有机朗肯循环发电系统设备的选择案例6400字

据郭井学等对7种常用到的极地浮标进行了讨论和总结，以POPS浮标为例，过应变器连接在平台上。其总体质量是34kg,外壳直径为22cm,浮筒直径是60cm,厚18cm,总长度200cm,大致结构如图4-1所示，故浮标的体积约为37994cm³。图4-1浮标1.2膨胀机胀比的中小型装置，而速度型膨胀机主要适用于小流量、小膨胀比的大型装置。工质的质量流量。膨胀机的最大效率为41.3%,对应于11.5bar的工质压力和383K的温度。这表明了有机朗肯循环系统组件之间进行匹配的重要性。泵的低旋转频率(<10Hz)适应了膨胀机转矩的整个范围，产生了稳定的流量，高频(>10Hz)适用于低转矩的膨胀机，但在大转矩的情况下会引起不稳定的流量和泵统的微型膨胀器(<10kw)尚未投放市场，许多研究人员在实验系统中使用了自张业强iv等探讨了单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能，单螺杆膨胀机噪声低、kw,温降最高可达63℃,但是样机的效率不是特别理想，机械效率最高可达95%,等熵效率最大是59%,总效率最高可达35%。机运动部件少，但只能提供较低的压力比(通常低于1.2),其功率输出与活塞式小型有机朗肯循环系统中4个容积膨胀器(涡旋，螺杆，活塞和齿根)的最佳性能，活塞式膨胀机和螺杆膨胀机的最大等熵效率为53%,但是，这些膨胀器的最输出大于50kw的场合，因为对于小功率循环来说，它的效率很低。另外，涡旋明，两者相对一致(对于循环模型以及不同的子模型)。实验研究表明，该膨胀出现径向泄漏与切向泄漏，如图4-2viii所示；二是该膨胀机的容积效率较低，不适用作为动力机械。图4-1涡旋膨胀机的工作过程图4-2涡旋膨胀机的切向泄漏与径向泄漏1.2.3螺杆膨胀机螺杆膨胀机是一种容积型膨胀机，它的结构和螺杆压缩机一样，但是工作过程恰恰相反，主要由缸体、一对螺杆转子、轴承、齿轮以及其他组件零件等构成，其工作原理是工质进入到工作齿槽中进而推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽之间的容积逐渐变大，气体不断膨胀做功，最后从齿槽末端排出，由主轴螺杆输出功率，从而带动发电机发电。如图4-3i×1所示。螺杆膨胀机的运行过程如图4-4ix所示。图4-3螺杆膨胀机QCd图4-4螺杆膨胀机的工作过程螺杆膨胀机及特点：(1)螺杆膨胀机的占地面积、重量、排气脉动以及单位排气量体积远小于活塞式膨胀机。(2)由于螺杆膨胀机没有凸轮配气结构、活塞连杆机构，也没有进排气阀，结构十分简单，且零件数极少，基本没有易损件，故其寿命长，运转可靠，甚至可以实现无基础运转。(3)螺杆膨胀机，是容积型膨胀机，内部流速低，除去泄露损失外，其他损失很少，膨胀机效率较高，就算负荷或蒸汽参数发生改变仍能保持高效率。(4)在吸气压力下，螺杆膨胀机对降变工况的适应能力强，既能在设计压力下工作，也能在低吸气压力下工作，但是有附加损失。(5)磨损件数量较少，且转速不高，使用寿命变大。考虑到膨胀机的尺寸，这里可以采用微型透平膨胀机，汤润泉×已于2000径为9mm,尺寸小转速大，且性能很好，体积约为425cm³。本文中有机朗肯循环系统的主要换热器是蒸发器和冷凝器。由于换热器的效率对整个系统性能有着重要的影响，因此优化换热器是提升系统效率的主要方法之一，最主要的就是要减少系统的不可逆损失，且尽可能减小换热温差，黄峻伟[xiil等分析了低温余热发电有机朗肯循环直接接触式蒸发器中分散相在连续相中的传热性能，发现使用直接接触式蒸发器可以提高换热效率。如果想要提高换热效率，可以通过增加换热面积来实现，然而姜亮xiii等研究发现，蒸发器的换热面积并不是越大越好，我们选择和设计蒸发器时，应当根据具体情况合理选择蒸发器换热面积的大小，且匹配以最佳的运行工况，从而实现理想的经济效益。微型换热器体积小、质量轻，工质通过的通道微小，从而大大提高了单位体积内的传热面积，传热量变大，故传热效率高。考虑到目前对于微型换热器的加工工艺不够成熟，而且生产成本高，微型换热器还处于实验研究阶段，还没有出微型系统可以采用小型紧凑式换热器，方便加工。1.3.1蒸发器一般来说，在有机朗肯循环中经常使用的的蒸发器主要包括管壳式、管翅式和板式三种类型。其中管翅式蒸发器主要应用于热载体为气态的情况下，比如烟气、尾气、废气等，气体换热系数相对较低，主要用于余热锅炉；管壳式蒸发器主要应用于热载体为液态的情况下，比如热海水、导热油、废水等，具有适应性强、耐高温高压、结构坚固且制造工艺简单等优点，在工业领域中应用最多；板式蒸发器相较于其他蒸发器而言，具有传热系数高、结构紧凑、实现多种介质换热等优点，是目前比较先进的高效节能蒸发器。本文研究的有系统中，热源为海下面将对管壳式蒸发器进行研究。根据工质流程的不同，管壳式蒸发器可以分为满液式和降膜式。满液式蒸发器中，由于工质吸热蒸发后还有很多液体，所以从蒸发器中出来的湿蒸汽应该经气液分离后才能再进入膨胀机。蒸发器在工作的时候，管内有液体载冷剂流动，管外是制冷剂沸腾，如图4-5所示。在中小热负荷的情况下，若管的间距大，则满液式蒸发器通过自然对流进行换热，但降膜式蒸发器的换热系数远大于满液式。如果紧凑排列蒸发器的管束结构，会增大单位体积中的表面积。