低品位能源发电

1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要近年来，由于能源利用效率低困扰着我国经济和社会发展，节能问题越来越受到社会各界的重视，同时各种节能新技术新设备大量涌现出来。低品位能源的有机工质双循环螺杆膨胀机余热回收发电技术就是一种新型的能量回收技术。通过理论分析计算和实验验证，对有机工质双循环螺杆膨胀机系统进行研究。首先根据工程热力学基本原理，分析了系统的基本运行原理，提出了系统运行可采用的两种方式:蒸汽动力循环和汽液两相循环方式；说明了确定系统各主要参数（包括换热器和冷凝器的温度压力参数、热负荷及系统冷却水量、发电功率等）的方法以及系统冷却方案的选择。最后，进行有机工质双循环螺杆膨胀机系统的实验初步设计

2、。在设计过程中，进行实验设备的初步选型，了解主要实验设备的型号和技术参数，简单说明螺杆膨胀机性能的测试方法，为将来实际操作过程积累经验。通过对这种新型低品位能源回收技术的研究，已经说明了它在技术和经济上都是可行的。有机工质双循环螺杆膨胀机余热回收发电技术的研究成果，不仅为将来系统的实验研究提供了理论基础，考虑到中国的实际国情，它为提高我国的能源利用效率提出了一种新的解决方法，在工程应用上有重要意义。关键词：循环；螺杆膨胀机；有机工质ABSTRACTIn recent years, because low energy usage persecutes the development of ec

3、onomy and society, people attach important to energy conservation problem more and more, and many new technology and equipment appear. The organic working fluids bicirculating screw expander power generation technology of surplus heat recovery is just a new energy recovery technology.Organic working

4、 fluids bicirculating screw expander system is researched by theoretical analysis and computer simulation. Firstly, based on the basic principles of engineering thermodynamics, the basic operation principles of this system is analysed, two adoptable ways of system operation are put forward: vapour p

5、ower cycle way and vapour-liquid two-phase cycle way; then the method to determine the main parameters (included temperature, pressure and heating load of evaporator and condenser, cooling water mass, electric power and so on) and the choice of system cooling program are illustrated. After that, The

6、 preliminary design experiments are done for Organic working fluids bicirculating screw expander system. In the design process，we have a simple selection about Experimental equipments and get to know Experimental equipment type and technical parameters. It is necessary for specifying the test method

7、s of screw expander.By the research on this new surplus heat recovery technology, the thesis has approved its feasibility in both technical and economical. Its research conclusions not only supply the theoretical basis for the future experimental research, considered the situation of our country, it

8、 puts forward a new settlement to increase energy useage, and so has an important meating in engineering application.Keywords: Cycle；Screw；expander；Organic；workingIV目 录第一章 绪论11.1 螺杆膨胀机11.2 螺杆膨胀机技术国内外发展概况及现状21.3 螺杆膨胀机余热回收发电技术特点及应用领域简介31.4 问题的提出61.5 课题主要研究内容7第二章 有机工质双循环螺杆机系统原理82.1 有机工质双循环螺杆机系统组成及特点82.

9、2 有机工质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环92.3 确定系统各主要参数的方法102.3.1 确定冷凝器的温度压力参数112.3.2 确定换热器的温度压力参数122.3.3 确定系统其余参数142.4 计算实例16第三章 实验系统初步设计223.1 实验系统概述223.1.1 实验系统介绍223.1.2 实验方法223.1.3 实验目的233.2 实验测量系统233.3 实验测试方法26第四章 系统的循环工质选择要求及经济和环保效益284.1 低沸点工质的重要性284.1.1 低沸点工质介绍284.1.2 系统对低沸点工质的基本要求284.2 效益分析294.2.1 经济效益294.2.

10、2 环保效益30结 论32致 谢33参考文献34附录1 水及一些常见低沸点工质的特性参数35附录2 R113工质的热物性参数表36兰州交通大学毕业设计（论文）第一章 绪论 当今，节能问题越来越受到社会各界的关注，我国节能工作的总要求是：落实节约资源的基本国策，加快结构调整，推进技术进步，加强法制建设，深化体制改革，强化宣传教育，调动市场主体节约资源的积极性，逐步形成节约型的增长方式和消费模式，实现经济社会可持续发展。在宏观调控下，随着技术的进步，各种节能新技术设备从各个技术门类中纷呈涌现出来。 现有的将热能转换成机械能或者电能的动力机。主要由燃烧油、气的燃烧动力机（汽油机、柴油机和燃气轮机）和

