柴油机废热利用发电模型设计研究.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文柴油机废热利用发电模型设计研究摘要为了净化大气环境和利用可再生能源，使人类社会得到可持续发展，本文以回收柴油机废热热源为目的，开展了柴油机废气余热发电系统的研究。文中在对国内外相关领域进行了充分调研的基础上，结合工程实际状况，针对柴油机废气余热发电特点，对现行的柴油机废热利用设备进行比较，选择了具有低沸点绿色环保R134a为工质, 由蒸发器、冷凝器、汽轮-发电机组等主要部件组成的有机朗肯循环热力系统模型。文中以热力学理论为基础，计算了柴油机废热发电系统的运行参数和各主要组件的结构参数，计算了系统发出的电量，并对电量储能设计了实验电路。同时从热交换器换热理论出发，建立了表征工质-水冷凝器传热数学模型，针对小型壳管式冷凝器编制了稳态传热仿真程序，利用该仿真程序分析讨论了工质R134a和冷却水的入口温度和流量对冷凝器传热性能的影响。探讨了冷凝器结构尺寸随着工质和冷却水压力、温度、流速之间的变化关系。本文提出了汽轮机喷管的优化设计，利用有限元法，通过matlab软件，对喷管的模型进行数值模拟和结构优化，在相同入口势差条件下，计算出锥型喷管结构最优。该项实验设计模型不仅可以应用于柴油机废热发电的研究，同样适用于舰船、客车等大型交通工具的废热发电，而且对地热、太阳能及海洋温差发电均有参考价值。关键词柴油机；废气余热发电；有机朗肯循环Diesel Engine Waste Gas Heat Generation Research Based on Organic Rankine Cycle AbstractIn order to clean atmosphere environment, utilize reproducible energy and bring human society sustaining development, the paper researches into a 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 and spaces occupied, the comparison were made between the current equipments utilizing diesel engine waste-heat and the working fluidR134a with the low boiling point and the function of protecting environment 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 parameters is calculated, mainly parts structure parameter is calculated in power generation system, the gained power generation is calculated in system, designed experimental circuit for depositing power. At the same time, the thermal mathematic 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 R134a and cooling water affect to the diathermanous performance of condenser, discusses 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 finity-element method，by matlab software, numerically simulates the structure model of nozzle. 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 power 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)不要删除行尾的分节符，此行不会被打印-目录摘要Abstract.