柴油機(jī)廢熱利用發(fā)電模型設(shè)計(jì)研究

1、. . . . 柴油機(jī)廢熱利用發(fā)電模型設(shè)計(jì)研究摘要為了凈化大氣環(huán)境和利用可再生能源，使人類社會(huì)得到可持續(xù)發(fā)展，本文以回收柴油機(jī)廢熱熱源為目的，開(kāi)展了柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的研究。文中在對(duì)國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際狀況，針對(duì)柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)行的柴油機(jī)廢熱利用設(shè)備進(jìn)行比較，選擇了具有低沸點(diǎn)綠色環(huán)保R134a為工質(zhì), 由蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪-發(fā)電機(jī)組等主要部件組成的有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)模型。文中以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，計(jì)算了柴油機(jī)廢熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和各主要組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算了系統(tǒng)發(fā)出的電量，并對(duì)電量?jī)?chǔ)能設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路。同時(shí)從熱交換器換熱理論出發(fā)，建立了表征工質(zhì)-水

2、冷凝器傳熱數(shù)學(xué)模型，針對(duì)小型殼管式冷凝器編制了穩(wěn)態(tài)傳熱仿真程序，利用該仿真程序分析討論了工質(zhì)R134a和冷卻水的入口溫度和流量對(duì)冷凝器傳熱性能的影響。探討了冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸隨著工質(zhì)和冷卻水壓力、溫度、流速之間的變化關(guān)系。本文提出了汽輪機(jī)噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元法，通過(guò)matlab軟件，對(duì)噴管的模型進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在一樣入口勢(shì)差條件下，計(jì)算出錐型噴管結(jié)構(gòu)最優(yōu)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型不僅可以應(yīng)用于柴油機(jī)廢熱發(fā)電的研究，同樣適用于艦船、客車等大型交通工具的廢熱發(fā)電，而且對(duì)地?zé)?、太?yáng)能與海洋溫差發(fā)電均有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞柴油機(jī)；廢氣余熱發(fā)電；有機(jī)朗肯循環(huán)Diesel Engine Waste Gas

3、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 die

4、sel 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 an

5、d 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, m

6、ainly 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 diathermanc

7、y program is worked out in a allusion to the mini-type Shell-and-Tube condenser. Utilizingthis 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, temperatur

8、e, 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 con

9、ical 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 forthe waste-heat power generation of ships, trucks and so on. Besides, it can be available in the geothermal, solar and ocean thermal gr

10、adient power generation. Keywords diesel engine；waste heat；organic Rankine cycle(ORC)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印48 / 52目錄摘要Abstract.第1章 緒論11.1 國(guó)外柴油機(jī)廢熱利用技術(shù)發(fā)展概況11.2 課題容與意義3第2章 基于朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢熱發(fā)電模型系統(tǒng)與主要參數(shù)熱力計(jì)算52.1 柴油機(jī)廢熱利用的空間和特點(diǎn)52.2 柴油機(jī)可供利用的最大熱量52.3 柴油機(jī)廢熱發(fā)電模型62.3.1 柴油機(jī)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中的朗肯循環(huán)62.3.2 工質(zhì)的選擇72.3.3 蒸發(fā)器壓力和冷凝器壓力的確定82

11、.3.4 系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算92.4 本章小結(jié)11第3章 系統(tǒng)的換熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.1 冷凝器的換熱過(guò)程與其設(shè)計(jì)123.1.1 冷凝方式的確定123.1.2 冷凝器結(jié)構(gòu)與尺寸計(jì)算133.1.3 冷凝特性的數(shù)值仿真173.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定233.3 本章小結(jié)24第4章 汽輪機(jī)噴管數(shù)值模擬與儲(chǔ)能充電電路設(shè)計(jì)264.1 噴管的數(shù)值模擬264.1.1 噴管出口流速的計(jì)算264.1.2 噴管的結(jié)構(gòu)模型264.1.3 數(shù)值模擬274.1.4 計(jì)算結(jié)果284.2 充電電路設(shè)計(jì)294.3 本章小結(jié)32結(jié)論33致34參考文獻(xiàn)35附錄A37錄B42附錄C45千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在