11、利用蒸汽冲转的汽轮机。低品位能源一般都以蒸汽、汽水混合物、热水等形式存在，或者其它形态通过换热器转换成这种形态存在，因而回收低品位能源的设备主要以汽轮机为主。根据汽轮机的技术特点。它只能适用于过热蒸汽。干净蒸汽而且蒸汽流量和参数相对稳定的热源情况。设备要求的人员技术水平和维护条件都很高。这种技术特点使得汽轮机大多适合于带基本负荷的发电企业，无法应用在现有工业大量低品位余热废热的回收利用中。为解决这个技术难题，全世界许多能源工作者付出大量心血，积极开发新型的低品位热能动力机。希望不仅能回收各种复杂的低品位浪费的热能，而且效率高、安全可靠，容易施工和运行操作，在许多能源技术相对薄弱的用户企业也可以

12、应用推广的热能动力机。 螺杆膨胀动力机就是这样一种低品位热能动力机，它能够回收低品位热能并直接转换成热能，是一种在当前能源利用领域重大突破性的新型动力机。1.1 螺杆膨胀机 螺杆膨胀机是一种按容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它没有活塞式机械那样的气阀、活塞等滑动部件，因而可进行高速运转，气流速度比普通容积式机械大的多。它不但具有螺杆压缩机的转速高、工艺性良好和无磨损、无不平衡的质量力等特点，而且可应用现有的螺杆压缩机的生产技术来进行生产。螺杆膨胀机的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对阴阳转子、外壳、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，结构简单，其外壳呈两圆相交的“”字形

13、，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于外壳中。图1-1 螺杆膨胀机结构图和内部转子示意图螺杆膨胀机的工作周期是由齿间容积中的吸气、膨胀和排气三个过程组成的。吸气过程中，工作介质直接从纵向或轴向进入机内螺杆齿槽A，吸入终了时，吸气口关闭，这时齿间容积就形成了一个有转子和机壳共同围成的密闭空间，吸入的介质在此空间膨胀并产生一个转矩。齿槽A随介质的膨胀向排气端移动到B、C、D，当啮合点到达排气端，膨胀过程结束，这时螺杆齿间容积最大。当膨胀过程结束的同时，吸气端的又一个啮合开始，新的啮合点又开始向排气端移动。排气过程开始，齿间容积减少到转子的转角相一致的位置时的大小，介质最后从

14、齿槽E排出。随着转子的转动，不断循环重复，实现气体的吸气、膨胀、排气三个连续不断的过程。这就是螺杆膨胀机的工作原。从膨胀始点到终点，随着膨胀过程的进行，其压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，气体内能转换为机械能对外做功。1.2 螺杆膨胀机技术国内外发展概况及现状2 对于螺杆膨胀机的研究最早始于1952年，当时，H. R. Nillsen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

15、相膨胀机的尝试始于1971年，1973年美国水热力公司的R. Sprankle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ImperialValley和墨西哥CerroPriero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

16、了机组的性能及可靠性实验，膨胀机的最大效率达。 1983年，日本学者Tatuhi Kanneko等人对空气螺杆膨胀机进行了理论分析，利用理想膨胀机的示功图导出来理想螺杆机的效率和功率表达式，并在螺杆机上打孔，安装动态压力测量系统，得到实际螺杆膨胀机的示功图，将螺杆膨胀机的研究引向对机内过程的实验研究和理论分析相结合的阶段。 两相螺杆膨胀机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，径流透平的绝热效率是67%

17、，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%。当水作为工质的时候，相同的容积比下绝热效率降低。如果提高容积比，又会要求机械体积较大，从而泄漏损失增加。这就是以水为工质的螺杆膨胀机效果差的原因。 我国对全流螺杆膨胀机的研究始于20世纪80年。当时，天津大学热能研究所开展了螺杆膨胀机全流

18、系统的研究。1987年，我国第一台汽液两相地热发电螺杆膨胀机小型试验装置在天津大学热能研究所研制成功（功率为5kW），此后，天津大学继续对螺杆膨胀机性能、调节方法、设计、加工及组装技术进行了系统的理论和试验研。九十年代初，在前期研究基础上，进行了相当于400kW机型的汽液两相螺杆膨胀机工业性试验研究并获得成功，通过国家级专家鉴定验收。该试验系统连续运行500小时，螺杆膨胀机、调速系统及配套装备运转正常。发电质量达到并网要求。螺杆膨胀机内效率达到70%，整个装置全部国产化。目前，这种螺杆膨胀机机型的应用示范工作正在加紧进。1.3 螺杆膨胀机余热回收发电技术特点及应用领域简介 螺杆机由一对阴、阳转

