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

1、哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的柴油機(jī)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(jī)廢氣余熱熱源為目的，開展了柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的研 究。 文中在對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際狀 況，針對柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電特點(diǎn)，對現(xiàn)行的柴油機(jī)廢氣余熱利用設(shè)備進(jìn)行 比較，選擇了 R11 為工質(zhì), 由蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪-發(fā)電機(jī)組等主要部件 組成的有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)模型。文中以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，計算了柴油 機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（比焓、熵、工質(zhì)流量、雷諾數(shù)、蒸汽出口 速度等）和各主要組件（汽輪-發(fā)電機(jī)組

2、、冷凝器、噴管）的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(zhì)-水 冷凝器傳熱數(shù)學(xué)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(zhì) 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(jié)構(gòu)尺寸隨著工質(zhì)和冷卻水壓力、溫度、流速之 間的變化關(guān)系。 本文提出了汽輪機(jī)噴管的優(yōu)化設(shè)計，利用有限元法，通過 matlab 軟 件，對噴管的模型進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在相同入口勢差條件下，計算 出錐型噴管結(jié)構(gòu)最優(yōu)。 該項實(shí)驗(yàn)設(shè)計模型不僅可以應(yīng)用于柴油機(jī)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(guān)鍵詞 柴油機(jī)；廢氣余熱發(fā)電；有機(jī)朗肯循環(huán) - I - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 第 1 章 緒論.1 1.1 國內(nèi)外柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)發(fā)展概況.1 1.2 國內(nèi)外朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)展 .7 1.3 工作內(nèi)容和課題意義

11、.7 第 2 章 基于朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電模型系統(tǒng)及主要參數(shù)熱力計算 .9 2.1 柴油機(jī)廢氣余熱利用的空間和特點(diǎn).9 2.2 柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電模型 .10 2.3 本章小結(jié).16 第 3 章 系統(tǒng)的換熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計.17 3.1 冷凝器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計 .17 3.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 .30 3.3 本章小結(jié).32 第 4 章 單列級汽輪機(jī)的蒸汽通流部件參數(shù)計算 .33 4.1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式的確定 .33 4.2 本章小結(jié).39 第 5 章 汽輪機(jī)噴管的數(shù)值模擬.40 5.1 噴管的數(shù)值模擬.40 5.2 本章小結(jié).45 結(jié)論.46 參考文獻(xiàn).47 附錄.51 攻讀學(xué)位期間發(fā)

12、表的學(xué)術(shù)論文.57 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝.58 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第1章 緒論 1.1 國內(nèi)外柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)發(fā)展概況 柴油發(fā)動機(jī)排放的氣體包括一氧化碳、未燃凈的碳?xì)浠衔?、水、一氧?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?xì)浠衔锖脱趸M成1， 表 1-1 為柴油機(jī)廢氣（即柴油機(jī)排出的廢氣）在不同條件下的化學(xué)組成。 對柴油發(fā)動機(jī)來說，僅由排氣帶走的熱量就占進(jìn)入發(fā)動機(jī)中的燃料所產(chǎn)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(shù)進(jìn)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(jī)整體性能大有裨益。 在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家中，柴油機(jī)廢氣是構(gòu)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?xì)浠衔镎?48%，氮氧化合物占40%23。 目前，國內(nèi)外柴油發(fā)動機(jī)余熱利用技術(shù)從熱源來看，有利用發(fā)動機(jī)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(diào)、發(fā) 電、采暖、改良燃料等方式4。 1.渦輪增壓技術(shù) 廢氣渦輪增壓技術(shù)56是借助廢氣中的部分能量來提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力 進(jìn)而增加充氣量，以改善內(nèi)燃機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性廢氣渦輪增壓是當(dāng)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(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓裝置聯(lián)合工作時能量傳遞的特點(diǎn)，給增壓內(nèi)燃機(jī)的使用增 加了一些強(qiáng)制附加條件，造成使用不便。此外，這種裝置在汽油機(jī)與小 器 3，4 低溫反應(yīng)器 5 氣水換熱器 6 風(fēng)機(jī)盤管 7，8 電 磁三通閥 915 空氣管路三通閥 16，17 氫氣流量調(diào)節(jié)閥 18 水泵 19 室外空氣風(fēng)機(jī) 20 室內(nèi)空氣風(fēng)機(jī) 21，22 氫氣管路 圖1-1 汽車空調(diào)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 和傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)相比13。其原理為將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的 一端結(jié)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(qiáng)，空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下， 空穴和電子向低溫端擴(kuò)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(dǎo)致排氣壓力減少，有助于柴油機(jī)噪聲水平下降。同時溫差發(fā)電本身是靜 態(tài)下能量轉(zhuǎn)換，沒有旋轉(zhuǎn)部件，勿需傳動系統(tǒng)。但由于熱電轉(zhuǎn)換效率低，只能 利用發(fā)動機(jī)廢氣余熱的一小部分，有待于進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率和尋找具有 更高熱電轉(zhuǎn)換效率的材料。 圖 1-2 溫差發(fā)電（seek

