幅度提高;當工質出口溫度較低時，冷凝器換熱量的增加趨勢逐步減緩直 至基本維持不變。因此，冷卻水流量的選取不宜過大，只須使工質出口保持相 對較低的溫度即可。 當工質入口壓力增大時，冷凝壓力和冷凝溫

33、度都隨之相應提高，從而使冷 凝器換熱溫差加大，增強了冷凝器的換熱效果。因此工質入口壓力比較高時， 在圖 3-10 中，冷凝器的設計長度有所減少;在圖 3-11 中只需要較小的冷卻水流 量就能使工質出口保持較低的溫度;而在圖 3-12 中，可以在較高的冷卻水入口 溫度下維持工質過冷而不使冷凝器換熱效果惡化。因此，較高的冷凝器工質入 口壓力有利于增強冷凝器的換熱效果。 3.2 蒸發(fā)器結構參數的確定 蒸發(fā)器的作用是將熱量從廢氣余熱流傳遞給有機工質 R11，它是整個系統(tǒng) - 30 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 能量傳遞的中轉站。在柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中，起著舉足輕重的作用。根 據其結構特點，可

34、以分為殼管式蒸發(fā)器、直立管式蒸發(fā)器、螺旋管式蒸發(fā)器和 蛇 行 管 式 蒸 發(fā) 器 ， 本 系 統(tǒng) 采 用 殼 管 式 蒸 發(fā) 器 。 換 熱 系 數 在 1300 ?1600 kcalm2 ? h ?°C 之間。有效溫差對于氟里昂約為 549。 工質在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)的過程稱為沸騰50。沸騰換 熱是伴隨相變的對流換熱，是制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器的主要換熱方式。制冷系統(tǒng)中 的沸騰，大多屬于管內沸騰。受沸騰空間的限制，使沸騰產生的氣體和液體混 合在一起，構成汽液兩相混合物。因此，管內沸騰換熱涉及到管內的兩相流動 問題。圖 3-13 是管內的沸騰情況，在流速比較高的情況下，若進入

35、管內液體 的溫度低于飽和溫度，這時流體與管壁 之間的換熱是液體的對流換熱。之后液 體在壁面附近被加熱到ts ，但此時管內中心溫度尚低于ts ，僅管壁有汽泡產 生，屬于過冷沸騰。隨后液體在整個截面上達到飽和溫度，進入飽和核態(tài)沸 騰。這時流動狀態(tài)先是泡狀流，逐漸變成塊狀流，屬于泡態(tài)沸騰。繼續(xù)被加熱 后，氣體越來越多，大氣泡將進一步合并，在管中心形成汽芯，把液體排擠到 壁上，出現環(huán)狀流。此時的汽化過程主要發(fā)生在液氣交界面上，熱量主要以對 流來通過液膜，屬于液膜的對流沸騰。之后液膜逐漸變薄，直到汽化完畢而進 入單相對流換熱過程。但在流速較低時，受重力的影響，氣體和液體分別集中 在管的上、下兩半部分，進

36、入環(huán)狀流后，液體就不一定是連續(xù)地環(huán)繞在管的圓 周上，導致局部換熱較差。 查附表 7 的氟里昂 R11 的熱力學性能表： 75時飽和蒸汽的比焓：h75 =153.13kcalkg 30時飽和液體的比焓: h30 =104.07kcalkg 有效溫差對于氟里昂約為 546 工質流量W = 200kgh 蒸發(fā)器的熱負荷Q0 = (h75 ?h30×W = (153.13?104.07×200 = 9812kcalh 對數平均溫差?td = 5°C 換熱系數38K =13001600kcalm2 ?h?°C ，取K =1500kcalm2 ?h?°C

37、傳熱面積 A= Q0 K?td = 9812 1500×5 =1.30m2 采用紫銅管，每根長L =1.0m，外徑Do =12mm ，內徑Di =10mm 需要的銅管根數N = A DoL = 1.30 3.14×12×10?3 ×1.0 35根 - 31 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 單相流 泡狀流 塊狀流 流動類型 波浪流 流動類型 環(huán)狀流 單相流 單相 換熱 過冷 沸騰 泡態(tài)沸騰 液膜對流沸騰 單相 換熱 換熱類型 換熱類型 圖 3-13 水平管管內沸騰過程 Fig.3-13 boil course in the plane tube 3.3

38、 本章小結 1.根據冷凝器的結構和特點確定為水冷式冷凝器，計算總換熱量和冷卻水 需要量。通過假定總傳熱系數，求出其傳熱面積、求出傳熱管的內外徑、管 長、傳熱管根數、管內冷卻水流速，并根據冷卻水和 R11 的物性值、管側界膜 導熱系數、殼側界膜導熱系數、污垢系數、管金屬的導熱系數，最終得出總傳 熱系數，與假定的傳熱系數數值基本一致。所得的相關數據可以作為冷凝器的 設計參數; 2.通過理論分析，針對冷凝器管殼式換熱器的換熱特性編制了程序，通過 matlab 軟件仿真，建立了換熱數學模型，當工質的入口溫度升高，其出口溫度 隨之升高；在管內過熱區(qū)工質的溫度下降比較緩慢，在兩項區(qū)下降迅速，這是 由于冷卻