12、目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 國(guó)外柴油機(jī)廢熱利用技術(shù)發(fā)展概況柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氣體包括一氧化碳、未燃凈的碳?xì)浠衔?、水、一氧化氮、氮、氫、硫以與各類微量元素如鉛、溴等。一般來(lái)說(shuō),水占13%,氫占1%2%,一氧化氮占1%5%。其余部分主要由碳?xì)浠衔锖脱趸M成1，表1-1為柴油機(jī)尾氣（即汽車排出的廢氣）在不同條件下的化學(xué)組成。對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，僅由排氣帶走的熱量就占進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料所產(chǎn)生的熱量的30%-45%，而殘余廢氣的溫度約在600800。利用這部分逸散到大氣中的廢熱通過(guò)朗肯循環(huán)技術(shù)進(jìn)行余熱發(fā)電，

13、不僅可以節(jié)約能源，而且還會(huì)因發(fā)電吸熱降溫對(duì)汽車整體性能大有裨益。同時(shí)余熱發(fā)電使傳入熱機(jī)冷凝器的一部分熱量轉(zhuǎn)化為電能，也有助汽車噪音下降，這可使汽車消音器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化緊湊，從而減少對(duì)環(huán)境噪聲的污染。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家中，汽車尾氣是構(gòu)成大氣污染的主要原因。例如在美國(guó)，汽車排放的一氧化碳占美國(guó)一氧化碳排放總量的66%，碳?xì)浠衔镎?8%，氮氧化合物占40%23。目前，國(guó)外汽車余熱利用技術(shù)從熱源來(lái)看，分為利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱和利用排氣余熱兩種。從用途上來(lái)看，有廢氣渦輪增壓，制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料等方式5。而本文主要研究對(duì)象是如何利用柴油機(jī)廢熱利用發(fā)電模型。利用廢氣能量發(fā)電的方法基本有以下三種，分

14、別為利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電。(1)半導(dǎo)體溫差發(fā)電隨著半導(dǎo)體材料與其加工技術(shù)的發(fā)展，金屬導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)化效率逐漸提高,利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電在動(dòng)力疇有了應(yīng)用的可能。資料表明:半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)3.3，甚至是7%。圖1-2是溫差發(fā)電原理圖。大學(xué)的董桂田通過(guò)試驗(yàn)證明用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱溫差發(fā)電能夠取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)14。其原理為將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開(kāi)路并給以低溫時(shí)，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開(kāi)路端形成電勢(shì)差。溫差發(fā)電使排氣溫度

15、降低導(dǎo)致排氣壓力減少，有助柴油機(jī)噪聲水平下降。1，2 高溫反應(yīng)器 3，4 低溫反應(yīng)器 5 氣水換熱器 6 風(fēng)機(jī)盤管 7，8 電磁三通閥 915 空氣管路三通閥 16，17 氫氣流量調(diào)節(jié)閥 18 水泵 19 室外空氣風(fēng)機(jī) 20 室空氣風(fēng)機(jī) 21，22 氫氣管路圖1-1 汽車空調(diào)兩級(jí)金屬氫化物制冷系統(tǒng)循環(huán)同時(shí)溫差發(fā)電本身是靜態(tài)下能量轉(zhuǎn)換，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，勿需傳動(dòng)系統(tǒng)。但由于熱電轉(zhuǎn)換效率低，只能利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的一小部分，有待于進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率和尋找具有更高熱電轉(zhuǎn)換效率的材料。圖 1-2 溫差發(fā)電（seekback效應(yīng)）原理 (2)氟龍透平發(fā)電日本的一色尚次提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的氟龍透平發(fā)電裝置1