16、back 效應(yīng)）原理 Fig.1-2 principle of difference in temperature generation (seekback effect (2氟里昂汽輪機(jī)發(fā)電 日本的一色尚次首先提出利用發(fā)動機(jī)廢熱的氟里昂汽輪機(jī)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(diǎn)物質(zhì)(通常為氟利昂 作為工質(zhì)，使其在吸收發(fā)動機(jī)廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿悠啓C(jī)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(fù)雜笨重且 無工質(zhì)回收裝置。 Bliem 首先提出利用氨-水混合物作為循環(huán)工質(zhì),以柴油機(jī)熱源，并用汽輪 機(jī)排氣預(yù)熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)廢熱發(fā)電, 改善了循

17、環(huán)性能。原理如圖 1-3 流體進(jìn)口溫度 455，出口溫度 326，工質(zhì)從低溫?zé)嵩戳黧w吸熱量 1290kW，在汽輪機(jī)作內(nèi) 部絕熱膨脹，汽輪機(jī)排氣進(jìn)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(xué)的張鐵相提出利用廢氣能量驅(qū)動渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想 116 ，并設(shè)計了一種新裝置來實(shí)現(xiàn)，獲得專利一項。日本的吉田佑也曾作過此 方面的實(shí)驗(yàn)17，證明了利用

18、廢氣能量驅(qū)動渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行 所需電能，但未做進(jìn)一步研究。此種裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，但會對發(fā)動機(jī) 工作性能產(chǎn)生影響需要進(jìn)一步研究。 集美航海學(xué)院劉福生,黃凱旋闡述并分析了在廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)應(yīng)用發(fā)展 的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述閃發(fā)式廢氣渦輪發(fā)電技術(shù),并就其 熱平衡進(jìn)行了分析。如 圖1-4所示，提出了程序設(shè)計框圖及應(yīng)用前景，對廢氣鍋爐重新構(gòu)思，設(shè)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(chǎn)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(jī)在航行中產(chǎn)生電能，從 而取代柴油發(fā)電機(jī)，以滿足全船電力負(fù)荷需求。這種“廢熱發(fā)電”的概念，特 別適用于推進(jìn)功率較大的柴油機(jī)船