第1章 绪论11.1 国内外柴油机废热利用技术发展概况11.2 课题内容及意义3第2章 基于朗肯循环的柴油机废热发电模型系统及主要参数热力计算52.1 柴油机废热利用的空间和特点52.2 柴油机可供利用的最大热量52.3 柴油机废热发电模型62.3.1 柴油机尾气余热发电系统中的朗肯循环62.3.2 工质的选择72.3.3 蒸发器压力和冷凝器压力的确定82.3.4 系统的运行参数计算92.4 本章小结11第3章 系统的换热元件结构设计123.1 冷凝器的换热过程及其设计123.1.1 冷凝方式的确定123.1.2 冷凝器结构与尺寸计算133.1.3 冷凝特性的数值仿真173.2 蒸发器结构参数的确定233.3 本章小结24第4章 汽轮机喷管数值模拟及储能充电电路设计264.1 喷管的数值模拟264.1.1 喷管出口流速的计算264.1.2 喷管的结构模型264.1.3 数值模拟274.1.4 计算结果284.2 充电电路设计294.3 本章小结32结论33致谢34参考文献35附录A37录B42附录C45千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 国内外柴油机废热利用技术发展概况柴油发动机排放的气体包括一氧化碳、未燃净的碳氢化合物、水、一氧化氮、氮、氢、硫以及各类微量元素如铅、溴等。一般来说,水占13%,氢占1%2%,一氧化氮占1%5%。其余部分主要由碳氢化合物和氧化氮组成1，表1-1为柴油机尾气（即汽车排出的废气）在不同条件下的化学组成。对柴油发动机来说，仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生的热量的30%-45%，而残余废气的温度约在600800。利用这部分逸散到大气中的废热通过朗肯循环技术进行余热发电，不仅可以节约能源，而且还会因发电吸热降温对汽车整体性能大有裨益。同时余热发电使传入热机冷凝器的一部分热量转化为电能，也有助汽车噪音下降，这可使汽车消音器的结构简化紧凑，从而减少对环境噪声的污染。在发达的工业化国家中，汽车尾气是构成大气污染的主要原因。例如在美国，汽车排放的一氧化碳占美国一氧化碳排放总量的66%，碳氢化合物占48%，氮氧化合物占40%23。目前，国内外汽车余热利用技术从热源来看，分为利用发动机冷却水余热和利用排气余热两种。从用途上来看，有废气涡轮增压，制冷空调、发电、采暖、改良燃料等方式5。而本文主要研究对象是如何利用柴油机废热利用发电模型。利用废气能量发电的方法基本有以下三种，分别为利用半导体温差发电、氟龙透平发电和废气涡轮发电。(1)半导体温差发电随着半导体材料及其加工技术的发展，金属导体热电转化效率逐渐提高,利用半导体温差发电在动力范畴有了应用的可能。资料表明:半导体温差发电材料的热电转化效率可达3.3，甚至是7%。图1-2是温差发电原理图。吉林大学的董桂田通过试验证明用柴油发动机废气余热温差发电能够取代传统的柴油发电机14。其原理为将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。温差发电使排气温度降低导致排气压力减少，有助柴油机噪声水平下降。1，2 高温反应器 3，4 低温反应器 5 气水换热器 6 风机盘管 7，8 电磁三通阀 915 空气管路三通阀 16，17 氢气流量调节阀 18 水泵 19 室外空气风机 20 室内空气风机 21，22 氢气管路图1-1 汽车空调两级金属氢化物制冷系统循环同时温差发电本身是静态下能量转换，没有旋转部件，勿需传动系统。但由于热电转换效率低，只能利用发动机废热的一小部分，有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有更高热电转换效率的材料。图 1-2 温差发电（seekback效应）原理 (2)氟龙透平发电日本的一色尚次提出了利用发动机废热的氟龙透平发电装置15，该装置利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质，使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动汽轮机发电。此种装置在利用低品位热能方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重且无工质回收装置。Bliem 首先提出利用氨一水混合物作为循环工质，以柴油机热源，并用汽轮机排气预热工质实现废热发电，改善了循环性能。