16、5，該裝置利用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點(diǎn)物質(zhì)(通常為氟利昂)作為工質(zhì)，使其在吸收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿?dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。此種裝置在利用低品位熱能方面有優(yōu)勢(shì)，其缺陷是系統(tǒng)較為復(fù)雜笨重且無(wú)工質(zhì)回收裝置。Bliem 首先提出利用氨一水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，以柴油機(jī)熱源，并用汽輪機(jī)排氣預(yù)熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)廢熱發(fā)電，改善了循環(huán)性能。原理如圖1一3流體進(jìn)口溫度45，出口溫度326，工質(zhì)從低溫?zé)嵩戳黧w吸熱量1290kw，在汽輪機(jī)作部絕熱膨脹，汽輪機(jī)排氣進(jìn)冷凝器溫度381，冷卻水帶走熱量1140kw，循環(huán)輸出功率150kw，循環(huán)熱效率11.63%圖 1-3 氨-水混合物朗肯循環(huán) (3)廢氣渦輪

17、發(fā)電大學(xué)的鐵相提出利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想116，并設(shè)計(jì)了一種新裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，獲得專利一項(xiàng)。日本的吉田佑也曾作過(guò)此方面的實(shí)驗(yàn)17，證明了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行所需電能，但未做進(jìn)一步研究。此種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，但會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響，還需要進(jìn)一步研究。集美航海學(xué)院福生，黃凱旋在闡述并分析了廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述閃發(fā)式廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)，并就其熱平衡進(jìn)行了分析。提出了程序設(shè)計(jì)框圖與應(yīng)用前景，對(duì)廢氣鍋爐重新構(gòu)思和設(shè)計(jì)。主要措施有：降低排氣溫度；提高蒸發(fā)量；加裝過(guò)熱器。其產(chǎn)生的蒸汽除供給系統(tǒng)加熱、生活雜用之外，完全有能力通過(guò)渦輪發(fā)

18、電機(jī)在航行中產(chǎn)生電能，從而取代柴油發(fā)電機(jī)，以滿足全船電力負(fù)荷需求。這種“廢熱發(fā)電”的概念，特別適用于推進(jìn)功率較大的柴油機(jī)船舶。隨著柴油機(jī)廢氣參數(shù)的降低，其它廢氣發(fā)電系統(tǒng)很難滿足全船用電需求。而閃發(fā)式廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)在主機(jī)相對(duì)低輸出段還能很好地滿足船舶用電要求，而且結(jié)構(gòu)上也比多壓系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。因此，閃發(fā)式余熱發(fā)電系統(tǒng)不失為一種先進(jìn)的具有較大適用圍的現(xiàn)代低速柴油機(jī)船舶動(dòng)力裝置余熱發(fā)電裝置，可望得到進(jìn)一步發(fā)展18。1.2 課題容與意義本文的主要工作：1. 建立以柴油機(jī)尾氣為熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；2. 組成部件的設(shè)計(jì)，確定蒸發(fā)器、冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸，建立冷凝器換熱數(shù)學(xué)模型，對(duì)冷

19、凝器換熱特性進(jìn)行仿真分析；3. 對(duì)汽輪機(jī)噴管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；4. 設(shè)計(jì)充電控制電路，將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到蓄電池中。隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng), 新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到重視。一方面大型柴油機(jī)排放的廢熱對(duì)環(huán)境熱污染嚴(yán)重；另一方面造成了能源浪費(fèi)。所以為了社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展，廢熱的回收和利用成為發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家都在研究的熱門課題。利用柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電，是解決這一問(wèn)題的有效方法之一。柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電模型中存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是所用的蒸發(fā)器與冷凝器之間的溫差小，換熱能力弱，能量轉(zhuǎn)化率低。在利用有機(jī)工質(zhì)的雙循環(huán)系統(tǒng)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中,由于氟里昂對(duì)大氣產(chǎn)生危害，故采用綠色環(huán)保型工質(zhì)R134a。這樣

