热水型地热发电的双循环系统.docx

中文题目：热水型地热发电的双循环系统设计外文题目：Hot water operated dual cycle of geothermal power generation system design毕业设计（论文 ）共 页（其中：外文文献及译文 页） 图纸共0张 完成日期 答辩日期 57摘要本文研究了热水型地热发电的双工质循环系统，利用该系统实现对国内丰富的低温地热资源的利用。双工质地热发电系统是利用地热水的热量加热沸点较低的有机工质，吸热蒸发后的有机工质再进入膨胀机或透平机做功，做功后的工质在冷凝器中被冷却水吸热冷凝，再通过循环泵升压进入蒸发器吸热完成一个循环。在选定的地热水条件下，依次完成地热发电系统各个部分设计，其中对蒸发器，冷凝器及膨胀机做了详细的计算。计算结果表明目前中国的地热资源还不能得到充分的利用，究其原因是地热发电效率偏低。此外对地热双工质循环发电系统的最新现状及生产中的难题做出了介绍及解决。关键词：地热发电 双工质 蒸发器 膨胀机 循环热效率AbstractThis paper studies the double working medium circulation hot water operated geothermal power generation system, using the system on the domestic use of abundant low-temperature geothermal resources. Double working medium geothermal heat power generation system using geothermal water heating boiling point lower organic working medium, heat absorption after evaporation of organic working medium entering or turbine expander, doing work again after work working medium of the condensed in the condenser cooling water absorption of heat, again through the circulating pump booster into the evaporator heat absorption to complete a cycle. Under the selected conditions of geothermal water, the geothermal power system each part of the design, in order of evaporator, condenser and expansion machine to do the detailed calculation. Calculation results show that at present China still cannot fully take advantage of geothermal resources, investigate its reason is geothermal power generation efficiency is low. In addition to double working substance cycle geothermal power generation system present situation and problems in the production of the latest made a introduction and solving.Key words：Geothermal power generation Double working medium The evaporator expander Cycle thermal efficiency辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言随着世界经济的不断增长, 能源的消耗也越来越大, 化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏, 资源量也日益减少。开发洁净的可再生能源成了可持续发展的迫切需要。作为替代能源之一的地热能源日益受到人们的重视。地热电站没有燃料运输设备, 没有庞大的锅炉设备, 没有灰渣和烟气对环境的污染, 是比较清洁的能源。地热发电成本较水电、火电都低。在我国的地热资源开发中，经过多年的技术积累，地热发电效益显著提升。除地热发电外，直接利用地热水进行建筑供暖、发展温室农业和温泉旅游等利用途径也得到较快发展。全国已经基本形成以西藏羊八井为代表的地热发电、以天津和西安为代表的地热供暖、以东南沿海为代表的疗养与旅游和以华北平原为代表的种植和养殖的开发利用格局。随着能源的紧张和环保意识的不断增强，能源的利用越来越受到重视。对于工业发电，一方面对环境造成了污染，一方面造成了能源的浪费，所以为了社会环境的可持续发展，地热发电成为发展中国家和发达国家都在研究的热门话题，利用地热发电是解决这一问题的有效方法之一。