原理如图1一3流体进口温度45，出口温度326，工质从低温热源流体吸热量1290kw，在汽轮机作内部绝热膨胀，汽轮机排气进冷凝器温度381，冷却水带走热量1140kw，循环输出功率150kw，循环热效率11.63%图 1-3 氨-水混合物朗肯循环 (3)废气涡轮发电青岛大学的张铁相提出利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想116，并设计了一种新装置来实现，获得专利一项。日本的吉田佑也曾作过此方面的实验17，证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能，但未做进一步研究。此种装置结构简单，易于安装，但会对发动机工作性能产生影响，还需要进一步研究。集美航海学院刘福生，黄凯旋在阐述并分析了废气涡轮发电技术的应用发展的基础上，重点阐述闪发式废气涡轮发电技术，并就其热平衡进行了分析。提出了程序设计框图及应用前景，对废气锅炉重新构思和设计。主要措施有：降低排气温度；提高蒸发量；加装过热器。其产生的蒸汽除供给系统加热、生活杂用之外，完全有能力通过涡轮发电机在航行中产生电能，从而取代柴油发电机，以满足全船电力负荷需求。这种“废热发电”的概念，特别适用于推进功率较大的柴油机船舶。随着柴油机废气参数的降低，其它废气发电系统很难满足全船用电需求。而闪发式废气余热发电系统在主机相对低输出段还能很好地满足船舶用电要求，而且结构上也比多压系统更为简单。因此，闪发式余热发电系统不失为一种先进的具有较大适用范围的现代低速柴油机船舶动力装置余热发电装置，可望得到进一步发展18。1.2 课题内容及意义本文的主要工作：1. 建立以柴油机尾气为热源的有机朗肯循环运行系统，计算出系统运行参数；2. 组成部件的设计，确定蒸发器、冷凝器的结构尺寸，建立冷凝器换热数学模型，对冷凝器换热特性进行仿真分析；3. 对汽轮机喷管进行结构优化；4. 设计充电控制电路，将产生的电能储存到蓄电池中。随着环保意识的不断增强, 新能源的开发和利用越来越受到重视。一方面大型柴油机排放的废热对环境热污染严重；另一方面造成了能源浪费。所以为了社会的可持续性发展，废热的回收和利用成为发展中国家和发达国家都在研究的热门课题。利用柴油机废气余热发电，是解决这一问题的有效方法之一。柴油机废气余热发电模型中存在的关键技术问题是所用的蒸发器及冷凝器之间的温差小，换热能力弱，能量转化率低。在利用有机工质的双循环系统的柴油机废气余热发电系统中,由于氟里昂对大气产生危害，故采用绿色环保型工质R134a。这样从根本上减轻了对空气的热污染和大气环境污染。关于朗肯循环运行参数的确定以及热交换器的传热特性是本文研究的重点之一。另外，本课题研究属应用基础研究，在理论上，可以促进电工学、热力学和流体力学的交叉发展，该项实验设计模型不仅可以应用于柴油机废热发电的研究，同样适用于舰船、客车等大型交通工具的废热发电，而且对地热、太阳能及海洋温差发电均有参考价值。第2章 基于朗肯循环的柴油机废热发电模型系统及主要参数热力计算2.1 柴油机废热利用的空间和特点从汽车发动机的热平衡来看33，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%(柴油机)或20%-30%(汽油机)。以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%(柴油机)或70%-80%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。表2-1为内燃机的热平衡表34表2-1内燃机的热平衡热平衡各分项%汽油机高速柴油机中速柴油机转变为有效功的热量203030 403545冷却介质带走的热量253020251020废气带走的热量404535403040其他热量损失5105101015由于车用发动机特殊的使用场合，柴油机废热利用具有鲜明的特点和特殊的要求，可将这些特点简单归结如下：1.柴油机废热的品位较低，能量回收较困难；2.废热利用装置要结构简单，体积小，重量轻，效率高；3.废热利用装置要抗震动，抗冲击，适应汽车运行环境；4.要保证汽车使用中的安全；5.要不影响发动机工作特性，避免降低发动机动力性和经济性。2.2 柴油机可供利用的最大热量在发动机废热能量分析中大都采用能量衡算法34。应用这种方法，把发动机工作时消耗的燃料所发出的热量分为转变成有效功的热量、冷却介质带走的热量、废气带走的热量和其它热量损失。取型低增压柴油机为研究对象35,这里假设柴油机达到热平衡时，可按热平衡计算求取排气带走的热量。