19、子和机壳组成，高压工作流体进入工作齿槽推动转子做功，同时容积增加，流体降压膨胀做功，功率由主轴阳转子输出带动发电机发电，做功后的低压流体流出螺杆。 从技术实用性及设备运行方面分析比较，采用螺杆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。 与小型汽轮机相比，螺杆膨胀机发电的特为：（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。图12 螺杆膨胀动力发电机组示意图（4）螺杆膨胀机为容积式工作原理

20、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。（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，维修费用低，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）

21、螺杆机采用新型微机调速控制装置，机组启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。 由于我国能源结构的特点，能源没有充分达到梯级利用，所以该项技术适合我国国情；又由于我国能源利用率较低，含热资源量大而广，这为利用螺杆膨胀机进行余热回收发电提供了广阔空。（1）我国现有锅炉约50万台，其中相当部分610t/h锅炉的额定蒸汽压力为1.3MPa，由于生产工艺方面的原因，需降压运行、减温减压使用，造成大量浪费。（2）随着工业的发展及人民生活水平的不断提高，城市集中供热普及率也将不断提高，供热站一般都有部分余压可以利用，而且热源条件也不错，利用螺杆机进行发电，其节能效益、社会效益、环保效益将十分

22、显著。（3）大量的工业窑炉消耗了大量能源。如水泥行业，由于生产工艺落后，企业平均熟料能耗是国外先进水平的2倍以上，窑炉排出的废气温度在300400左右，余热回收率仅为2%，是发电项目应用的一个巨大的潜在市场，提高余热利用率对企业节能有重要意义。（4）钢铁厂的高炉冲渣热水及高炉煤气这部分余热的回收发电也具有巨大的市场潜力。图1-3 螺杆膨胀机在钢铁行业应用（5）其它如大型柴油机废气，石油化工行业及新能源利用都是该技术发挥其技术优势的重要市场。图1-4 螺杆膨胀机在石油化工行业应用 以上列举的各项，虽然反应出我国能源利用率低，浪费大量余热的情况，说明了我国加强节能工作的重要性和紧迫性，但也同时体现

23、了螺杆膨胀机余热回收发电的应用前景。1.4 问题的提出 在上节中，可以看出利用螺杆膨胀机进行余热的回收发电在技术上是完全可行的，并且有很广阔的市场空间。但在实际的应用中，针对具体情况，系统需要相应的进行一些改变。单循环系统（即将含热流体直接引入螺杆膨胀机利用的系统方式）更适用于高温高压流体的能力回收，而与之相对应的双循环系统（即低沸点有机工质与含热流体进行换热后在引入螺杆膨胀机利用的系统方式）对含热流体的水质的好坏以及流体的温度和压力都没有太高的要求，甚至六七十度的低温热水，也可以通过双循环的系统方式发。而这种温度范围的工业余热在全国是很普遍的，将这部分能量回收起来，将会产生巨大的经济效益，并

24、为提高我国的能源利用率做出巨大贡献。 由于国外，特别是发达国家的工业能源利用效率较高，并不像国内有如此巨大的工业余热资源，所以目前似乎并没有进行有机工质双循环螺杆机系统的研究，无法检索到关于这方面的文章。国内在70年代设计了一些地下热水的“中间介质法”的双循环汽轮机发电的地热电，如河北怀来地区的地热试验电站、江西宜春县温汤地热试验电站等，运行情况良好，达到而来设计要求，但后来都没有持续下去。 目前，有机工质双循环螺杆膨胀机还处于理论研究阶段，国内并没有实际投入运行的工业系统，考虑到中国的实际国情，对有机工质双循环螺杆膨胀机系统的研究是很有意义的，将会为未来的实际系统试验打下良好的基础。1.5

25、课题主要研究内容 本课题以工程热力学、传热学基本理论为基础，对有机工质双循环螺杆膨胀机系统这种新型的余热回收技术进行了研究。 根据设计、计算、选型等有关资料，整理出毕业设计论文，主要内容如下：1 研究有机工质双循环螺杆膨胀机系统的运行原理，以及确定系统各主要参数的方法；2 通过计算，完成实验台初步选型，确定实验设备的技术参数；3 系统的经济、环保效益分析。第二章 有机工质双循环螺杆机系统原理2.1 有机工质双循环螺杆机系统组成及特点 如绪论所述，有机工质双循环螺杆机系统是一种含热流体与低沸点工质换热，再将低沸点工质引入螺杆膨胀机进行能量回收的系统方式。整个系统主要是由换热器、螺杆机、冷凝器、工