通过毕业设计，旨在研究对地热的热利用进行热力发电，充分利用自然能源来减少火力，水力等发电的成本，同时充分体现地热资源的利用价值。1 绪论 1.1 地热发电现状1913年, 第一座装机容量0.25MW的电站在意大利建成并运行,标志着商业性地热发电的开端。目前世界最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站, 其中第一台地热发电机组( 11MW ) 于1960 年启动, 以后的10年中, 2号( 13MW )、3 号( 27MW ) 和4 号( 27MW )机组相继投入运行。20世纪70年代, 共投产9台机组, 80年代以后, 又相继投产一大批机组,其中除13号机组容量为135MW 外, 其余多为110MW 机组。地热发电至今已有近百年的历史, 已经有了较大规模的发展, 显然地热发电能够可靠、安全和可持续性地运行。地热发电在我国也有了较大的发展。1970年, 我国在广东丰顺建成第一座地热电站, 机组功率为0.1MW。随后,河北怀来、西藏羊八井等地也建了地热电站。到目前为止, 西藏羊八井地热电站是我国最大、运行最久的地热电站, 一直在安全、稳定发电。羊八井地热电站装机容量已达到9 台共25.18MW, 机组最大单机容量为3MW 等级。目前, 国内可以独立建造30MW 以上规模的地热电站, 单机可以达到10MW, 截止到2007年我国地热发电装机容量为32MW。目前, 羊八井电站还具有很大的开发潜力, 而在羊八井地热田西南45km处的羊易地热田, 也是一个亟待开发的高温地热田, 另外,云南省地热资源十分丰富, 如腾冲地区是中国大陆有名的高温地热区, 也是中国大陆独一无二的火山热区, 地质普查显示全区有27个高温地热田, 但却没有建成一座地热发电站。据2005年世界地热大会的统计, 世界上有24个国家建设了地热发电(2000年的统计为19个国家) , 世界地热发电总装机容量为8900MW, 目前运行容量为8000MW。该数据比2000年增长了12% , 2003 年地热发电总量为57000GW h, 比2000 年增长了15% , 预测至2010 年, 有望达到10815MW 的总装机容量。世界地热发电的发展情况见图1。美国地热发电能力已经超过了2800MW, 居世界首位菲律宾、墨西哥紧随其后; 印度尼西亚后来居上已经排在第四位; 其次是意大利、日本、新西兰,我国排名第15位。世界主要国家的地热发电量如图：图1-1世界地热发电的发展图1-2世界主要国家地热发电量统计1.2 地热发电原理及技术地热发电的过程就是把地下热能首先转变为机械能, 然后再把机械能转变为电能的过程,原理和火力发电的基本原理是一样的。所不同的是, 地热发电不像火力发电那样需要备有庞大的锅炉, 也不需要消耗燃料, 它所用的能源是地热能。根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同, 地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。1.2.1 地热蒸汽发电蒸汽型地热发电是把高温地热田中的干蒸汽直接引人汽轮发电机组发电。在引入发电机组前先要把蒸汽中所含的岩屑、矿粒和水滴分离出去。蒸汽型地热发电系统的类型有：背压式汽轮机发电系统；凝汽式汽轮机发电系统。 1）背压式汽轮机发电工作原理为: 把干蒸汽从蒸汽井中引出,先加以净化, 经过分离器分离出所含的固体杂质, 然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电, 排汽放空(或送热用户)。这是最简单的发电方式,大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合, 或者综 合利用于工农业生产和生活用水。图1-3背压式汽轮机发电系统 2）凝汽式汽轮机发电为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率, 做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷却后再排出, 在该系统中, 蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力, 所以能做出更多的功,系统原理见图。该适用于高温( 160 以上) 地热田的发电, 系统简单。图1-4凝汽式汽轮机发电系统1.2.2 地下热水发电 闪蒸地热发电工作原理: 将地热井口来的地热水, 先送到闪蒸器中进行降压闪蒸(或称扩容) 使其产生部分蒸汽, 再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下, 或引入作为第二级低压闪蒸分离器中, 分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。用这种方法产生蒸汽来发电就叫做闪蒸法地热发电。它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等。图1-5单级闪蒸法地热发电系统图1-6两级闪蒸法地热发电系统图1-7全流法地热发电系统采用闪蒸法的地热电站, 热水温度低于100 时, 全热力系统处于负压状态。这种电站, 设备简单, 易于制造, 可以采用混合式热交换器。