由于受余热利用设备进、出口温度的限制，能供利用的最大热量可按下式估算。 (2-1) (2-2)在和 温度范围内，工质燃烧产物的平均等压比热，估算时，可取1kJ/(kg) (0.24kcal/kg)余热利用设备前、后的排气温度，（为防止余热利用设备结露腐蚀，值一般应大于140150）柴油机排气量，kg/h值可由下式计算式中柴油机功率，kW相应功率时的耗油率，kg/(kWh)每公斤燃油燃烧时所需要的理论空气量，kg/kg (一般为14.5)过量空气系数，四冲程柴油机1.62.2；二冲程柴油机34扫气系数，四冲程低增压1.101.15；四冲程高增压1.201.25当在294kW运行时,0.238kg/(kWh)，380，150，1.6，1.1。其排气可供利用热量，。2.3 柴油机废热发电模型利用余热进行电能回收的发电设备容量主要应根据余热源的流量、温度和需要的电量来确定。余热发电系统有蒸汽轮机发电系统、氟里昂汽轮机双循环发电系统、油-氟里昂双循环发电系统和三氟乙醇（）汽轮发电系统等363738。炼铁厂的炽热焦炭的冷却装置和烧结矿、水泥厂的烧成窑、燃气轮机等的排烟温度在4001000之间，回收这些余热时，可采用蒸汽轮机发电系统。该发电系统的循环效率为47%左右。对于200400以下的余热源来说，在进行动力回收时，可使用氟里昂或三氟丁醇等工质。本设计采用这种发电系统。在回收100150的低温水和200以下的排烟余热时,采用氟里昂汽轮发电系统。2.3.1 柴油机尾气余热发电系统中的朗肯循环发电系统如图2-1所示，该系统主要由工质泵、废热蒸发器、汽轮发电机和冷凝器，储液罐等组成39。朗肯循环的四个过程为：氟里昂被废气流预热、汽化，变成过热氟里昂蒸汽（过程）,可视为等压吸热过程；过热氟里昂蒸汽在汽轮机中通过喷嘴推动叶片转动，蒸汽在汽轮机中膨胀作功（过程）, 可视为可逆绝热膨胀过程；由汽轮机排出的低压乏气进入冷凝器被循环水冷却（过程 ），可视为可逆等压放热过程；蒸汽被冷却为液态进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器（过程）, 可视为可逆绝热压缩过程。朗肯循环的热效率图2-1 柴油机废气余热发电系统温度计压力表 (2-3)2.3.2 工质的选择在利用废气余热进行动力回收的过程中，要求工质吸收热量多，并能把这一热量有效地转换。因此，被选用的工质必须具备如下条件：1.工质循环蒸发潜热少、有效能效率高；2.工质的压力水平适中，在柴油机废气余热中，相应的饱和压力不高，在冷却温度下，不出现高度真空；3.工质应有比热大、导热系数大和密度适当的特性；4.具有无毒性，不易燃性和无腐蚀性等性能；5.易输送和保存等；因此，在柴油机余热作动力回收时，最好选用低沸点工质汽轮机的发电系统。低沸点工质在汽化温度比较低的条件下，具有相应的汽化压力较高的特点。为了能够最大限度地回收废气余热源的热量，使系统具有较高的效率，般采用具有较高的换热能力、能有效地将热能转换成电能的低沸点工质，如、氨等。考虑环保问题，在实际工程应用中，本实验选用，在标准大气压下，这种工质的沸点为-26.5，凝固点为-101，临界温度为101，临界密度为，临界压力为，25时的导热系数蒸汽为-1 、液体为 -1 40。不仅可回收100150的低温水和200以下的排烟余热，而且也能用冷水进行冷却。为防止工质的泄漏，系统的管路和零部件必须具备良好的密封性能。 2.3.3 蒸发器压力和冷凝器压力的确定饱和液体在蒸发器中汽化和蒸汽在冷凝器中凝结成饱和液体时，饱和压力和饱和温度有对应关系41，只要确定了蒸发器的温度就能确定蒸发器中的压力；确定了凝结温度，就能确定冷凝器中的压力；饱和温度和工质的焓值也有对应关系。凝结温度温度为：， (2-4)式中，冷凝水的温升，冷却水的温升大一些，式（2-4）中，需要的冷却水量可以减少。但是，凝结温度就较高。这样，冷凝器中压力也较高，将使汽轮机进汽和排汽的压力差减少,通常可选510。这里。在冷凝器出口端蒸汽和冷却水之间的传热温差。通常选择37。这里。已知室温20 ， ，确定冷凝器中的压力=0.15。热力系统计算时通常认为蒸汽在冷凝器中冷凝成饱和液体，运行时，凝液温度可用温度计测量得到。工质泵对液体作功引起的液体焓变不大。故认为其焓值等于冷凝器中饱和液体焓值。蒸发器压力的确定在蒸发器中，由于是隔着金属壁面传热，蒸发温度和废气出口温度之间也有如下关系： (2-5)通常 工质在蒸发器中存在最佳蒸发温度。