26、质泵等设备和和一些管道组成。 含热废水（汽）在经过一定的杂质处理过程后，进入换热器加热有机工质，使工质温度升高，到达饱和温度，生成饱和汽或汽液两相。从换热器排出的工质（饱和汽或汽液两相）进入螺杆膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电。做功后的汽液混合物从螺杆机排出进入冷凝器，将其中的蒸汽冷凝，最后再经工质泵返回换热器（见图2-1）。这种有机工质发电循环系统，具有回收余热量大、设备紧凑、发电效率高等特点。图2-1 有机工质双循环螺杆机系统示意图此外，这种系统：首先，低沸点物质在这个闭合回路中循环，工质运行时起“介质”的作用，只要管道和设备严密不漏，低沸点物质并不消耗；其次，低沸点物质在循环中和含热流体、

27、冷却水都不是直接接触的，而是隔着管壁传递热量，因此，除了排出的含热流体温度降低了一些，冷却水温度升高了一些外，这两部分在品质上都没有任何变化，仍然可以用作其它生产，生活用途。 根据换热器出口状态的不同，有机工质双循环螺杆膨胀机系统又分成有机工质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环两种循环方式。2.2 有机工质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环 当换热器出口为饱和蒸汽或过热蒸汽时，采用有机工质蒸汽动力循环方式，见图2-2（1-2s-3-4-1）。从T-S图上，可以看出这就是一个理想的朗肯循环13。图2-2 有机工质蒸汽动力循环图 螺杆机中的膨胀过程12s：可逆绝热过程，即定熵过程。应用开口

28、系统能量方程，过程中工质对外做功。 冷凝器中的放热过程2s3：定压过程。过程中工质放热 工质泵中的压缩过程34：定熵过程。过程中工质接收外功 换热器中的吸热过程41：定压过程。过程中工质吸热 由于工质的不可压缩性（或压缩过程中比体积变化很小），故泵功常可按下式近似计算： 在通常的朗肯循环中，例如最简单的水蒸汽动力循环中（由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成），由于泵耗远小于汽轮机做功，所以在近似计算中常常忽略泵功不计。但在有机工质双循环螺杆机系统中，由于工质的饱和压力和流量的缘故，工质泵耗功相对于螺杆机做功并不是可轻易忽略的，这在计算系统发电能力时尤为重要。 所以循环的热效率为 如果考虑螺杆机内的

29、各种不可逆损失，即蒸汽在螺杆机中如图22所示有状态1不可逆绝热膨胀至状态2，则螺杆机的实际作功量将小于理想情况下的作功量，即螺杆机的相对内效率目前由国内外实验测得的螺杆膨胀动力机的相对内效率在65%75%之间。当换热器出口为湿蒸汽时，采用有机工质汽液两相动力循环方式，见图23。图2-3 有机工质汽液两相动力循环图 从图2-3可以看出汽液两相动力循环与蒸汽动力循环在循环方式上大体上是一样的，只是换热器出口是湿蒸汽，螺杆膨胀机的做功膨胀过程处于汽液两相区内。 同样考虑螺杆机内的各种不可逆损失，即湿蒸汽在螺杆机中如图2-3所示由状态1不可逆绝热膨胀至状态2。2.3 确定系统各主要参数的方法 换热器中

30、进行液体工质汽化成蒸汽的过程，冷凝器中进行蒸汽凝结成液体的过程。当饱和液体在换热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的关系。所以，只要确定了换热器的温度就能确定换热器中的压力，确定了凝结温度就能确定冷凝器中的压力。2.3.1 确定冷凝器的温度压力参数 先来讨论如何根据冷却水温度确定冷凝器的压力。蒸汽在凝结时放热给冷却水，冷却水因被加热而温度由升高到。热量在传递时是需要有温度差的，即蒸汽的凝结温度总是要比冷却水的最高温度（出口时的温度）高一些。当一种流体在有相变的情况下传热时，是没有顺、逆流的区别。这样，凝结温度和冷却水的温度之间一定有如下的关系（见图2-4）：图2

31、-4 冷凝器中传热示意图 , （2-1）式中， 冷却水温升，。冷却水的温升大一些，需要的冷却水量可以减少，冷却水泵的电能消耗也可以小一些。但是，凝结温度就较高了，这样，冷凝器中压力也较高，将使螺杆机进出口的压力差减小，因而发电量也将减少。所以冷却水的温升需要选择恰当合理，通常可选510，必要时要进行方案比较。 工质冷凝器出口端和冷却水之间的传热温差。选择小些，可以使凝结温度低些，增加发电量，但是冷凝器的传热面积就需要大些，通常选择37。 冷却水的进口温度是已知的，合理选择了冷却水的温升和温差后，就可以根据式（2-1）确定蒸汽的凝结温度，从而确定冷凝器中的压力。冷凝器的压力确定后，就很容易确定计