缺点是, 设备尺寸大, 容易腐蚀结垢,热效率较低。由于系直接以地下热水蒸汽为工质, 因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。1.2.3 中间介质法地热发电工作原理: 通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质, 使之变为蒸汽, 然后以此蒸汽去推动气轮机, 并带动发电机发电。因此, 在这种发电系统中, 采用两种流体: 一种是采用地热流体作热源, 它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下; 另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质(如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等), 这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化, 产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电。做完功后的蒸汽, 由汽轮机排出, 并在冷凝器中冷凝成液体, 然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。该方式分单级中间介质法系统和双级(或多级) 中间介质法系统。这一系统的优点是能够更充分地利用地下热水的热量, 降低发电的热水消耗率, 缺点是增加了投资和运行的复杂性。图1-8中间介质法地热发电系统1.2.4 联合循环发电联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一, 这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于150 的高温地热流体发电, 经过一次发电后的流体, 在不低于120 的工况下, 再进入双工质发电系统, 进行二次做功, 充分利用了地热流体的热能, 既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用, 大大节约了资源。该机组目前已经在一些国家安装运行, 经济和环境效益都很好。该系统从生产井到发电, 再到最后回灌到热储, 整个过程都是在全封闭系统中运行的,因此即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电, 不存在对环境的污染。同时, 由于是全封闭的系统, 在地热电站也没有刺鼻的硫化味道, 因而是100%的环保型地热系统。这种地热发电系统进行100% 的地热水回灌, 从而延长了地热田的使用寿命。1.2.5 利用地下热岩石发电与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比, 热干岩过程法将不受地理限制, 可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压人地下4到6km 深处, 在此处岩石层的温度大约在200 左右。水在高温岩石层被加热后通过管道加压被提取到地面并输入个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环使用。这种地热发电成本与其它再生能源的发电成本相比是有竞争力的, 而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染, 所以它是一种未来的新能源1.2.6 利用岩浆发电在现在的地热发电中, 地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆。所谓岩浆发电就是把井钻到岩浆, 直接获取那里的热量。这一方式在技术上是否可行, 是否能把井钻至高温岩浆,人们一直在研究中。到目前为止, 在夏威夷进行了钻井研究, 想用喷水式钻头把井钻到岩浆温度为1020 1170 的岩浆中, 并深入岩浆29 m, 可就此也只是浅地表的个别情况, 如果真正钻到地下几千米才钻到岩浆, 采用现有技术也是很难实现的。另外, 从岩浆中提取热量,只进行了理论研究。2 双工质有机朗肯循环的类型2.1 Nigorikawa有机朗肯循环地热电站Nigorikawa有机朗肯循环地热电站以R114作为工质，采用基本的有机朗肯循环系统，进入电站的地热流体初始温度为140，地热流体质量流量为49.996kg/s电站示意图如2-1所示，其循环热效率达到981，电站火用效率达到216。图2-1Nigorikawa有机朗肯循环地热电站图C：水冷冷凝器；CT：冷却塔；EV：蒸发器；PH：预热器；T：汽轮机2.2 双汽轮机有机朗肯循环地热电站双汽轮机有机朗肯循环地热电站在基本的朗肯循环基础上增加了一台汽轮机，增加了发电量。此地热电站以异丁烷R600a作为工质，采用空气冷却的方式，地热流体入口温度为158，冷却空气的温度为194，地热流体的质量流量为5559kgs。电站的火用效率达到21%-27，循环热效率达到102。图2-2双汽轮机有机朗肯循环地热电站图2.3 回热有机朗肯循环地热电站Pedro JMagon等人在基本朗肯循环基础上加上回热器，这样可以提高循环热效率，火用效率，减小不可逆损失。