蒸发温度,在废热发电模型中，冷凝器压力确定之后，蒸发器的蒸发温度选的高。一方面汽轮机进气和排气的压差大，工质在汽轮机中的理想焓降可以较大；另一方面，蒸发温度选得高，柴油机废气气的排出温度也要相应提高，值减少，柴油机废气余热能够产生的蒸汽量减少，即柴油机废气的能量利用程度降低。从这两方面看，蒸发温度的高低对乘积的大小影响很大，其中蒸汽流量，理想焓降，影响柴油机废气的发电效果，因为乘积就是柴油机尾气理论上可能转变为机械能（或电能）的热能数量，如图2-3所示。s图2-3 最佳蒸发温度理想焓降是随蒸发温度提高而增大，而产生的蒸汽量是随蒸发温度提高而减少，在某一蒸发温度时乘积为最大。乘积达到最大值时的蒸发温度通常称为最佳蒸发温度。最佳蒸发温度可以作近似计算，设柴油机气初温的温度为,冷凝器冷凝的绝对温度为，在中间介质法单级发电系统中，当运行临界温度较高的低沸点物质为介质时的最佳蒸发温度，按下式近似计算： (2-6)在本系统中，柴油机废气初始温度为：，冷却水入口温度:；求得最佳蒸发温度为。最佳蒸汽温度的高低决定于柴油机尾气初温和冷凝器中的冷凝温度，蒸发器的蒸发温度可以选择比最佳蒸发温度适当偏高几度（如1-2）。根据饱和R134a 的温度压力关系曲线41，可以确定最佳蒸汽温度对应的蒸发压力为0.243。2.3.4 系统的运行参数计算系统对应的示意图为图2-4图2-4 中间介质法热力系统示意图2.3.4.1 各特征点的状态参数的确定在本系统中设定：点的温度（即最佳蒸发温度）75，点温度为33， 点温度（即冷凝温度）为33，忽略泵功率损耗。状态值可以从附表7查得：点：工质为33的饱和液体熵： 比焓： 点：工质经泵升压，为绝热过程，熵保持不变，温升可以忽略熵：比焓： 点：工质为75的饱和蒸汽动力粘度熵： 比焓： 比容： 饱和压力： 点：工质的熵由b到c点保持不变熵： 比焓：2.3.4.2 运行参数的计算处管道的内直径为25mm，工质流量为,柴油机废气进气温度,出气温度。管道截面积管道中流速运动粘度雷诺数：，说明运动是湍流的。蒸发器换热能力：冷凝器的换热能力：朗肯循环效率：2.4 本章小结本章对柴油机废气的主要成分，以及废气的热量值作出了分析，根据工质选择的原则，选择了具有低沸点、环保的为工质，并根据实验条件，确定基于朗肯循环的柴油机废气余热发电系统;在此基础上,通过热力学和流体力学理论，对有机朗肯循环系统的运行参数工质流速、雷诺数、冷凝器和蒸发器的换热能力和朗肯循环的循环效率进行了计算。第3章 系统的换热元件结构设计换热器的任务是使两种介质交换热量，系统中的主要换热器件为蒸发器和冷凝器。本章在热力学设计的基础上，通过工程实际和利用计算机软件Matlab仿真对冷凝器进行结构设计和模型优化。3.1 冷凝器的换热过程及其设计冷凝器的任务是将汽轮机排出的高温、过热蒸汽冷却成为液态制冷剂，冷却过程一般可分为三个过程：1.过热蒸汽冷却成为干饱和蒸汽，由排气温度下的过热蒸汽冷却为冷凝温度的干饱和蒸汽。2.干饱和蒸汽冷却为饱和液体，干饱和蒸汽在冷凝温度下冷凝成饱和液体，这一过程，就是蒸汽凝结为液体的过程。3.饱和液体进一步被冷却为过冷液体，由于冷却介质（水或空气）的温度总是低于冷凝温度，故在冷凝器的末端，饱和液体一般还可进一步被冷却，使其成为过冷液体。3.1.1 冷凝方式的确定冷凝器的主要作用是使汽轮机排出的乏气凝结成液体，并使汽轮机的排汽部分保持较低的压力，提高汽轮机出力，使热能得以充分的利用。冷凝器的种类、传热原理和特点冷凝器是制冷装置的主要换热设备之一,高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器中冷却、冷凝,完成向高温热源的放热过程。冷凝器的种类主要有空气冷却式(风冷式)、水冷式和蒸发式三大类。各种冷凝器的结构性能特点如表3-1所示42。表3-1 冷凝器的种类与特点项目风冷式水冷式蒸发式传热驱动力冷凝温度与空气干球温度差冷凝温度与冷却水温度差冷凝温度与空气湿球温度差换热系数小较大大冷凝温度高较低低用水量无循环水流量小流量小结构使用特点管壳式，结构紧凑，安装使用方便，适用于大、中、小型制冷装置，大量用于风源热泵空调系统壳管式包括冷却水系统，结构紧凑。适用于大、中、小型制冷装置结构较紧凑，安装使用相对壳管式较方便，适用于大、中、小型制冷装置，有向小型制冷装置发展的可能根据其实际情况需要，考虑本系统要结构简单，体积小，重量轻，效率高，故采用水冷式冷凝器。3.1.2 冷凝器结构与尺寸计算图3-1为冷凝器结构与尺寸计算的设计流程图。在冷凝器中，R134a具有很低的表面张力和高的润湿性。