20、從根本上減輕了對(duì)空氣的熱污染和大氣環(huán)境污染。關(guān)于朗肯循環(huán)運(yùn)行參數(shù)的確定以與熱交換器的傳熱特性是本文研究的重點(diǎn)之一。另外，本課題研究屬應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在理論上，可以促進(jìn)電工學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的交叉發(fā)展，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型不僅可以應(yīng)用于柴油機(jī)廢熱發(fā)電的研究，同樣適用于艦船、客車等大型交通工具的廢熱發(fā)電，而且對(duì)地?zé)?、太?yáng)能與海洋溫差發(fā)電均有參考價(jià)值。第2章 基于朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢熱發(fā)電模型系統(tǒng)與主要參數(shù)熱力計(jì)算2.1 柴油機(jī)廢熱利用的空間和特點(diǎn)從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡來(lái)看33，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%-45%(柴油機(jī))或20%-30%(汽油機(jī))。以廢熱形式排出車外的能量占燃燒總能量

21、的55%-70%(柴油機(jī))或70%-80%(汽油機(jī))，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。表2-1為燃機(jī)的熱平衡表34表2-1燃機(jī)的熱平衡熱平衡各分項(xiàng)%汽油機(jī)高速柴油機(jī)中速柴油機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?03030 403545冷卻介質(zhì)帶走的熱量253020251020廢氣帶走的熱量404535403040其他熱量損失5105101015由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的使用場(chǎng)合，柴油機(jī)廢熱利用具有鮮明的特點(diǎn)和特殊的要求，可將這些特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸結(jié)如下：1.柴油機(jī)廢熱的品位較低，能量回收較困難；2.廢熱利用裝置要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，效率高；3.廢熱利用裝置要抗震動(dòng)，抗沖擊，適應(yīng)汽車運(yùn)行環(huán)境；4.要保證汽

22、車使用中的安全；5.要不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，避免降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。2.2 柴油機(jī)可供利用的最大熱量在發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱能量分析都采用能量衡算法34。應(yīng)用這種方法，把發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)消耗的燃料所發(fā)出的熱量分為轉(zhuǎn)變成有效功的熱量、冷卻介質(zhì)帶走的熱量、廢氣帶走的熱量和其它熱量損失。取型低增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象35,這里假設(shè)柴油機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí)，可按熱平衡計(jì)算求取排氣帶走的熱量。由于受余熱利用設(shè)備進(jìn)、出口溫度的限制，能供利用的最大熱量可按下式估算。 (2-1) (2-2)在和 溫度圍，工質(zhì)燃燒產(chǎn)物的平均等壓比熱，估算時(shí)，可取1kJ/(kg·) (0.24kcal/kg·)余熱利用設(shè)備前、后

23、的排氣溫度，（為防止余熱利用設(shè)備結(jié)露腐蝕，值一般應(yīng)大于140150）柴油機(jī)排氣量，kg/h值可由下式計(jì)算式中柴油機(jī)功率，kW相應(yīng)功率時(shí)的耗油率，kg/(kW·h)每公斤燃油燃燒時(shí)所需要的理論空氣量，kg/kg (一般為14.5)過(guò)量空氣系數(shù)，四沖程柴油機(jī)1.62.2；二沖程柴油機(jī)34掃氣系數(shù)，四沖程低增壓1.101.15；四沖程高增壓1.201.25當(dāng)在294kW運(yùn)行時(shí),0.238kg/(kW·h)，380，150，1.6，1.1。其排氣可供利用熱量，。2.3 柴油機(jī)廢熱發(fā)電模型利用余熱進(jìn)行電能回收的發(fā)電設(shè)備容量主要應(yīng)根據(jù)余熱源的流量、溫度和需要的電量來(lái)確定。余熱發(fā)電系統(tǒng)有