19、舶。 隨著柴油機(jī)廢氣參數(shù)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(jī)相對低輸出段還能很好地滿足船舶用電要 求，而且結(jié)構(gòu)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(jìn)的具有較大適用范圍的現(xiàn)代低速柴油機(jī)船舶動力裝置余熱發(fā)電裝置，可 望得到進(jìn)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(jī)工作剩余熱量供暖19，其優(yōu)點(diǎn)是既不需要 在汽車上增加熱源，又不增加發(fā)動機(jī)本身的熱量消耗，成本較低、經(jīng)濟(jì)性好、 使用方便。其缺點(diǎn)是發(fā)熱量的大小受發(fā)動機(jī)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(jī)排 - 5 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 氣背壓，將影響到發(fā)動機(jī)的工作性能 202122 。 PH廢氣鍋爐的經(jīng)濟(jì)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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)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(jī)排氣的余熱去加熱瀝青。實(shí)驗(yàn)的主體設(shè)備 有： EQ1092F型東風(fēng)汽車(重5t，柴油發(fā)動機(jī)(額定轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)口溫度為669，出口溫度為157。按照公 路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTJ032-94的規(guī)定,道路石油的瀝青加熱溫度應(yīng)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(jī)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?xì)怏w，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(yīng)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(jī)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(dá)國家都在研究的熱門問題。利用柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電，是解決這一問題 的有效方法之一。柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電模型中存在的關(guān)鍵技術(shù)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(zhuǎn)化率低。在利用有機(jī)工質(zhì)的 雙循環(huán)系統(tǒng)的柴油機(jī)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(yīng)用基礎(chǔ)研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計模型不僅可以應(yīng)用于柴油機(jī) 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?zé)?、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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 基于朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電模型系 統(tǒng)及主要參數(shù)熱力計算 2.1 柴油機(jī)廢氣余熱利用的空間和特點(diǎn) 從柴油發(fā)動機(jī)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(jī)。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(jī)，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(jī)和汽油機(jī)的熱平衡表34 表 2-1 柴油機(jī)和汽油機(jī)的熱平衡 Table2-1 diesel engine and gasoline heat balance 熱平衡各分

24、項% 轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?冷卻介質(zhì)帶走的熱量 廢氣帶走的熱量 其他熱量損失 汽油機(jī) 2030 2530 4045 510 高速柴油機(jī) 30 40 2025 3540 510 中速柴油機(jī) 3545 1020 3040 1015 在發(fā)動機(jī)廢氣余熱能量分析中大都采用能量衡算法34。應(yīng)用這種方法，把 發(fā)動機(jī)工作時消耗的燃料所發(fā)出的熱量分為轉(zhuǎn)變成有效功的熱量、冷卻介質(zhì)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(jī)為研究對象35,這里假設(shè)柴油機(jī)達(dá)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(shè)備進(jìn)、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(nèi)，工質(zhì)燃燒產(chǎn)物的平均等壓比熱，估算時， 1 2 - 9 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 可取 1kJ/(kg· (0.24 kcal/kg· tr t 余熱利用設(shè)備前、后的排氣溫度，（為防止余熱利用設(shè)備結(jié)露 1 r2 腐蝕，tr 值一般應(yīng)大于 140150） 2 Gr 柴油機(jī)排氣量，kg/h Gr 值可由下式計算 式中Ne柴油機(jī)功率，kW ge 相應(yīng)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(shù)，四沖程柴油機(jī) 1.62.2；二沖程柴油機(jī) 3 ? 掃氣系數(shù)，四沖程低 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(shè)計計算和模擬仿真程序。 設(shè)計計算程序可以根據(jù) R11 進(jìn)、出口狀態(tài)和冷卻水進(jìn)口狀態(tài)來設(shè)計冷凝器的結(jié) 構(gòu)參數(shù) 1.輸入已知參數(shù)：附表 4 2.改變工質(zhì)入口溫度可得冷凝溫度 3.輸出

27、結(jié)果：冷凝器設(shè)計長度，工質(zhì)冷凝溫度，殼內(nèi)工質(zhì)壓力 ，管內(nèi)工質(zhì) 壓 模擬仿真 仿真程序可以根據(jù)冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷凝器兩種介質(zhì)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(shù)： 函數(shù) LMTDcorrFactor 用于計算F ；函數(shù) TubeFF 用于計算光滑管道的 f ；函數(shù) WaterProperties 用于計算 0 到 100間在任意一溫度點(diǎn)上冷卻水 k,cp 和 Pr 見附表 5 ；函數(shù) LMTD 用于計算對數(shù)平均溫差；函數(shù) hTubeOutside 用 于 計 算 h0 和 ps ； 函 數(shù) hTubeInside 用 于 計 算 hi ； 函 數(shù) Press