设计冷凝器能够使压力为0.15MPa、最大流量为 饱和R134a蒸汽冷凝，冷却水入口温度为20，出口温度27，比热C=4.18kJ/ kg，型式为垂直型管外冷凝器。1.总换热量和冷却水需要量相对应压力为0.15MPa的R134a饱和温度为33，蒸发潜热KJ/kg41。根据热平衡和物料平衡，可以确定：总传热量 (3-1)冷却水需要量 (3-2)为冷凝水进出口温度的差值2.有效温差对数平均温差lm=8 (3-3)查图3-2所示的温度修正系数图43可得，温差修正系数Ft=1。因此，有效温差T=Ft*lm=83.尺寸概算 图 3-1 冷凝器结构设计框图假定总传热系数 kJ/m2h,所需要的传热面积 (3-4)图3-2 温度修正系数采用埃弗无缝黄铜（BsTF4，冷凝器用无缝黄铜）作传热管，其外径mm，内径mm，管长m。传热管根数, 选定管侧程数4.管侧界膜导热系数 对于流体在圆管内流动时，西德43提出下式： (3-5)其中 令 (3-6)则上式可简化为 (3-7)每1管程的流路面积管内冷却水质量流速 kg/m2h冷却水平均温度下的物性值：动力粘度导热系数比热 管内冷却水的雷诺数查管内侧界膜导热系数45，如图3-3所示，得，代入上式得图3-3 管内侧界膜导热系数 kJ/m2h5.壳侧界膜导热系数冷凝器的平均界膜温度，这一温度下的R134a 液体的物性值：动力粘度 导热系数 密度 当量管数 冷凝负荷 重力加速度 冷凝侧界膜导热系数6.污垢系数 查附表1 管内侧污垢系数管外侧污垢系数7.管金属的导热系数 从附表2查得8.总传热系数因此， kJ/ m2h由此可知，由计算得到的冷凝换热系数与假定总传热系数 kJ/m2h的基本一致。根据（3.1.2）中的计算结果，设计出冷凝器的模型并进行加工。如图3-4所示，为卧式壳管式冷凝器，尺寸如图中标注所示。冷凝器主要由外壳，水箱，换热铜管，管板等部件组成，该冷凝器有拆卸安装方便的特点。它的外壳由不锈钢板卷制，在水箱的管板上胀接有110根外径，内径,长的无缝黄铜管（BsTF4）。在水箱中有分隔板，具体安装位置如图3-5所示，冷却水经水箱I水箱II 水箱III，最终流出水箱。在壳体上焊接有1个温度计插座、一个压力表插座，其平均温度为冷凝器内部的蒸汽温度。外壳侧面的压力表(量程为0.8MPa)可以测量出蒸汽的压力。为了方便清理换热铜管中的水垢,水箱I和III可以拆卸。在管板中心直径为200mm的圆周上有55根铜管，在直径为260mm的圆周上有55根铜管。1 冷却水出口 2 隔板 3 R-134a出口 4外壳 5 挡板 6 温度计插座7压力计插座 8 R-134a入口 9冷却水入口 10 水箱图3-4 壳管式冷凝器结构1水箱外壳 2分水隔板 3管子4管板图3-5 水箱及其挡板3.1.3 冷凝特性的数值仿真冷凝器作为制冷 (热泵)系统的一个重要部件 ,其传热性能的优劣对整个系统有着重大的影响46。本文针对小型壳管式冷凝器编制了稳态传热仿真程序，利用该仿真程序分析讨论了R134a和冷却水入口温度和流量对冷凝器传热性能的影响。该仿真程序可模拟计算出冷凝器中氟利昂出口温度，管长，壳侧压降，管侧压降，流速之间的变化关系。本文在建立冷凝器传热模型和模拟仿真软件的基础上讨论各因素对冷凝器换热性能的影响。3.1.3.1 换热器数学模型及其求解为了既能满足要求,又能最大限度地简化模型,加快计算速度,对冷凝器换热模型作以下假设 47(1) 不计管壁沿轴向导热;(2) 忽略不凝气体对流动和换热的影响;(3) 工质在管内的流动为沿轴向一维流动且不考虑工质沿程压力损失。在初始工况下，工质以过热蒸汽状态进入冷凝器，经过水的冷却逐步变为气体和液体的混合物，再经过进一步冷却至过冷液体后离开冷凝器。当工况变化以后，冷凝器出口状态、冷凝器换热量都随之发生变化。根据冷凝器内制冷剂可能的存在状态，将冷凝器分为两个相区:过热区和两相区48。本文基于稳态分布参数法分别对冷凝器的两个相区建立均相流换热模型。冷凝器内各区换热量是有很大差异的，两相区换热是冷凝器换热的主要组成部分，它的换热量大小直接影响着整个冷凝器换热量的大小。本文主要考虑其在两相区内的变化规律。公式中的符号见附表3热交换器的能量守恒方程为： (3-8)其中下标1代表流入，下标2代表流出，下标h代表热流体，下标c代表冷流体。假设为逆流布置，对数平均温差如下： (3-9)， 总传热系数K由下式给出： (3-10)管内的传热系数值近似为： (3-11)这里由于通过环形管道流体的性质不变，对于强制对流的充分发展的紊流流动有下式： , (3-12) 雷诺数由下式给出： (3-13)式中， 普朗特数为，由下式给出：壳内的传热系数可以由下式得出： 除了外，在壳内流体平均温度基础上算出其他值，用温度算。