24、蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、氟里昂汽輪機(jī)雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、油-氟里昂雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和三氟乙醇（）汽輪發(fā)電系統(tǒng)等363738。煉鐵廠的熾熱焦炭的冷卻裝置和燒結(jié)礦、水泥廠的燒成窯、燃?xì)廨啓C(jī)等的排煙溫度在4001000之間，回收這些余熱時(shí)，可采用蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率為47%左右。對(duì)于200400以下的余熱源來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行動(dòng)力回收時(shí)，可使用氟里昂或三氟丁醇等工質(zhì)。本設(shè)計(jì)采用這種發(fā)電系統(tǒng)。在回收100150的低溫水和200以下的排煙余熱時(shí),采用氟里昂汽輪發(fā)電系統(tǒng)。2.3.1 柴油機(jī)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)如圖2-1所示，該系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、廢熱蒸發(fā)器、汽輪發(fā)電機(jī)和冷凝器，儲(chǔ)液罐等組成39

25、。朗肯循環(huán)的四個(gè)過(guò)程為：氟里昂被廢氣流預(yù)熱、汽化，變成過(guò)熱氟里昂蒸汽（過(guò)程）,可視為等壓吸熱過(guò)程；過(guò)熱氟里昂蒸汽在汽輪機(jī)過(guò)噴嘴推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功（過(guò)程）, 可視為可逆絕熱膨脹過(guò)程；由汽輪機(jī)排出的低壓乏氣進(jìn)入冷凝器被循環(huán)水冷卻（過(guò)程 ），可視為可逆等壓放熱過(guò)程；蒸汽被冷卻為液態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)液罐，通過(guò)工質(zhì)泵升壓并送至蒸發(fā)器（過(guò)程）, 可視為可逆絕熱壓縮過(guò)程。朗肯循環(huán)的熱效率圖2-1 柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度計(jì)壓力表(2-3)2.3.2 工質(zhì)的選擇在利用廢氣余熱進(jìn)行動(dòng)力回收的過(guò)程中，要求工質(zhì)吸收熱量多，并能把這一熱量有效地轉(zhuǎn)換。因此，被選用的工質(zhì)必須具備如下條件：1.工質(zhì)循環(huán)蒸發(fā)潛熱少

26、、有效能效率高；2.工質(zhì)的壓力水平適中，在柴油機(jī)廢氣余熱中，相應(yīng)的飽和壓力不高，在冷卻溫度下，不出現(xiàn)高度真空；3.工質(zhì)應(yīng)有比熱大、導(dǎo)熱系數(shù)大和密度適當(dāng)?shù)奶匦裕?.具有無(wú)毒性，不易燃性和無(wú)腐蝕性等性能；5.易輸送和保存等；因此，在柴油機(jī)余熱作動(dòng)力回收時(shí)，最好選用低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)。低沸點(diǎn)工質(zhì)在汽化溫度比較低的條件下，具有相應(yīng)的汽化壓力較高的特點(diǎn)。為了能夠最大限度地回收廢氣余熱源的熱量，使系統(tǒng)具有較高的效率，般采用具有較高的換熱能力、能有效地將熱能轉(zhuǎn)換成電能的低沸點(diǎn)工質(zhì)，如、氨等?？紤]環(huán)保問(wèn)題，在實(shí)際工程應(yīng)用中，本實(shí)驗(yàn)選用，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，這種工質(zhì)的沸點(diǎn)為-26.5，凝固點(diǎn)為-101，臨界

27、溫度為101，臨界密度為，臨界壓力為，25時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)蒸汽為-1 、液體為 -140。不僅可回收100150的低溫水和200以下的排煙余熱，而且也能用冷水進(jìn)行冷卻。為防止工質(zhì)的泄漏，系統(tǒng)的管路和零部件必須具備良好的密封性能。 2.3.3 蒸發(fā)器壓力和冷凝器壓力的確定飽和液體在蒸發(fā)器中汽化和蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成飽和液體時(shí)，飽和壓力和飽和溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系41，只要確定了蒸發(fā)器的溫度就能確定蒸發(fā)器中的壓力；確定了凝結(jié)溫度，就能確定冷凝器中的壓力；飽和溫度和工質(zhì)的焓值也有對(duì)應(yīng)關(guān)系。凝結(jié)溫度溫度為：，(2-4)式中，冷凝水的溫升，冷卻水的溫升大一些，式（2-4）中，需要的冷卻水量可以減少。但是，凝結(jié)溫度就