28、ureDropLenth 用于計算 pt 和 L ；函數(shù) T2HotSide 調(diào)用 fzero 函數(shù)計算 Th Th ；函數(shù) flaProperties 用附表 6 給出的數(shù)據(jù)確定氟里昂的各種物理性能。 2 2 通過計算，以上所得結(jié)果利用 Origin6.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 結(jié)果與分析 利用程序?qū)ι鲜龅睦淠鬟M(jìn)行性能模擬，確定殼管式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如 下: 確定：管外徑d0 =16mm，管內(nèi)徑di =12mm，傳熱管根數(shù)Nt = 32根。 - 26 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 3-6 氟利昂 R11 出口溫度隨入口溫度的關(guān)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(guān)系 Fig.3-7 Dependence of cooling water average temperature on tube - 27 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 3-8 R11 平均溫度隨冷凝器管長變化關(guān)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(guān)系 Fig.3-9 Dependence of R11 flow

30、on average temperature 工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，此時工質(zhì)是過熱蒸氣。隨著工質(zhì)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(zhì)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(zhì) 的平均溫度如圖 3-8，可以看出，在過熱區(qū)，工質(zhì)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(zhì)的蒸發(fā)潛熱造成的。圖 3-6 所示工質(zhì)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(nèi)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(zhì)在管內(nèi)的平均溫度隨工質(zhì)流量增加而 - 28 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

31、逐漸降低 ，隨工質(zhì)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(guān)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(guān)系 Fig.3-11 Dependence of exchange heat on cooling water flow - 29 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 3-12 換熱量隨冷卻水平均溫度變化關(guān)系 Fig.3-12 Dependence of exchange heat on cooling water average 當(dāng)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(zhì)在不同入口壓力下，冷凝器設(shè)計長度隨冷卻水流量的變化曲線。當(dāng)冷卻 水流量比較小時，冷凝器設(shè)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(shè)計長度的減少趨勢逐步變緩。圖 3-11 是在不同的工質(zhì)入口壓力下 冷凝器換熱量隨冷卻水流量的變化曲線。當(dāng)流量比較小時，工質(zhì)的汽化潛熱沒 能被充分利用，工質(zhì)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(dāng)工質(zhì)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(zhì)出口保持相 對較低的溫度即可。 當(dāng)工質(zhì)入口壓力增大時，冷凝壓力和冷凝溫

33、度都隨之相應(yīng)提高，從而使冷 凝器換熱溫差加大，增強(qiáng)了冷凝器的換熱效果。因此工質(zhì)入口壓力比較高時， 在圖 3-10 中，冷凝器的設(shè)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(zhì)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(zhì)過冷而不使冷凝器換熱效果惡化。因此，較高的冷凝器工質(zhì)入 口壓力有利于增強(qiáng)冷凝器的換熱效果。 3.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jī)工質(zhì) R11，它是整個系統(tǒng) - 30 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 能量傳遞的中轉(zhuǎn)站。在柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中，起著舉足輕重的作用。根 據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shù) 在 1300 ?1600 kcalm2 ? h ?°C 之間。有效溫差對于氟里昂約為 549。 工質(zhì)在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉(zhuǎn)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(nèi)沸騰。受沸騰空間的限制，使沸騰產(chǎn)生的氣體和液體混 合在一起，構(gòu)成汽液兩相混合物。因此，管內(nèi)沸騰換熱涉及到管內(nèi)的兩相流動 問題。圖 3-13 是管內(nèi)的沸騰情況，在流速比較高的情況下，若進(jìn)入

35、管內(nèi)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(nèi)中心溫度尚低于ts ，僅管壁有汽泡產(chǎn) 生，屬于過冷沸騰。隨后液體在整個截面上達(dá)到飽和溫度，進(jìn)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(jìn)一步合并，在管中心形成汽芯，把液體排擠到 壁上，出現(xiàn)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(jìn) 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(jìn)

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(dǎo)致局部換熱較差。 查附表 7 的氟里昂 R11 的熱力學(xué)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(zhì)流量W = 200kgh 蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Q0 = (h75 ?h30×W = (153.13?104.07×200 = 9812kcalh 對數(shù)平均溫差?td = 5°C 換熱系數(shù)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(nèi)徑Di =10mm 需要的銅管根數(shù)N = A DoL = 1.30 3.14×12×10?3 ×1.0 35根 - 31 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(nèi)沸騰過程 Fig.3-13 boil course in the plane tube 3.3