39、水的蒸發(fā)潛熱造成的；較高的工質入口壓力提高冷凝器的換熱效果； 3.闡述了蒸發(fā)器沸騰換熱的機理，確定了蒸發(fā)器的換熱面積、管長以及換 熱根數。 - 32 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 其出口流速越大，當整流管為零時，噴管變成錐型噴管，可見錐型 流道的噴管流動性能最好。 - 43 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 圖 5-5 三種類型噴管出口流速和 勢差的關系 Fig.5-5 the relationship of eject velocity and difference in potential in three kinds nozzle 圖 5-6 整流管長度噴管速度關系 Fig.5-

40、6 the relationship between length of rectified nozzle and eject velocity 2.錐型噴管的結構優(yōu)化 圖 5-7 在噴管入口和出口勢差為 100m2/s 的條件下，改變a長度，所求得 的錐型噴管的錐度的變化。從曲線可見，當錐度比 = = 0.16時,噴管流速最 b a 大,其值為 195 米/秒。 圖 5-7 錐型噴管的錐度變化關系 Fig.5-7 the cone-shaped variety of cone-shaped - 44 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 5.2 本章小結 確定噴管形狀為漸縮式。根據偏微分方程，

41、通過有限元法數值模擬利用漸 縮噴管速度勢和速度分布，確定最優(yōu)化噴管形式為錐型管式噴管，并求出錐度 變化時，噴管出口速度的最大值。 - 45 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 結論 本文以熱力學為基礎，對柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)進行選型，組件結構參 數確定以及運行參數計算；建立換熱數學模型，利用 matlab 仿真對冷凝器的換 熱能力進行分析；從流體力學理論出發(fā)，利用有限元法，對三種漸縮式汽輪機 噴管進行數值模擬；得出如下結論： 1. 柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)為有機朗肯循環(huán)，主要由蒸發(fā) 器、冷凝器和汽輪-發(fā)電機組成，工質為 R11； 2. 本發(fā)電系統(tǒng)運行參數：汽輪發(fā)電機電功率為 1.44

42、 kW,蒸發(fā)器換熱能力 為10.86kW，冷凝器換熱能力為 10.29kW，工質流量為 200kg/h，朗肯 循環(huán)的效率 6.80%； 3. 冷凝器為水冷型殼管式冷凝器，換熱面積為 1.85m2，換熱銅管 32 根，總換熱系數K = 2266.03 kJ/ m2?h?，管程數 4； 蒸發(fā)器為殼管 式蒸發(fā)器 ，換熱面積 1.30m2，換熱系數 K =1500kJ /m2 ?h?，換熱 銅管 35 根；建立了換熱數學模型，當工質的入口溫度升高，其出口溫 度隨之升高；在管內過熱區(qū)工質的溫度下降比較緩慢，在兩相區(qū)下降 迅速，這是由于冷卻水的蒸發(fā)潛熱造成的；較高的工質入口壓力提高 冷凝器的換熱效果； 4

43、. 通過有限元法數值模擬,利用漸縮噴管速度勢和流速分布，確定最優(yōu)化 噴管形式為錐型噴管，并求出錐度變化時，噴管出口速度的最大值； 5. 根據汽輪機熱力計算確定：葉輪直徑 d = 0.273m ,噴管出口理論流速 c2 =190m/ s ,葉片高度為l = 0.016m,葉片出口速度c2 = 43.3m/s, 汽輪機 相對內效率0 = 0.733； i 本文對基于柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)朗肯循環(huán)研究，屬于初步探索，達到 實用化還有很多研究工作，尤其 道的分布常數 管道計算積累常數 殼等效直徑 殼內徑 逆流布置的 LMTD 修正系數 管長 隔板數（取整） 管數 管口數 節(jié)距 管內流體的泵送功率 普朗

44、特數 傳熱率 管外的污垢熱阻 管內的污垢熱阻 Tb 點的管內雷諾數 Tb 點的殼內雷諾數 對數平均溫差（LMTD） 熱流體的入口溫度 熱流體的出口溫度 冷流體的入口溫度 冷流體的出口溫度 整體溫度 - 53 - 哈爾濱理工大學工學碩士學位論文 Tw U p s b w ， W /(m2K kg /(sm kg / m3 kg /(sm kg / m3 壁溫 A 口的整體平均傳熱系數 泵效率 黏度修正系數 動力學粘度 Tb 點的動力學粘度 Tw 點的動力學粘度 密度 附錄 4 熱交換器初步分析的參數 幾何參數 Ds = 0.39m NT = 32 NP = 2 PT = 0.024m B = 0.5m Nb = 4 di =12mm do =16mm ktube = 60W /m2K 900 管道鋪設 光滑管道 物理參數 Tc = 20 1 Tc2 = 27 Th = 75 1 Th = 33 2 ms = mh = 0.056kg /s mt = mc = 8.5kg / s Rf = 0.00015 i Rfo = 0.00015 附錄 5 水的熱物理性能 (kg /m3 1000.0 1000.0 998.0 991.1 984.3 (Ns/m2 1750×10?6 1225×10?6 855×10?6 631×10?6