28、較高。這樣，冷凝器中壓力也較高，將使汽輪機(jī)進(jìn)汽和排汽的壓力差減少,通常可選510。這里。在冷凝器出口端蒸汽和冷卻水之間的傳熱溫差。通常選擇37。這里。已知室溫20 ， ，確定冷凝器中的壓力=0.15。熱力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)通常認(rèn)為蒸汽在冷凝器中冷凝成飽和液體，運(yùn)行時(shí)，凝液溫度可用溫度計(jì)測(cè)量得到。工質(zhì)泵對(duì)液體作功引起的液體焓變不大。故認(rèn)為其焓值等于冷凝器中飽和液體焓值。蒸發(fā)器壓力的確定在蒸發(fā)器中，由于是隔著金屬壁面?zhèn)鳠?，蒸發(fā)溫度和廢氣出口溫度之間也有如下關(guān)系：(2-5)通常工質(zhì)在蒸發(fā)器中存在最佳蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)溫度,在廢熱發(fā)電模型中，冷凝器壓力確定之后，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度選的高。一方面汽輪機(jī)進(jìn)氣和排氣的壓差

29、大，工質(zhì)在汽輪機(jī)中的理想焓降可以較大；另一方面，蒸發(fā)溫度選得高，柴油機(jī)廢氣氣的排出溫度也要相應(yīng)提高，值減少，柴油機(jī)廢氣余熱能夠產(chǎn)生的蒸汽量減少，即柴油機(jī)廢氣的能量利用程度降低。從這兩方面看，蒸發(fā)溫度的高低對(duì)乘積的大小影響很大，其中蒸汽流量，理想焓降，影響柴油機(jī)廢氣的發(fā)電效果，因?yàn)槌朔e就是柴油機(jī)尾氣理論上可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能（或電能）的熱能數(shù)量，如圖2-3所示。s圖2-3 最佳蒸發(fā)溫度理想焓降是隨蒸發(fā)溫度提高而增大，而產(chǎn)生的蒸汽量是隨蒸發(fā)溫度提高而減少，在某一蒸發(fā)溫度時(shí)乘積為最大。乘積達(dá)到最大值時(shí)的蒸發(fā)溫度通常稱為最佳蒸發(fā)溫度。最佳蒸發(fā)溫度可以作近似計(jì)算，設(shè)柴油機(jī)氣初溫的溫度為,冷凝器冷凝的絕對(duì)溫度

30、為，在中間介質(zhì)法單級(jí)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)運(yùn)行臨界溫度較高的低沸點(diǎn)物質(zhì)為介質(zhì)時(shí)的最佳蒸發(fā)溫度，按下式近似計(jì)算： (2-6)在本系統(tǒng)中，柴油機(jī)廢氣初始溫度為：，冷卻水入口溫度:；求得最佳蒸發(fā)溫度為。最佳蒸汽溫度的高低決定于柴油機(jī)尾氣初溫和冷凝器中的冷凝溫度，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度可以選擇比最佳蒸發(fā)溫度適當(dāng)偏高幾度（如1-2）。根據(jù)飽和R134a 的溫度壓力關(guān)系曲線41，可以確定最佳蒸汽溫度對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力為0.243。2.3.4 系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的示意圖為圖2-4圖2-4 中間介質(zhì)法熱力系統(tǒng)示意圖2.3.4.1 各特征點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)的確定在本系統(tǒng)中設(shè)定：點(diǎn)的溫度（即最佳蒸發(fā)溫度）75，點(diǎn)溫度為33， 點(diǎn)