单元段长度： (3-18)3.1.3.2 程序编制基于上述冷凝器换热模型，可以编制冷凝器的设计计算和模拟仿真程序。设计计算程序可以根据R134a进、出口状态和冷却水进口状态来设计冷凝器的结构参数1.输入已知参数：附表42.改变工质入口温度可得冷凝温度，3.输出结果：冷凝器设计长度，工质冷凝温度，壳内工质压力降，管内工质压降模拟仿真仿真程序可以根据冷凝器结构参数和冷凝器两种介质的入口状态来计算冷凝器的出口状态。在matlab.m文件创建下列函数：函数LMTDcorrFactor 用于计算；函数TubeFF 用于计算光滑管道的；函数WaterProperties 用于计算0到100间在任意一温度点上冷却水和见附表5；函数LMTD 用于计算对数平均温差；函数hTubeOutside 用于计算和；函数hTubeInside 用于计算；函数PressureDropLenth 用于计算和；函数T2HotSide 调用函数计算；函数flaProperties 用附表6给出的数据确定氟里昂的各种物理性能。通过计算，以上所得结果利用Origin6.0进行数据处理。结果与分析利用程序对上述的冷凝器进行性能模拟，确定壳管式换热器的结构参数如下:确定：管外径，管内径，传热管根数根。图3-6 氟利昂R134a出口温度随入口温度的关系曲线图3-7 冷却水的平均温度随管长的关系图3-8 R134a平均温度随冷凝器管长变化关系图3-9 R134a流量随其平均温度变化关系工质进入冷凝器，此时工质是过热蒸气。随着工质向前流动，在释放气体热量的同时，受到沿管阻力等的影响，工质的温度先下降（饱和温度）直到气液混合体为止，在管长的两相区换热量，温度快速下降。由于向外放热，工质的平均温度如图3-8，可以看出，在过热区，工质的温度变化很小，而在两项区温度急剧下降，这是由于工质的蒸发潜热造成的。图3-6所示工质的出口温度随着入口温度升高而呈线性升高。图3-7所示在管内冷却水流动过程中，其平均温度逐渐升高。如图3-9所示，工质在管内的平均温度随工质流量增加而逐渐降低，随工质入口温度变化，其下降幅度基本相同。图3-10 管长随冷却水流量变化关系图3-11 换热量随冷却水流量变化关系图3-12 换热量随冷却水平均温度变化关系当冷却水流量发生变化时，冷凝器的换热性能将随之发生变化。图3-10是工质在不同入口压力下，冷凝器设计长度随冷却水流量的变化曲线。当冷却水流量比较小时，冷凝器设计长度随着流量的增加有明显的减少;而随着流量的升高，设计长度的减少趋势逐步变缓。图3-11是在不同的工质入口压力下冷凝器换热量随冷却水流量的变化曲线。当流量比较小时，工质的汽化潜热没能被充分利用，工质以汽、液混合态流出冷凝器，随着流量的增大冷凝器换热量大幅度提高;当工质出口温度较低时，冷凝器换热量的增加趋势逐步减缓直至基本维持不变。因此，冷却水流量的选取不宜过大，只须使工质出口保持相对较低的温度即可。当工质入口压力增大时，冷凝压力和冷凝温度都随之相应提高，从而使冷凝器换热温差加大，增强了冷凝器的换热效果。因此工质入口压力比较高时，在图3-10中，冷凝器的设计长度有所减少;在图3-11中只需要较小的冷却水流量就能使工质出口保持较低的温度;而在图3-12中，可以在较高的冷却水入口温度下维持工质过冷而不使冷凝器换热效果恶化。因此，较高的冷凝器工质入口压力有利于增强冷凝器的换热效果。3.2 蒸发器结构参数的确定蒸发器的作用是将热量从废热流传递给有机工质R134a，它是整个系统能量传递的中转站。在柴油机废气余热发电系统中，起着举足轻重的作用。根据其结构特点，可以分为壳管式蒸发器、直立管式蒸发器、螺旋管式蒸发器和蛇行管式蒸发器，本系统采用壳管式蒸发器。换热系数在之间。有效温差对于氟里昂约为549。工质在饱和温度下吸收热量由液态转变为气态的过程称为沸腾50。沸腾换热是伴随相变的对流换热，是制冷系统中蒸发器的主要换热方式。制冷系统中的沸腾，大多属于管内沸腾。受沸腾空间的限制，使沸腾产生的气体和液体混合在一起，构成汽液两相混合物。因此，管内沸腾换热涉及到了管内的两相流动问题。图 3-13 是管内的沸腾情况，在流速比较高的情况下，若进入管内液体的温度低于饱和温度，这时流体与管壁之间的换热是液体的对流换热。之后液体在壁面附近被加热到，但此时管内中心温度尚低于，仅管壁有汽泡产生，属于过冷沸腾。