32、算所必须知道的点3和点4的状态：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，（是压力下饱和液体的焓，可由热力性质表中查得）。工质泵出口不忽略泵功。冷凝器应当能不断地将螺杆机排出的乏汽全部凝结成液体。2.3.2 确定换热器的温度压力参数再来讨论换热器压力如何确定。由传热学设计的相关知可知：换热器中，逆流时，冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度，而在顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，因而在逆流时，热流体或冷流体的温度变化值可以比较大，从而有可能使流体消耗量减少；同时，在流体的进出口温度相同的条件下，以逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此在逆流时可减少所需的传热面，

33、或者在传热面相同时，可传递较多的热量。综合以上考虑，在换热器中采用逆流方式（见图25）。图2-5 换热器传热示意图在换热器中，工质既有相变又有单相对流换热，传热温差的变化要比冷凝器中复杂一些。合理情况下，换热器最小传热温差，通常选择为37。若热水量较充裕，为减少换热器传热面积，传热温差可取得较大些。热水的入口温度和工质的换热器入口温度是已知的，只要确定了蒸发温度，查相应的数据图表，马上就能确定换热器中压力，同时由流量计算和能量平衡原理可以很容易得出热水出口温度：首先通过汽化段热平衡计算单吨热水产生的工质的质量流量， （2-2）式中，c热水的比热容 换热器出口工质焓。对蒸汽动力循环，是温度下的饱

34、和蒸汽焓；对汽液两相动力循环，是温度下某干度的湿蒸汽焓。 温度下的饱和液焓再根据液体加热段热平衡计算热水出口温度。对于蒸发温度，在冷凝器压力确定之后，换热器的蒸发温度的高低会给能量转换过程引起两方面的影响。一方面，如果蒸发温度选得高，螺杆机进汽和排汽的压差大，工质在螺杆机中的理想焓降可以较大；另一方面，蒸发温度选得高，由计算工质流量的（2-2）式，可以看出（）也要相应提高，（）值减少，即热水的能量利用程度降低，每吨热水能够产生的工质质量流量d减少。从这方两面看，蒸发温度的高低对（）乘积的大小影响很大，影响了热水的发电效果，并最终影响整个系统的经济性，因为乘积（）就是每吨热水理论上可能转变为机械

35、能（或电能）的热能数量。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”17。从前面的分析可以得出结论，最佳蒸发温度的高低主要决定于热水温度和冷凝器中的冷凝温度。最佳蒸发温度可以根据试算法确定。假定不同的蒸发温度，计算各种蒸发温度时的d、和乘积（），乘积（）为最大值时对应的蒸发温度即为最佳蒸发温度。但这种算法具有一定的盲目性，并且计算速度较慢。假设冷却水25进，30出的实际情况，根据换热器末端温差大于5的设计要求，冷凝温度设为35。这样在相同蒸发温度下，工质膨胀做功最多。蒸发温度及干度采用试算法：对由温度范围（3877，步长1）、干度范围（0.011，步长

36、0.01）的所有点进行计算，比较得出做功最大的点。试算过程（对应图2-2各点）：例 ：1）以65，干度0.5为1点，废水流量1t/h； 2）由等熵过程得2s； 3）由膨胀效率得2； （比较1点与2点比容是否满足膨胀比要求）： 4）由1点与2点确定每吨工质做功量； 5）在换热器中，热水蒸发段温降为8565（66、67）； 6）由1），5）确定工质流量； 7）扣除各种泵耗，由4），6）得每吨热水的做功量。通过试算，确定同时满足螺杆膨胀机和换热器工艺要求的蒸发温度及干度，根据要求发电量，反算所需工质流量，热水流量及扣除各种泵耗后所得净功。本论文通过实验台计算机已编制好程序来优选特定工质，特定热水入口

37、条件下的最佳蒸发温度。考虑到管道输送损失等原因，实际换热器的蒸发温度可以选择比最佳蒸发温度适当偏高几度（如23）。由于冷却水的温度在一年四季的变化对于发电的影响是相当大的，因此不仅设计时需要考虑最佳蒸发温度，而且系统在运行中也要注意根据不同的季节条件确定合理的冷凝压力和换热器压力。2.3.3 确定系统其余参数（1） 冷凝器热负荷冷凝器应当能不断地将螺杆机排出的乏汽全部凝结成液体。因此当热水流量为每小时一吨时的冷凝器热负荷可按下式计算：，式中为每千克工质冷凝成液体所放出的热量，其中应是螺杆机排汽的实际焓，可用下式计算：，螺杆机设计制造不良时，相对内效率低，能量转换过程不完善，将直接影响发电量，并