并且经过工质的优化，选择R11作为工质，其火用效率比基本朗肯循环提高12，不可逆损失减小42。图2-3地热有机朗肯循环地热电站图2.4 Otake pilot多级预热有机朗肯循环地热电站日本的Otake pilot有机朗肯循环地热电站以异丁烷R600a作为工质，并且采用18级闪蒸，有效的加热有机工质，进入电站的地热流体初始温度为130，地热流体质量流量为13356kg/s，电站示意图如1-8所示，其循环热效率达到129，电站火用效率达到539u71。虽然此电站效率较高，但是其结构复杂，预热器造价高，而且不便于维修。图2-4 Otake pilot有机朗肯循环地热电站图ACC：空冷冷凝器；CT：冷却塔；EV：蒸发器；G：发电机；T：汽轮机2.5 Heber SIGC双级有机朗肯循环地热电站Heber SIGC地热电站建于1993年，采用双机有机朗肯循环，循环工质为异戊烷R601a。双级有机朗肯循环系统意在降低基本双循环内地热水在热交换器中热能损失。这种损失是在高温地热流体与低温工质之间热交换时存在较大的温差造成的，双级0RC系统有两级加热一蒸发过程。与只有单级加热一蒸发的基本循环相比，这样处理可以使2种流体的平均温差减小，提高地热流体的利用率，使回灌损失减小。电站包括6个独立的双级有机朗肯循环系统，每个系统的一级，二级系统均采用亚临界过热蒸汽循环，地热流体从生产井出来进入电站的初始温度为165，冷却水温度为20，电站火用效率达到41n图2-5 Heber SIGC 双工质有机朗肯循环地热电厂图Cp：工质泵；CT:冷却塔：EV：蒸发器；G：发电机；HPT，LPT：高，低压汽轮机3 中低温地热水双工质循环发电系统参数选择 3.1 地热水参数选择西藏那曲地区的地热水与其它地区相比,有其特殊性。地热水压力较高, 自喷压力约0.5MPa , 井口出口温度110 , 地热水中矿物质的含量较高, 如果采用与羊八井地热电厂相同的扩容方式, 将在系统中大量的结垢, 严重的影响正常生产。因而采用双工质循环解决了上述问题。3.2 有机朗肯循环工质的选择1) 环保性能。许多有机工质都具有程度不同的温室效应和大气臭氧破坏能力，应尽量选用温室效应较低及无臭氧破坏能力的工质，如HC 类、HFC 类和FC 类碳氢化合物或其卤代烃。2) 化学稳定性。有机工质在特定的压力和温度条件下会分解，分解生成物可能对设备及管道的材料产生腐蚀，甚至燃烧和爆炸，应根据热源的温度等具体条件来选用合适的循环工质。3) 工质的安全性，包括易燃易爆性、毒性和对设备及管道的腐蚀性等。 尽量选用毒性低或无毒性、对设备管道无腐蚀的流体。4) 工质的临界参数、正常沸点及凝固温度。 因冷凝温度受环境温度的限制，能调节的范围有限，故要求工质的临界温度不能太低，否则导致凝结压力太高或无法冷凝。为了使工质在循环过程中不凝固从而堵塞管路，工质的凝固温度应小于循环中可能达到的最低温度。5) 工质的流动及换热性能。为了减小换热面积和流动阻力，节省投资和降低用于克服流动阻力的耗功，一般尽量选用对流换热系数高、粘度较低的循环工质。6) 价格、成本要求。 循环工质应易于购买，且尽量廉价有机工质按其饱和汽化线在T S 图上的形状不同分为湿流体、干流体与等熵流体三类。满足以上要求的工质有R600a，R236fa，R227ca，R134a等有机物。本文选用湿工质R134a为有机朗肯循环的工质。4 双工质有机朗肯循环系统的设备计算4.1 蒸发器的设计计算4.1.1确定物性数据地热水被泵抽出地下进入蒸发器与低沸点有机工质进行换热，这里取地热水进换热器的温度为100，流量为100t/h，从换热器排出的温度为80。根据已有的资料可知100对应的有机工质R134a的最佳蒸发温度为70，最佳冷凝温度为30。定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程地热水的定性温度为T=（100+80）/2=90管程R134a的定性温度为t=（70+30）/2=50根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。热水在90下的有关物性数据如下：密度 0 = 965 kg/m3定压比热容 cp0 = 4.2 kJ/(kg)热导率 0= 0.68 W/(m)粘度 0 = 31.410-5 PasR134a在60 下的物性数据：密度 i = 1103 kg/m3定压比热容 cpi= 1.58 kJ/(kg)热导率 i = 0.065 W/(m)粘度 0= 0.137610-3 Pas潜热 r=142 kJ/kg（2.11MPa70） r=173 kJ/kg（0.77MPa30）4.1.2 计算热负荷和R134a流量 Q=whcpth (4-1) =1000004.2（100-80） =8.4106 kJ/h=2333.4kW式中：“Q”为蒸发器的总换热量；“wh”为地热水的流量；“cp”为水的等压比热容；“th”为水的温差； Wc=Qcptc+ （4-2）=8.41061.6590-30+104= 41000kg/h“Wc”为R134a的流量；“”为R134a在70的汽化潜热；4.1.3计算平均传热温差(采用逆流)热流体100 80冷流体70 30 tm =50-30ln5030=39.2 （4-3）暂按单壳程、多管程进行计算，则平均传热温差校正系数：R = 100-8070-30 = 0.334 P = 70-30100-30 = 0.857 查图得t = 0.93所以tm = ttm = 0.9339.2 = 36.474.1.4确定总传热系数K并计算传热面积根据两流体的情况，假设K = 450 W/(m2)故传热面积 S=QKtm （4-4）=2333.4100045036.47=142.18m2考虑15%的面积裕度，S = 1.15S = 1.15142.18 = 164( m2)4.1.5换热器结构尺寸设计管径和管内流速选用25mm2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=0.8m/s。