随后液体在整个截面上达到饱和温度，进入饱和核态沸腾。这时流动状态先是泡状流，逐渐变成块状流，属于泡态沸腾。继续被加热后，气体越来越多，大气泡将进一步合并，在管中心形成汽芯，把液体排挤到壁上，出现环状流。此时的汽化过程主要发生在液气交界面上，热量主要以对流来通过液膜，属于液膜的对流沸腾。之后液膜逐渐变薄，直到汽化完毕而进入单相对流换热过程。但在流速较低时，受重力的影响，气体和液体分别集中在管的上、下两半部分，进入环状流后，液体就不一定是连续地环绕在管的圆周上，导致局部换热较差。查附表7的氟里昂R134a的热力学性能表：75时饱和蒸汽的比焓：30时饱和液体的比焓: 有效温差对于氟里昂约为546工质流量蒸发器的热负荷对数平均温差换热系数38，取传热面积采用紫铜管，每根长，外径，内径需要的铜管根数根图 3-13 水平管管内沸腾过程3.3 本章小结1.根据冷凝器的结构和特点确定为水冷式冷凝器，计算总换热量和冷却水需要量。通过假定总传热系数，求出其传热面积、求出传热管的内外径、管长、传热管根数、管内冷却水流速，并根据冷却水和R134a的物性值、管侧界膜导热系数、壳侧界膜导热系数、污垢系数、管金属的导热系数，最终得出总传热系数，与假定的传热系数数值基本一致。所得的相关数据可以作为冷凝器的设计参数。2.通过理论分析，针对冷凝器管壳式换热器的换热特性编制了程序，通过 matlab软件仿真，建立了换热数学模型，当工质的入口温度升高，其出口温度随之升高；在管内过热区工质的温度下降比较缓慢，在两项区下降迅速，这是由于冷却水的蒸发潜热造成的；较高的工质入口压力提高冷凝器的换热效果；3.阐述了蒸发器沸腾换热的机理，确定了蒸发器的换热面积、管长以及换热根数。第4章 汽轮机喷管数值模拟及储能充电电路设计4.1 喷管的数值模拟汽轮机喷管是一个把蒸汽的热能转变成动能的结构原件。在蒸发器中产生的高压过热蒸汽从喷管高速流入汽轮机，喷管的形状对蒸汽获得较高的速度有很大影响。根据流体力学可知，随着喷管截面的逐步缩小，流速逐渐加大，直至最小截面管口处流速最高。这种喷管称为渐缩喷管，汽轮发电机采用的喷管是渐缩喷管。4.1.1 喷管出口流速的计算根据流体力学可知，气体在喷管中流动时，气流与外界没有功的交换，与外界热量交换数值极小，可忽略不计，在管道内作稳定流动的气体或蒸汽应服从绝热稳定流动能量方程： (5-1) 喷管出口气流流速的计算公式为式中，,为喷管进口截面及出口截面流速度；、分别为喷管进、出口截面上气流的比焓值。其中，m/s , kcal/kg , kcal/kg m/s4.1.2 喷管的结构模型从流体力学可知，流量、截面和流速三者：截面和流量成正比，和流速成反比。根据能量守恒和转换原理，沿喷管的压力降低，造成气体体积增大，气体速度提高和流量增大。热力学理论和实验表明：当喷管内的蒸汽压力降低到喷管入口压力大约一半时，流速的增加要比流量的增大来得快，则截面应愈来愈小，即喷管必须是渐缩的。本文选择三种典型的渐缩型喷管结构模型53。如图5-1为喷管模型轴向剖面图，其中入口直径，出口直径，直管长度，收敛管长度都采取统一尺寸，以便比较那种结构是最优化结构。其中A 锥型喷管 B 整流管型喷管 C 变截面型喷管图5-1 渐缩型喷管三种结构模型4.1.3 数值模拟在不考虑流体的重力作用的情况下, 流体速度势函数54满足拉普拉斯方程： (5-2)另，不可压缩流体的流速V与势函数 有如下关系： (5-3)数值求解方程（5-2），可得到渐缩型喷管速度势和流速分布，初始化构建二维模型指定边界条件生成网络指定各分区的和v设置求解参数解方程，得出速度v，绘制等位线求出出口处三角形的和v结束图5-2 计算程序框图具体步骤如下：1. 边界条件的确立：如图5-3所示，喷管入口和出口采用第一类边界条件，其它边界采用第二类边界条件，为边界的外法向，取场的对称面或等势线为边界，则有。2.区域网格剖分：该问题所研究的对象为近似圆柱或圆锥型喷管，从几何形状上来讲满足轴对称条件；管壁受到相同的边界条件也是轴对称的，因此该问题可以按照轴对称问题进行求解，取喷管纵截面，得到图5-4所示的有限元计算模型进行网格剖分，其中网格单元为三角形单元。图5-3 喷管边界条件图5-4模型的网格剖分3.设置求解参数：选择流速向量参数。4.流速场分布图5-5 A,B,C分别表示锥型喷管、整流管型喷管、变截面型喷管三种喷管的流速场分布，计算结果表明, 最大流速产生在喷管出口的回流区域,即变截面处。因为在通过该截面的流体流量一定时，截面越小,流速必然增大。所以，在喷管管壁和截