有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的選擇案例6400字

據(jù)郭井學(xué)等對(duì)7種常用到的極地浮標(biāo)進(jìn)行了討論和總結(jié)，以POPS浮標(biāo)為例，過應(yīng)變器連接在平臺(tái)上。其總體質(zhì)量是34kg,外殼直徑為22cm,浮筒直徑是60cm,厚18cm,總長(zhǎng)度200cm,大致結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，故浮標(biāo)的體積約為37994cm3。圖4-1浮標(biāo)1.2膨脹機(jī)脹比的中小型裝置，而速度型膨脹機(jī)主要適用于小流量、小膨脹比的大型裝置。工質(zhì)的質(zhì)量流量。膨脹機(jī)的最大效率為41.3%,對(duì)應(yīng)于11.5bar的工質(zhì)壓力和383K的溫度。這表明了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)組件之間進(jìn)行匹配的重要性。泵的低旋轉(zhuǎn)頻率(<10Hz)適應(yīng)了膨脹機(jī)轉(zhuǎn)矩的整個(gè)范圍，產(chǎn)生了穩(wěn)定的流量，高頻(>10Hz)適用于低轉(zhuǎn)矩的膨脹機(jī)，但在大轉(zhuǎn)矩的情況下會(huì)引起不穩(wěn)定的流量和泵統(tǒng)的微型膨脹器(<10kw)尚未投放市場(chǎng)，許多研究人員在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用了自張業(yè)強(qiáng)iv等探討了單螺桿膨脹機(jī)在ORC系統(tǒng)中的性能，單螺桿膨脹機(jī)噪聲低、kw,溫降最高可達(dá)63℃,但是樣機(jī)的效率不是特別理想，機(jī)械效率最高可達(dá)95%,等熵效率最大是59%,總效率最高可達(dá)35%。機(jī)運(yùn)動(dòng)部件少，但只能提供較低的壓力比(通常低于1.2),其功率輸出與活塞式小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中4個(gè)容積膨脹器(渦旋，螺桿，活塞和齒根)的最佳性能，活塞式膨脹機(jī)和螺桿膨脹機(jī)的最大等熵效率為53%,但是，這些膨脹器的最輸出大于50kw的場(chǎng)合，因?yàn)閷?duì)于小功率循環(huán)來說，它的效率很低。另外，渦旋明，兩者相對(duì)一致(對(duì)于循環(huán)模型以及不同的子模型)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該膨脹出現(xiàn)徑向泄漏與切向泄漏，如圖4-2viii所示；二是該膨脹機(jī)的容積效率較低，不適用作為動(dòng)力機(jī)械。圖4-1渦旋膨脹機(jī)的工作過程圖4-2渦旋膨脹機(jī)的切向泄漏與徑向泄漏1.2.3螺桿膨脹機(jī)螺桿膨脹機(jī)是一種容積型膨脹機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和螺桿壓縮機(jī)一樣，但是工作過程恰恰相反，主要由缸體、一對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子、軸承、齒輪以及其他組件零件等構(gòu)成，其工作原理是工質(zhì)進(jìn)入到工作齒槽中進(jìn)而推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽之間的容積逐漸變大，氣體不斷膨脹做功，最后從齒槽末端排出，由主軸螺桿輸出功率，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。如圖4-3i×1所示。螺桿膨脹機(jī)的運(yùn)行過程如圖4-4ix所示。圖4-3螺桿膨脹機(jī)QCd圖4-4螺桿膨脹機(jī)的工作過程螺桿膨脹機(jī)及特點(diǎn)：(1)螺桿膨脹機(jī)的占地面積、重量、排氣脈動(dòng)以及單位排氣量體積遠(yuǎn)小于活塞式膨脹機(jī)。(2)由于螺桿膨脹機(jī)沒有凸輪配氣結(jié)構(gòu)、活塞連桿機(jī)構(gòu)，也沒有進(jìn)排氣閥，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，且零件數(shù)極少，基本沒有易損件，故其壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，甚至可以實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)。(3)螺桿膨脹機(jī)，是容積型膨脹機(jī)，內(nèi)部流速低，除去泄露損失外，其他損失很少，膨脹機(jī)效率較高，就算負(fù)荷或蒸汽參數(shù)發(fā)生改變?nèi)阅鼙３指咝省?4)在吸氣壓力下，螺桿膨脹機(jī)對(duì)降變工況的適應(yīng)能力強(qiáng)，既能在設(shè)計(jì)壓力下工作，也能在低吸氣壓力下工作，但是有附加損失。(5)磨損件數(shù)量較少，且轉(zhuǎn)速不高，使用壽命變大。考慮到膨脹機(jī)的尺寸，這里可以采用微型透平膨脹機(jī)，湯潤(rùn)泉×已于2000徑為9mm,尺寸小轉(zhuǎn)速大，且性能很好，體積約為425cm3。本文中有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的主要換熱器是蒸發(fā)器和冷凝器。