管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数。 ns = V4di2ui =41000/(11033600)0.7850.0220.8 42(根) （4-5）按单程管计算，所需的传热管长度为 L = Sdons=1643.140.02542=50m （4-6）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L = 7.0(m)，则该换热器管程数为NP = L/l = 50/7 = 8(管程)传热管总根数N =428 = 336(根)传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a = 1.25do，则a=1.2525a32(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm 则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。图4-1换热器管子排列方式横过管束中心线的管数nc=1.19N=1.19336 = 22(根)壳体内径采用多管程结构，取管板利用率= 0.7，则壳体内径为： D = 1.05aN=1.0532336/0.7= 736.14 mm （4-7）圆整可取D = 800 mm折流板采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25D=0.25800=200mm （4-8）取折流板间距 B=0.3D=0.380=240mm （4-9）折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 =7000/240-1 = 28 (块)4.1.6换热器核算壳程对流传热系数。采用流体外掠圆管公式： Nu0=0.27Ref0.63Prf0.36PrfPrw0.25 （4-10）式中：“Nu0”为努赛尔数；“Ref”为以流体温度为特性温度的雷诺数；“Prf”为以流体温度为特性温度的普朗特数；“Prw”为以管壁温度为特性温度的普朗特数；壳程流体流速及其雷诺数分别为： S=BD-0.025nc=0.06m2 （4-11） u0=100000/(3600965)0.06=0.48m/s （4-12） Re0=deu000=0.0250.489650.000314=336879 （4-13）普兰特准数： Prf=cp=4.21030.0003140.68=1.94 （4-14） Prw=cp=4.181030.0004060.618=2.75 （4-15） Nu0=h0l （4-16） =0.27368790.631.940.361.942.750.25 =236.8W/(m2) h0=149.40.680.025=6440.7W/(m2) （4-17）管程对流传热系数:管内强制对流 Nui=0.023Rei0.8Pri0.4 （4-18）管程流通截面积： Si=4di2NNP=0.013m2 （4-19）管程流体流速及其雷诺数分别为： ui=41000/(36001103)0.013=0.8m/s （4-20） Rei=diuiii=0.020.811030.0001376=123255 （4-21）普兰特准数： Pri=cp=1.651030.00013760.065=3.49 （4-22） Nui=hid=0.023118010.83.490.4=447.8W/(m2) （4-23）式中：“hi”为管内R134a的传热系数；“d”为管子内径；“”为R134a的热导率； hi=447.80.0650.02=1455W/(m2) （4-24）对流传热系数K查表得，污垢热阻Rsi = 0.00025 m2/W，Rso = 0.000528 m2/W在该条件下管壁（碳钢）导热系数= 50W/(m) k=1dohidi+Rsidodi+do2+Rso+1ho （4-25） =10.02514550.02+0.000250.0250.02+0.0025502+0.000528+16440.7 =555W/(m2)式中：“d0”为管子内径；“di”为管子外径；“hi”为管内R134a的传热系数；“h0”为管外地热水的传热系数；“”为管子的传热系数；4.1.7传热面积S S0=QKtm=2333.410355536.47=115m2 （4-26）该换热器的面积裕度为： H=(S-S0)S100%H （4-27） =(164-162)164100% =30%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.2 螺杆膨胀机应用于低温热源发电的研究现状对于螺杆膨胀机的研究最早始于1952年，当时，HRNillsen取得了螺杆膨胀机作为动力机的专利。