38、增大冷却水带走的热量。（2） 冷却水量冷却水的计算可采取如下形式：，（3） 换热器热负荷换热器的热负荷应能完成需要传递的热量。当热水流量为每小时一吨时的换热器热负荷可用下式计算：,或 ，（4）1吨/小时热水发电量 确定了热力系统中各计算点的工质状态后，就可以计算理想焓降和工质流量d，并由下式计算每小时每吨热水的发电量： ，式中，（）吨/小时热水对应的工质流量理论上在螺杆机中所能产生的机械功率 螺杆机的相对内效率。考虑实际螺杆机中能量转换过程的损失（）乘以螺杆机的相对内效率后就得到螺杆机轴上实际所产生的功率 机械效率。考虑轴承、传动等的功率损失及带动某些附加机构的功率消耗。（）再乘以机械效率后就

39、得到螺杆机轴端可传给发电机的有效功率 发电机效率。考虑机械能转换为电能过程中的发电机损失，扣除此项损失后即为发电机发出的电功率（4） 系统的总发电效率在介绍了一些主要参数之后，再来看看系统总的能量转换情况。为此，用图2-6把整个过程中的能量分配情况表示出来。图中是以一吨/小时热水在换热器中能提供的热量，为基数的。图中为热能转换为机械能的理论热效率，按下式计算：图2-6 能流图如果我们用发电量和热水在换热器中所提供的热量的比值作为系统的总的发电效率，则可以得出系统总发电效率的计算式如下：即系统总的发电效率是一系列效率数值的乘积。2.4 计算实例 （1） 热源为90热水，选用R113作为循环工质，

40、冷却介质为25水。1） 确定换热器的参数假定蒸发温度：换热器最小传热温差（窄点温度）： 取：5（37）热水入口温度：=90工质在换热器入口温度：=35通过查阅热物理性质参数表：换热器内压力：=173.584 蒸发温度下饱和蒸汽焓：=398.681蒸发温度下饱和液焓：=260.0892） 确定冷凝器参数冷却水温升： 取：5（510）凝结温度，出口温升： 取：5（37）冷却水进口温度：=25冷凝温度：=25+5+5=35通过查阅热物理性质参数表：冷凝器内压力：=65.095 压力下饱和液体焓值：=231.767 压力下工质比体积：=0.000649608热力系统计算时通常认为蒸汽在冷凝器中冷凝成饱

41、和液体：泵消耗的功：= = 工质入口焓： 3）确定其余参数假设废水流量为1，产生工质流量为d 通过汽化段热平衡计算单吨热水产生的工质的质量流量： = 根据液体加热段热平衡计算热水出口温度：=65.7 求理想焓降： 由定熵过程 理想螺杆机出口焓值： =166.096 4）求系统发电量、效率及热负荷 发电量： =1.55 蒸发器热负荷： 冷凝器热负荷： kJ 冷却水量： 系统效率： 计算结果表明，与一般火电厂相比较，有机工质双循环螺杆膨胀机系统的热能利用程度是很低的（火力发电厂的总效率一般在3040%左右）。但用总效率来比较两类系统的热经济性是不恰当的。因为有机工质双循环螺杆膨胀机系统所利用的热源

42、温度不高，一般在100一下，而且排出温度（即离开蒸发器时的热水温度）又不能太低。对燃用燃料的火电厂，由于热源（锅炉）温度可以达到千度以上，而且电厂容量有很大，有条件提高蒸汽的初温、初压及实现比较理想的循环方式，从而可获得较高的热效率。另外煤、石油燃烧时所释放出来的是高品位热能，工厂等排出的含热废液（汽）是低品位热能，同样是1的热量，在可用能上是不同的，所以两者不能简单地相比较18。现在的问题是，如何更有效的利用现有热源，努力提高系统的发电量，使系统的热效率最大限度地接近理想情况。所谓的理想情况就是，假设系统的全部设备如螺杆发电机组等设计制造十分完善，电效率；热力循环和其他加热设备也很理想，即没

43、有任何形式的热损失；热水温度又可以由热水进口初温一直冷却到环境冷源（指当地的自然环境如空气、水源）温度。在这种情况下，系统的理想热效率，根据热力学第二定律可以写成下列表达式：式中，为中未转变成电能而散失到环境中去的热量。由工程热力学理论可知，就是热水从一直冷却到环境冷源温度的可用能损失又因为所以系统的理想热效率又可以表示成下列数学关系式： （2-3）在理想情况下1吨/小时热水的最大发电量为：， （2-4）取环境冷源温度为，按式（2-3）、（2-4）计算不同热水温度下的和，可得到如下数据（表2-1）：表2-1 理论最高效率和最大发电量热水温度（） 60 70 80 90 100（%） 5.45