31、溫度（即冷凝溫度）為33，忽略泵功率損耗。狀態(tài)值可以從附表7查得：點(diǎn)：工質(zhì)為33的飽和液體熵： 比焓： 點(diǎn)：工質(zhì)經(jīng)泵升壓，為絕熱過(guò)程，熵保持不變，溫升可以忽略熵：比焓： 點(diǎn)：工質(zhì)為75的飽和蒸汽動(dòng)力粘度熵： 比焓： 比容： 飽和壓力： 點(diǎn)：工質(zhì)的熵由b到c點(diǎn)保持不變熵： 比焓：2.3.4.2 運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算處管道的直徑為25mm，工質(zhì)流量為,柴油機(jī)廢氣進(jìn)氣溫度,出氣溫度。管道截面積管道中流速運(yùn)動(dòng)粘度雷諾數(shù)：，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)是湍流的。蒸發(fā)器換熱能力：冷凝器的換熱能力：朗肯循環(huán)效率：2.4 本章小結(jié)本章對(duì)柴油機(jī)廢氣的主要成分，以與廢氣的熱量值作出了分析，根據(jù)工質(zhì)選擇的原則，選擇了具有低沸點(diǎn)、環(huán)保的為工質(zhì)

32、，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，確定基于朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng);在此基礎(chǔ)上,通過(guò)熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)工質(zhì)流速、雷諾數(shù)、冷凝器和蒸發(fā)器的換熱能力和朗肯循環(huán)的循環(huán)效率進(jìn)行了計(jì)算。第3章 系統(tǒng)的換熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器的任務(wù)是使兩種介質(zhì)交換熱量，系統(tǒng)中的主要換熱器件為蒸發(fā)器和冷凝器。本章在熱力學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)工程實(shí)際和利用計(jì)算機(jī)軟件Matlab仿真對(duì)冷凝器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型優(yōu)化。3.1 冷凝器的換熱過(guò)程與其設(shè)計(jì)冷凝器的任務(wù)是將汽輪機(jī)排出的高溫、過(guò)熱蒸汽冷卻成為液態(tài)制冷劑，冷卻過(guò)程一般可分為三個(gè)過(guò)程：1.過(guò)熱蒸汽冷卻成為干飽和蒸汽，由排氣溫度下的過(guò)熱蒸汽冷卻為冷凝溫度的干飽

33、和蒸汽。2.干飽和蒸汽冷卻為飽和液體，干飽和蒸汽在冷凝溫度下冷凝成飽和液體，這一過(guò)程，就是蒸汽凝結(jié)為液體的過(guò)程。3.飽和液體進(jìn)一步被冷卻為過(guò)冷液體，由于冷卻介質(zhì)（水或空氣）的溫度總是低于冷凝溫度，故在冷凝器的末端，飽和液體一般還可進(jìn)一步被冷卻，使其成為過(guò)冷液體。3.1.1 冷凝方式的確定冷凝器的主要作用是使汽輪機(jī)排出的乏氣凝結(jié)成液體，并使汽輪機(jī)的排汽部分保持較低的壓力，提高汽輪機(jī)出力，使熱能得以充分的利用。冷凝器的種類、傳熱原理和特點(diǎn)冷凝器是制冷裝置的主要換熱設(shè)備之一,高溫高壓的制冷劑蒸汽在冷凝器中冷卻、冷凝,完成向高溫?zé)嵩吹姆艧徇^(guò)程。冷凝器的種類主要有空氣冷卻式(風(fēng)冷式)、水冷式和蒸發(fā)式三大