这是因为换热系数是随通道水力直径的增大而减小的，故紧凑表面的通道小，换热系数会变大。另外，在小空间尺寸内紧凑排列的满液式蒸发器会出现沸腾现象，自然对流换热会变成核态对流换热。当管间距比较适宜时，它的换热性能可能会比降膜式蒸发器好，当过热度高、热流量高时，可以使用紧凑排列的满液式蒸发器。紧凑排列的方式能够减少蒸发器的体积和重量，而且会减小造价。图4-5满液式蒸发器满液式蒸发器也有缺点：(1)工质的注入量大。如果工质的价格比较高昂，会增加制造成本；(2)在使用氟利昂时，需要分离润滑油；(3)受液体静压力的影响，在蒸发器壳体直径较大的情况下，会使底部液体的蒸发温度升高，这会使蒸发器的传热温差变小。蒸发温度越高，这种影响越小，当工质密度较小时，静压高度的影响较小；(4)因为工质的液位较高，离工质的蒸汽出口比较近，蒸汽带液现象比较显著。如果令液体工质进入到膨胀机，则会出现液击现象。降膜蒸发是液体工质进入到蒸发器中后，通过液体分布和成膜装置，均匀分配喷淋到各换热管上，呈均匀膜状从上到下流动，如图4-6所示。在流动的过程中，介质被壳程加热汽化，气液两相一起进入到蒸发器的分离室，将气液充分分离后，气相进入到膨胀机中做功，而液相从分离室排出。降膜式蒸发器操作过程中，工质的停留时间很短，故传热效率很高。图4-6降膜式蒸发器(1)传热温差小。满液式蒸发器由于液位静压导致沸点升高，从而造成温(2)传热性能好。因为工质成膜状沿管壁流动，工质膜很薄，有利于工质(3)工质充注量小。降膜式蒸发器工质注入量要比满液式约少25%,减小(4)结构更加紧凑。传热性能好，蒸发温度增大，可以提高循环效率；另成熟。目前研制出的微型管壳式蒸发器，外形尺寸为12cm×12cm×2cm体积约为288cm³,根据选取的管壳式蒸发器，设计传热系数为200-500W/(m²·K)热面积约为0.1-0.5m²。冷凝器的作用是把高压高温工质蒸汽的热量传递给冷却介质，使蒸汽工质凝结成液体。冷凝器作为有机朗肯循环的换热器，进行热量交换，如图4-7所示。根据冷却介质和冷却方式，冷凝器大致分为三种类型，水冷式冷凝器、蒸发式冷凝器和空气冷却式冷凝器。图4-7冷凝器空冷式冷凝器，就是利用冷空气对工质蒸气进行冷却，工质在管内冷凝成液态，放出的热量随空气从管外排出，它多应用于制冷装置。本文系统的冷却介质就是冷空气，所以这里选用的就是空冷式冷凝器。北京工业大学的钟晓晖[xiv设计了一款微型空冷式冷凝器，其散热量为350-400W,外形尺寸为13cm×14cm×1.6cm,体积约为291cm³,冷凝器的传热系数不是越大越好，本文冷凝器的设计传热系数为100-300W/(m²●K),传热面1.4工质泵在整个发电系统中，工质泵的主要作用是为有机朗肯系统提供所需的工质流量和压力，同时它也是整个系统主要的耗能设备，它的性能对系统的净输出功率和热效率有很大的影响。本文工质流量较小，系统流程比较简单，可以采用隔膜式计量泵，如图4-8所示。出口入口图4-8隔膜式工质泵计量泵又称为比例泵或定量泵，它可以满足各种工艺流程的需求，并且输出流量非常精准，能够在0-100%之间无级调节，可以输送液体(尤其是腐蚀性液体),在现代工业生产领域中应用非常广泛。按照计量泵的工作原理以及性质，大致可以分为三类，隔膜式计量泵、柱塞式计量泵和电磁驱动计量泵。其中，隔膜式计量泵，活塞被复合柔性隔膜取代，隔离作用十分好，在输送介质时可以做目前市面存在的微型计量泵有很多，主体直径在5cm左右，体积约为118cm³。综上所述，选取的微型透平膨胀机体积为425cm³,微型蒸发器体积为288cm³,微型冷凝器体积为291cm³,微型计量泵为118cm³,故发电系统总体积约为1122cm³,远小于浮标体积37994cm³。发电系统在浮标上的布置如图4-9所示。图4-9发电系统在浮标上的布置图[ii]HanY,KangJ,ZhangcompressorcouplingorganicRaEnergyConversion&Management,2014,86(oct.[iii]GuoquanQiu,HaoLiu,SaffaRiffat.ExpanderswithorganicRankinecycle[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(16).膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能研究[J].机械工程学[v]OlivierD,AntoineP,DRémi,etal.Experimoptimalperformanceassessmentoffourvolumetricexpanders(scroll,screw,pistandroots)testedinasmall-scaleor2018:S0360544218312477-.[vii]SylvainQuoilin,VincentLemort,JeanLmodelingofanOrganicREnergy,2009,87(4).[viii]彭斌，李要红，赵生显.涡旋膨胀机的热力学模型与试验验证[J].热能[ix]郑娱泉.螺杆膨胀机的研究[J].四川工业学院学报，1991(Z1):150-161.[x]汤润泉.微型透平膨胀机[P].江苏：CN2388351,