44、6.87 8.23 9.54 10.80（） 2.22 3.60 5.26 7.21 9.42表2-1所列计算结果表明，当热水初温为90时，=9.54%，。与上面实际计算的数例相比较，可以看到，由于实际设备不完善和热力循环不理想等原因，系统的总效率只有3.6%，每吨热水发电量只有1.55。分别仅为最大极限值的三分之一和五分之一。虽然理想情况的假设中有些是不可能实现的，但应该说在提高系统的热经济性方面还有很大潜力。（2）热源为85热水，选用R245fa作为循环工质，要求发电量300，换热器入口状态：，。计算过程：螺杆膨胀比 螺杆机焓降 如果螺杆机实际发电功率为300 kW，则理论发电功率（取发电

45、效率）： 所需工质质量流量： 工质体积流量： 工质螺杆机入口体积流量： 工质泵耗功（效率）： m换热器内换热量： 低温热水废水质量流量： 低温废水体积流量： 换热器出口温度： 冷却水泵功率（扬程米，效率）： 冷却水质量流量（取冷却水温升为7）： 冷却水体积流量： 冷却水泵功率（扬程米，效率）： 净发电量：第三章 实验系统初步设计3.1 实验系统概述3.1.1 实验系统介绍为了进一步对螺杆膨胀机的基本性能进行初步的探索性研究，设计如图所示的实验流程图，在实验室条件下考虑到热源的来源及经济效益，实验过程中采用热水为热源。图3-1 螺杆膨胀机性能测试实验流程图有机工质双循环螺杆膨胀机基本性能研究实验

46、流程如图3-1。热水通过水泵1不断的向换热器提供热量，同时在工质泵的带动下，工质不断的从换热器获得热量，达到蒸发温度，以一定的流量进入螺杆膨胀机做功，做完功的工质由出口管路进入冷凝器，完全冷凝成液体。螺杆膨胀机输出的轴功则通过扭矩传感器测出，同时以水阻为负载将轴功消耗掉，水阻的阻值有两种改变方式：一是温度改变阻值大小，在通电过程中，由于液体内部电解液随着温度的升高，电解液分子活动加剧，使电阻值逐渐减小；二是在装置内增加极板升降电机，匀速改变输入输出极板之间的距离，改变电阻值的大小。在螺杆膨胀机的进出口都布置了测试点，用来监测螺杆膨胀机进出口的压力、温度变化以及流量的变化。3.1.2 实验方法本

47、实验通过对流量、压力、温度、转速和扭矩等参数的测量，初步测试了螺杆膨胀机的功率特性、负荷特性以及温度变化等基本特性。螺杆膨胀机的功率特性实验是为了评定动力机在全负荷下的动力、经济等性能。实验时，打开阀门，并使其处于最大开度，在螺杆膨胀机工作转速内，顺序地改变转速进行测量，并尽可能地多测几个点。螺杆膨胀机的负荷特性实验是为了在规定转速下，评定动力机部分负荷的经济性（通常在50%80%的额定转速下进行测试）。实验时，保持膨胀机的转速不变，从小负荷开始，逐渐开大入口阀门进行测量，直至阀门开度最大，多测几个点。每组实验均记录下螺杆膨胀机进、出口温度的变化，分析其温度变化特性（其中着重考虑1500和30

48、00时温降特性，以便降温时输出轴功拖动发电机发电）。3.1.3 实验目的本实验通过对温度、压力、功率等参数的测量初步了解螺杆膨胀机的一些基本性能，了解其实际运行状况。通过测试获得的数据，绘出螺杆膨胀机的一些基本性能曲线，就可以对螺杆膨胀机在有机工质朗肯循环中的应用提供指导，对整个有机工质朗肯循环实验台相关计算提供必要的数据支持。通过对螺杆膨胀机运行曲线的测定，提出对膨胀机控制的看法。同时，通过实测数据和主要设计参数的对比，判断其实际性能，以便为螺杆膨胀机的进一步改进提供数据支持。3.2 实验测量系统为了准确测量有机工质双循环螺杆膨胀机实验系统的运行特性和螺杆膨胀机的基本性能，在实验中，主要的测

49、量参数有：螺杆膨胀机的进出口的温度，螺杆膨胀机的进出口的压力，进入膨胀机的工质流量，膨胀机输出的轴功。根据这些要求分别选择相应的测试装置来进行测量。图3-2 Agilent数据采集仪(1)数据采集系统实验过程中使用数据采集单元来收集和监测实验过程中的温度，压力和流量数据。本实验的数据采集系统由计算机和Agilent34970A数据采集单元构成，该采集单元有20个电压信号通道和2个电流信号通道，同时可根据需要设定不同的数据采集间隔。Agilent34970A是一种高性能、低价位的数据采集和开关主机，十分适于数据记录、数据采集和一般的开关与控制应用。它是一种半机架宽的主机，内部有61/2位（22比