由于換熱器的效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有著重要的影響，因此優(yōu)化換熱器是提升系統(tǒng)效率的主要方法之一，最主要的就是要減少系統(tǒng)的不可逆損失，且盡可能減小換熱溫差，黃峻偉[xiil等分析了低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)直接接觸式蒸發(fā)器中分散相在連續(xù)相中的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)使用直接接觸式蒸發(fā)器可以提高換熱效率。如果想要提高換熱效率，可以通過增加換熱面積來實(shí)現(xiàn)，然而姜亮xiii等研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器的換熱面積并不是越大越好，我們選擇和設(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況合理選擇蒸發(fā)器換熱面積的大小，且匹配以最佳的運(yùn)行工況，從而實(shí)現(xiàn)理想的經(jīng)濟(jì)效益。微型換熱器體積小、質(zhì)量輕，工質(zhì)通過的通道微小，從而大大提高了單位體積內(nèi)的傳熱面積，傳熱量變大，故傳熱效率高?？紤]到目前對(duì)于微型換熱器的加工工藝不夠成熟，而且生產(chǎn)成本高，微型換熱器還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，還沒有出微型系統(tǒng)可以采用小型緊湊式換熱器，方便加工。1.3.1蒸發(fā)器一般來說，在有機(jī)朗肯循環(huán)中經(jīng)常使用的的蒸發(fā)器主要包括管殼式、管翅式和板式三種類型。其中管翅式蒸發(fā)器主要應(yīng)用于熱載體為氣態(tài)的情況下，比如煙氣、尾氣、廢氣等，氣體換熱系數(shù)相對(duì)較低，主要用于余熱鍋爐；管殼式蒸發(fā)器主要應(yīng)用于熱載體為液態(tài)的情況下，比如熱海水、導(dǎo)熱油、廢水等，具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐高溫高壓、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最多；板式蒸發(fā)器相較于其他蒸發(fā)器而言，具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)換熱等優(yōu)點(diǎn)，是目前比較先進(jìn)的高效節(jié)能蒸發(fā)器。本文研究的有系統(tǒng)中，熱源為海下面將對(duì)管殼式蒸發(fā)器進(jìn)行研究。根據(jù)工質(zhì)流程的不同，管殼式蒸發(fā)器可以分為滿液式和降膜式。滿液式蒸發(fā)器中，由于工質(zhì)吸熱蒸發(fā)后還有很多液體，所以從蒸發(fā)器中出來的濕蒸汽應(yīng)該經(jīng)氣液分離后才能再進(jìn)入膨脹機(jī)。蒸發(fā)器在工作的時(shí)候，管內(nèi)有液體載冷劑流動(dòng)，管外是制冷劑沸騰，如圖4-5所示。在中小熱負(fù)荷的情況下，若管的間距大，則滿液式蒸發(fā)器通過自然對(duì)流進(jìn)行換熱，但降膜式蒸發(fā)器的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于滿液式。如果緊湊排列蒸發(fā)器的管束結(jié)構(gòu)，會(huì)增大單位體積中的表面積。這是因?yàn)閾Q熱系數(shù)是隨通道水力直徑的增大而減小的，故緊湊表面的通道小，換熱系數(shù)會(huì)變大。另外，在小空間尺寸內(nèi)緊湊排列的滿液式蒸發(fā)器會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，自然對(duì)流換熱會(huì)變成核態(tài)對(duì)流換熱。當(dāng)管間距比較適宜時(shí)，它的換熱性能可能會(huì)比降膜式蒸發(fā)器好，當(dāng)過熱度高、熱流量高時(shí)，可以使用緊湊排列的滿液式蒸發(fā)器。緊湊排列的方式能夠減少蒸發(fā)器的體積和重量，而且會(huì)減小造價(jià)。圖4-5滿液式蒸發(fā)器滿液式蒸發(fā)器也有缺點(diǎn)：(1)工質(zhì)的注入量大。如果工質(zhì)的價(jià)格比較高昂，會(huì)增加制造成本；(2)在使用氟利昂時(shí)，需要分離潤(rùn)滑油；(3)受液體靜壓力的影響，在蒸發(fā)器殼體直徑較大的情況下，會(huì)使底部液體的蒸發(fā)溫度升高，這會(huì)使蒸發(fā)器的傳熱溫差變小。蒸發(fā)溫度越高，這種影響越小，當(dāng)工質(zhì)密度較小時(shí)，靜壓高度的影響較??；(4)因?yàn)楣べ|(zhì)的液位較高，離工質(zhì)的蒸汽出口比較近，蒸汽帶液現(xiàn)象比較顯著。如果令液體工質(zhì)進(jìn)入到膨脹機(jī)，則會(huì)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。降膜蒸發(fā)是液體工質(zhì)進(jìn)入到蒸發(fā)器中后，通過液體分布和成膜裝置，均勻分配噴淋到各換熱管上，呈均勻膜狀從上到下流動(dòng)，如圖4-6所示。在流動(dòng)的過程中，介質(zhì)被殼程加熱汽化，氣液兩相一起進(jìn)入到蒸發(fā)器的分離室，將氣液充分分離后，氣相進(jìn)入到膨脹機(jī)中做功，而液相從分離室排出。降膜式蒸發(fā)器操作過程中，工質(zhì)的停留時(shí)間很短，故傳熱效率很高。圖4-6降膜式蒸發(fā)器(1)傳熱溫差小。