但此后的二十年内，螺杆膨胀机的研究进展缓慢，发表的文章也不多。直到70年代初能源危机的出现以及地热能、太阳能及工业余热的开发和利用受到注意以后，螺杆机作为一种有效的低焓能源动力利用的动力机，才重新得到重视。螺杆膨胀机作为汽液两相膨胀机的尝试始于1971年，1973年美国水热电力公司的RSprankle获得了螺杆膨胀机用于地热发电的专利。Sprankle用双螺杆膨胀机膨胀湿蒸汽或者恒压热水作为回收功的一种方式，主要回收来自液体或低干度部分的地热盐水的功。两相流体的膨胀又称为“全流过程，因此这种方案又称为全流方案。1971年至1973年，美国水热电力公司将两台螺杆压缩机改造为膨胀机，并分别在加利福尼亚Imperial Valley和墨西哥Cerro Prieto进行了现场实验。20世纪80年代初，在世界能源组织(IEA)的资助下，美国水热电力公司设计、制造了1MW大型螺杆膨胀机发电机组，并分别在新西兰、意大利和墨西哥进行了机组的性能及可靠性实验，膨胀机的最大效率达68。两相螺杆机械除了应用在地热发电厂外，还可以应用于化工厂及用于空调和热泵系统的大型蒸汽压缩设备的节流过程，来代替节流阀，通过利用径流透平和螺杆膨胀机回收功可以达到更高的效率。但国外的实践表明，这些方案共同的特点是，膨胀效率仍然较低。据有关文献报道，径流式透平的绝热效率是67，而全流螺杆膨胀机的效率几乎不到50，这也是阻碍两相膨胀机应用发展的一个主要因素。经过多年研究，目前的螺杆膨胀机可以在每级固定容积比3：1下，获得较大的膨胀比。这样就允许在体积相当小的机械中有较高的质量流速，因此减小了泄漏损失。在正确设计下，小机器可以达到70-75的绝热效率，在大机械中，如果提供合适的工质，如制冷剂、轻的烃化合物，还可以增加到80。从技术实用性及设备运行方面分析比较，采用螺杆膨胀机驱动发电机发电，技术特点鲜明、并有同类型汽轮机发电不可比拟的优越性，如图1-6螺杆膨胀动力发电机组示意图。与小型汽轮机相比，螺杆膨胀机发电的特点哑嗡1为：1)螺杆膨胀机除适用于汽液两相、热水和饱和蒸汽外，也适用于过热蒸汽。2)螺杆机结构简单，主要部件仅两根螺杆和外壳，安装维修容易。3)机组转速可调，一般可按被驱动机械的转速设计，直接驱动，不需要减速器，运转平稳，振动小，噪声低。4)螺杆膨胀机为容积式工作原理动力机，机内流速低，除泄漏损失外，很少有其它损失，机组效率较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。5)螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维护费用低，安全可靠性高。6)螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖动风机、水泵或压缩机，当带动发电机发电时能承受较大的冲击负荷。7)螺杆机对于工业锅炉蒸汽或工厂热水品质要求不高，因为螺杆与螺杆、螺杆与机壳的相对运行是具有除垢自洁能力的，而未能除去的剩余污垢可起到减少间隙的作用，减少了泄漏损失，提高了机组效率。8)螺杆膨胀机是小型汽轮机的替代产品，可广泛用于工业余热余压动力回收及作为地热太阳能等新能源动力机。9)螺杆机采用新型微机调速控制装置，机组起动及带负荷操作很简单，正常运行可以实现全自动无人管理。本文用螺杆机代替传统的汽轮机，取螺杆机的效率为75。4.3 冷凝器的设计计算4.3.1确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程冷却水的定性温度为T=（20+25）/2=22.5管程R134a的定性温度为t=30根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。冷却水在22.5下的有关物性数据如下：密度 o = 998 kg/m3定压比热容 cpo = 4.18 kJ/(kg)热导率 o = 0.59 W/(m)粘度 o = 1.010-3 PasR134a在30 下的物性数据：密度 i = 1187.2 kg/m3定压比热容 cpi = 1.447kJ/(kg)热导率 i = 0.0796 W/(m)粘度 i = 0.14210-3 Pas4.3.2 计算热负荷和冷却水流量 Q=wc=41000173=7093000 kJ/h （4-28） Wc=Qcpct=70930004.1825-20=339378 kg/h （4-29）4.3.3 计算平均传热温差(采用逆流)tm =30-22.5=7.5（4-30）4.3.4 确定总传热系数K并计算传热面积根据两流体的情况，假设K = 450 W/(m2)故传热面积 S=QKtm=197010004507.5=584m2 （4-31）考虑15%的面积裕度，S = 1.15 S = 1.15584= 671m24.3.5换热器结构尺寸设计1、管径和管内流速选用25mm2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=0.8m/s。