50、特）的数字电压表，其背面有3个插槽，可以接受开关与控制的模块某快组合。无论只需要少数几个简单的数据记录通道，还是上百个ATE性能的通道，Agilent34970A都能以合理的价格满足数据采集要求。（2）温度测量本实验通过热电偶来测温度，采用A级Pt100标准热电偶进行螺杆膨胀机进出口温度测量，型号为WZP型，测量范围为-200650，误差为。此热电阻为三线，其中两线为等电位用于补偿信号，可直接将等电位端接在一起按两线热电阻法接入数据采集单元中，选择电压通道接入，将软件系统的热电阻温度系数设定为0.00385,0的基准电阻值设定为100即可。图3-3 WZP系列热电偶（3）流量测量本实验流量测量

51、是通过流量计实现的。流量计的种类繁多，精度都很高，本实验采用LUBG-25涡街流量计，其量程为8.590，精度为1.0%，其量程和精度都符合实验要求。图3-4 LUBG系列涡街流量计涡街流量计是以卡曼涡街理论为基础的高精度经济型流量计，其原理为在流体中设置涡旋发生体（阻流体），从漩涡发声体两侧交替地产生有规则的旋涡，即卡曼涡街，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。（4）压力测量通常使用压力传感器测量压力，由前面计算可知，本实验进口压力小于1MPa，出口压力小于0.1MPa。本实验采用JYB-K0-HAG型压力传感器

52、两支，量程分别为01MPa和0-0.2MPa。JYB-K0-HAG 压力传感器采用完全不锈钢外壳，压力测量范围广，工作稳定，可靠性高。采用24V直流供电，输出信号为420mA。图3-5 JYB-K0-HAG系列压力传感器（5）功率测量本实验功率测量通过对扭矩和转速的测量数据并通过公式计算得到，计算公式为：其中，P功率，kW； N扭矩，； n转速，；本实验所用螺杆膨胀机最高转速为3000，本实验采用CYB-803S型扭矩传感器，其扭矩和转速的量程分别为0300和06000，精度为，采用直流供电。同时配置智能扭矩仪，可三窗口显示扭矩值、转速值、功率值（通过内部模块由扭矩和转速计算得到）。图3-6

53、扭矩传感器3.3 实验测试方法（1）不同工质流量下螺杆膨胀机的性能测试方法：首先打开工质入口调节阀，通过改变水阻的电阻值大小，使螺杆膨胀机转动起来，通过阻值大小的调节，将螺杆膨胀机的转速维持在要求的测试范围内，稳定一段时间，带所有测量参数的波动范围在可以接受的限度内，用数据采集单元记录数据一段时间，然后在螺杆膨胀机的工作转速范围内，依次分布几个测试点。完成上述过程后，重新调节入口调节阀开度，完成不同开度下螺杆膨胀机性能的测试。（2）扭矩恒定时螺杆膨胀机的性能测试方法：先选好螺杆膨胀机所加负载大小，即调整水阻阻值的大小，打开工质入口阀，使螺杆膨胀机开始转动，直至转速相对稳定为止，在所有测量参数稳

54、定后，用数据采集单元采集数据，一段时间后，加大阀门开度，使螺杆膨胀机转速升高，在达到新的稳定转速后，记录一次数据，直至阀门开度最大，完成不同转速下的测试。重复前面测试过程，以完成不同负荷下螺杆膨胀机性能的测试。（3）转速恒定时螺杆膨胀机的性能测试方法：先将水阻阻值调到到最大，使螺杆膨胀机转速为零，工质入口阀门调到一定开度，然后逐渐调小阻值，在螺杆膨胀机转速有一定的上升后，在转速保持相对稳定后，开始数据采集，继续调节阻值大小，在新转速下维持相对稳定，再次采集数据，重复前面过程，当达到规定转速后，完成不同转速下的测试。在所有转速测完后，重新调节新的阀门开度，继续测量，最后完成不同开度下螺杆膨胀机性能的测试。第四章 系统的循环工质选择要求及经济和环保效益4.1 低沸点工质的重要性在有机工质双循环螺杆膨胀机系统中，是由有机工质蒸汽向热水吸热、对螺杆膨胀机做功、向冷却水放热，实现热能转换为机械能的过程。双循环系统的原理决定了有机工质采用闭式循环，同时闭式循环和热水温度较低的特点又决定了系统循环工质应选用低沸点工质。由于使用了低沸点工质，双循环的蒸汽的工作压力得到提高，而且相对于单循环