38、 本章小結(jié) 1.根據(jù)冷凝器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)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(shù)，求出其傳熱面積、求出傳熱管的內(nèi)外徑、管 長、傳熱管根數(shù)、管內(nèi)冷卻水流速，并根據(jù)冷卻水和 R11 的物性值、管側(cè)界膜 導(dǎo)熱系數(shù)、殼側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)、污垢系數(shù)、管金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，最終得出總傳 熱系數(shù)，與假定的傳熱系數(shù)數(shù)值基本一致。所得的相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為冷凝器的 設(shè)計參數(shù); 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(shù)學(xué)模型，當(dāng)工質(zhì)的入口溫度升高，其出口溫度 隨之升高；在管內(nèi)過熱區(qū)工質(zhì)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(zhì)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(jī)理，確定了蒸發(fā)器的換熱面積、管長以及換 熱根數(shù)。 - 32 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 其出口流速越大，當(dāng)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 5-5 三種類型噴管出口流速和 勢差的關(guān)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(guān)系 Fig.5-

40、6 the relationship between length of rectified nozzle and eject velocity 2.錐型噴管的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(guān)系 Fig.5-7 the cone-shaped variety of cone-shaped - 44 - 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 5.2 本章小結(jié) 確定噴管形狀為漸縮式。根據(jù)偏微分方程，

41、通過有限元法數(shù)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)論 本文以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，對柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行選型，組件結(jié)構(gòu)參 數(shù)確定以及運(yùn)行參數(shù)計算；建立換熱數(shù)學(xué)模型，利用 matlab 仿真對冷凝器的換 熱能力進(jìn)行分析；從流體力學(xué)理論出發(fā)，利用有限元法，對三種漸縮式汽輪機(jī) 噴管進(jìn)行數(shù)值模擬；得出如下結(jié)論： 1. 柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)為有機(jī)朗肯循環(huán)，主要由蒸發(fā) 器、冷凝器和汽輪-發(fā)電機(jī)組成，工質(zhì)為 R11； 2. 本發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)：汽輪發(fā)電機(jī)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(zhì)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(shù)K = 2266.03 kJ/ m2?h?，管程數(shù) 4； 蒸發(fā)器為殼管 式蒸發(fā)器 ，換熱面積 1.30m2，換熱系數(shù) K =1500kJ /m2 ?h?，換熱 銅管 35 根；建立了換熱數(shù)學(xué)模型，當(dāng)工質(zhì)的入口溫度升高，其出口溫 度隨之升高；在管內(nèi)過熱區(qū)工質(zhì)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(zhì)入口壓力提高 冷凝器的換熱效果； 4

43、. 通過有限元法數(shù)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(jù)汽輪機(jī)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(jī) 相對內(nèi)效率0 = 0.733； i 本文對基于柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)朗肯循環(huán)研究，屬于初步探索，達(dá)到 實(shí)用化還有很多研究工作，尤其 道的分布常數(shù) 管道計算積累常數(shù) 殼等效直徑 殼內(nèi)徑 逆流布置的 LMTD 修正系數(shù) 管長 隔板數(shù)（取整） 管數(shù) 管口數(shù) 節(jié)距 管內(nèi)流體的泵送功率 普朗

44、特數(shù) 傳熱率 管外的污垢熱阻 管內(nèi)的污垢熱阻 Tb 點(diǎn)的管內(nèi)雷諾數(shù) Tb 點(diǎn)的殼內(nèi)雷諾數(shù) 對數(shù)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)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(shù) 泵效率 黏度修正系數(shù) 動力學(xué)粘度 Tb 點(diǎn)的動力學(xué)粘度 Tw 點(diǎn)的動力學(xué)粘度 密度 附錄 4 熱交換器初步分析的參數(shù) 幾何參數(shù) 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(shè) 光滑管道 物理參數(shù) 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