滿液式蒸發(fā)器由于液位靜壓導(dǎo)致沸點(diǎn)升高，從而造成溫(2)傳熱性能好。因?yàn)楣べ|(zhì)成膜狀沿管壁流動(dòng)，工質(zhì)膜很薄，有利于工質(zhì)(3)工質(zhì)充注量小。降膜式蒸發(fā)器工質(zhì)注入量要比滿液式約少25%,減小(4)結(jié)構(gòu)更加緊湊。傳熱性能好，蒸發(fā)溫度增大，可以提高循環(huán)效率；另成熟。目前研制出的微型管殼式蒸發(fā)器，外形尺寸為12cm×12cm×2cm體積約為288cm3,根據(jù)選取的管殼式蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)為200-500W/(m2·K)熱面積約為0.1-0.5m2。冷凝器的作用是把高壓高溫工質(zhì)蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使蒸汽工質(zhì)凝結(jié)成液體。冷凝器作為有機(jī)朗肯循環(huán)的換熱器，進(jìn)行熱量交換，如圖4-7所示。根據(jù)冷卻介質(zhì)和冷卻方式，冷凝器大致分為三種類型，水冷式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器。圖4-7冷凝器空冷式冷凝器，就是利用冷空氣對(duì)工質(zhì)蒸氣進(jìn)行冷卻，工質(zhì)在管內(nèi)冷凝成液態(tài)，放出的熱量隨空氣從管外排出，它多應(yīng)用于制冷裝置。本文系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)就是冷空氣，所以這里選用的就是空冷式冷凝器。北京工業(yè)大學(xué)的鐘曉暉[xiv設(shè)計(jì)了一款微型空冷式冷凝器，其散熱量為350-400W,外形尺寸為13cm×14cm×1.6cm,體積約為291cm3,冷凝器的傳熱系數(shù)不是越大越好，本文冷凝器的設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)為100-300W/(m2●K),傳熱面1.4工質(zhì)泵在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中，工質(zhì)泵的主要作用是為有機(jī)朗肯系統(tǒng)提供所需的工質(zhì)流量和壓力，同時(shí)它也是整個(gè)系統(tǒng)主要的耗能設(shè)備，它的性能對(duì)系統(tǒng)的凈輸出功率和熱效率有很大的影響。本文工質(zhì)流量較小，系統(tǒng)流程比較簡(jiǎn)單，可以采用隔膜式計(jì)量泵，如圖4-8所示。出口入口圖4-8隔膜式工質(zhì)泵計(jì)量泵又稱為比例泵或定量泵，它可以滿足各種工藝流程的需求，并且輸出流量非常精準(zhǔn)，能夠在0-100%之間無級(jí)調(diào)節(jié)，可以輸送液體(尤其是腐蝕性液體),在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。按照計(jì)量泵的工作原理以及性質(zhì)，大致可以分為三類，隔膜式計(jì)量泵、柱塞式計(jì)量泵和電磁驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵。其中，隔膜式計(jì)量泵，活塞被復(fù)合柔性隔膜取代，隔離作用十分好，在輸送介質(zhì)時(shí)可以做目前市面存在的微型計(jì)量泵有很多，主體直徑在5cm左右，體積約為118cm3。綜上所述，選取的微型透平膨脹機(jī)體積為425cm3,微型蒸發(fā)器體積為288cm3,微型冷凝器體積為291cm3,微型計(jì)量泵為118cm3,故發(fā)電系統(tǒng)總體積約為1122cm3,遠(yuǎn)小于浮標(biāo)體積37994cm3。發(fā)電系統(tǒng)在浮標(biāo)上的布置如圖4-9所示。圖4-9發(fā)電系統(tǒng)在浮標(biāo)上的布置圖[ii]HanY,KangJ,ZhangcompressorcouplingorganicRaEnergyConversion&Management,2014,86(oct.[iii]GuoquanQiu,HaoLiu,SaffaRiffat.ExpanderswithorganicRankinecycle[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(16).膨脹機(jī)在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的性能研究[J].機(jī)械工程學(xué)[v]OlivierD,AntoineP,DRémi,etal.Experimoptimalperformanceassessmentoffourvolumetricexpanders(scroll,screw,pistandroots)testedinasmall-scaleor2018:S0360544218312477-.[vii]SylvainQuoilin,VincentLemort,JeanLmodelingofanOrganicREnergy,2009,87(4).[viii]彭斌，李要紅，趙生顯.渦旋膨脹機(jī)的熱力學(xué)模型與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].熱能[ix]鄭娛泉.螺桿膨脹機(jī)的研究[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991(Z1):150-161.[x]湯潤(rùn)泉.微型透平膨脹機(jī)[P].江蘇：CN2388351,