2、管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数。 ns=V4di2ui=41000/(11873600)0.7850.0220.8=39 根 （4-32）按单程管计算，所需的传热管长度为 L= Sdons=6713.140.025739=219m （4-33）按单管程设计，传热管过长，宜采用双壳程多管程结构。现取传热管长L = 10.0(m)，则该换热器管程数为NP = L/l = 219/10.0 = 22(管程)传热管总根数N = 3922= 858(根)传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距a = 1.25do则a = 1.252532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离=a/2+6=32/2+6=22mm 则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。横过管束中心线的管数 nc=1.19N=1.19858=35根 （4-34）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率= 0.7，则壳体内径为： D=1.05N/=1.0532858/0.7=1176mm （4-35） 圆整可取D = 1200 mm折流板采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25D=0.251200=300mm （4-36）取折流板间距 B=0.3D=0.31200=360mm （4-37）折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 =10000/360-1 = 26 (块)4.3.6 热量核算1）壳程对流传热系数。采用流体外掠圆管束公式： Nu0=0.27Ref0.63Prf0.36PrfPrw0.25 （4-38）式中：Ref是按流体的平均温度确定的雷诺数；Prf是按流体的平均温度确定的普朗特数；Prw是按管壁的平均温度确定的普朗特数。壳程流体流速及其雷诺数分别为： S=BD-0.025nc （4-39）=0.361.2-350.025=0.117m2 u0=339378/(3600998)0.117=0.8 m/s （4-40） Re0=deu000=0.0250.89980.001=19960 （4-41）普兰特数： Prf=cp=4.181030.0010.59=7.1 （4-42）校正 PrfPrw0.25 1 Nu0=h0d=0.27199600.637.10.361 （4-43） =276.37W/(m2)式中：“h0”为地热水的传热系数；“d”为管壁外径；“”为管壁的传热系数；h0=276.370.590.025=6522.4W/(m2)2）管程对流传热系数:管内膜状凝结 hi=0.729gl3l2ldts-tw0.25 （4-44） =0.7291730009.80.079631187.220.14210-30.0230-250.25 =1247.9 W/(m2) 式中：是饱和温度下的相变热，kj/kg； g是当地重力加速度，m/s2； 是R134a在30下的导热率，W/(m)； l是R134a在30下的液体密度，kg/m3； l是R134a在30下的运动粘度，Pas； d是水平管直径，m； ts是R134a的冷凝温度，； tw是管壁温度，；3）对流传热系数K查表得，污垢热阻Rsi = 0.00025 m2/W，Rso = 0.000528 m2/W在该条件下管壁（碳钢）导热系数= 50W/(m) K=1dohidi+Rsidodi+do2+Rso+1ho （4-45） =10.0251247.90.02+0.000250.0250.02+0.0025502+0.000528+16522.4 =505W/(m2)式中：d0为管外径，m； di为管内径，m； hi为管内流体的传热系数，W/(m2)； h0为管外流体的传热系数，W/(m2)； 为管壁的传热系数，W/(m2)。4.3.7 传热面积S S0=QKtm=19701035057.5=520 m2 （4-46）该换热器的面积裕度为：H=（S-S0）S100% （4-47） =(671-520)67110% =22.5%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务5 双工质循环系统进行热力计算分析由系统的设计参数可知，R134a的蒸发温度为70，冷凝温度为30，查R134a的热物理性质可得以下参数。h3=278.1 kJ/kg s3=0.89 kJ/kgKh4=364.2 kJ/kg s4=0.908 kJ/kgKh5=90.8 kJ/kg s5=0.337 kJ/kgKm=11.39 kg/s 5.1 对蒸发器部分进行热力计算状态点2-3，为等压加热过程。Qin为输入系统的热量，即工质在蒸发器中的焓变，Iin为蒸发器中的不可逆损失，计算公式如下： Qin=m（h3-h2） （5-1） Iin=mTambs3-s2-h3-h2TH （5-2）式中：TH为高温热源平均温度，K；h2,h3分别为工质在蒸发器入口和出