34、類。各種冷凝器的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)如表3-1所示42。表3-1 冷凝器的種類與特點(diǎn)項(xiàng)目風(fēng)冷式水冷式蒸發(fā)式傳熱驅(qū)動(dòng)力冷凝溫度與空氣干球溫度差冷凝溫度與冷卻水溫度差冷凝溫度與空氣濕球溫度差換熱系數(shù)小較大大冷凝溫度高較低低用水量無(wú)循環(huán)水流量小流量小結(jié)構(gòu)使用特點(diǎn)管殼式，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用方便，適用于大、中、小型制冷裝置，大量用于風(fēng)源熱泵空調(diào)系統(tǒng)殼管式包括冷卻水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊。適用于大、中、小型制冷裝置結(jié)構(gòu)較緊湊，安裝使用相對(duì)殼管式較方便，適用于大、中、小型制冷裝置，有向小型制冷裝置發(fā)展的可能根據(jù)其實(shí)際情況需要，考慮本系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，效率高，故采用水冷式冷凝器。3.1.2 冷凝器結(jié)構(gòu)與尺寸計(jì)算

35、圖3-1為冷凝器結(jié)構(gòu)與尺寸計(jì)算的設(shè)計(jì)流程圖。在冷凝器中，R134a具有很低的表面力和高的潤(rùn)濕性。設(shè)計(jì)冷凝器能夠使壓力為0.15MPa、最大流量為飽和R134a蒸汽冷凝，冷卻水入口溫度為20，出口溫度27，比熱C=4.18kJ/ kg·，型式為垂直型管外冷凝器。1.總換熱量和冷卻水需要量相對(duì)應(yīng)壓力為0.15MPa的R134a飽和溫度為33，蒸發(fā)潛熱KJ/kg41。根據(jù)熱平衡和物料平衡，可以確定：總傳熱量 (3-1)冷卻水需要量 (3-2)為冷凝水進(jìn)出口溫度的差值2.有效溫差對(duì)數(shù)平均溫差lm=8(3-3)查圖3-2所示的溫度修正系數(shù)圖43可得，溫差修正系數(shù)Ft=1。因此，有效溫差T=Ft

36、*lm=83.尺寸概算 圖 3-1 冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖假定總傳熱系數(shù) kJ/m2·h·,所需要的傳熱面積 (3-4)圖3-2 溫度修正系數(shù)采用埃弗無(wú)縫黃銅（BsTF4，冷凝器用無(wú)縫黃銅）作傳熱管，其外徑mm，徑mm，管長(zhǎng)m。傳熱管根數(shù), 選定管側(cè)程數(shù)4.管側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于流體在圓管流動(dòng)時(shí)，西德43提出下式： (3-5)其中 令 (3-6)則上式可簡(jiǎn)化為 (3-7)每1管程的流路面積管冷卻水質(zhì)量流速 kg/m2h冷卻水平均溫度下的物性值：動(dòng)力粘度導(dǎo)熱系數(shù)比熱 管冷卻水的雷諾數(shù)查管側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)45，如圖3-3所示，得，代入上式得圖3-3 管內(nèi)側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)kJ/m2

37、3;h·5.殼側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)冷凝器的平均界膜溫度，這一溫度下的R134a 液體的物性值：動(dòng)力粘度 導(dǎo)熱系數(shù) 密度 當(dāng)量管數(shù) 冷凝負(fù)荷 重力加速度 冷凝側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)6.污垢系數(shù)查附表1 管側(cè)污垢系數(shù)管外側(cè)污垢系數(shù)7.管金屬的導(dǎo)熱系數(shù)從附表2查得8.總傳熱系數(shù)因此， kJ/ m2h由此可知，由計(jì)算得到的冷凝換熱系數(shù)與假定總傳熱系數(shù) kJ/m2·h·的基本一致。根據(jù)（3.1.2）中的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出冷凝器的模型并進(jìn)行加工。如圖3-4所示，為臥式殼管式冷凝器，尺寸如圖中標(biāo)注所示。冷凝器主要由外殼，水箱，換熱銅管，管板等部件組成，該冷凝器有拆卸安裝方便的特點(diǎn)。它的外殼由不

38、銹鋼板卷制，在水箱的管板上脹接有110根外徑，徑,長(zhǎng)的無(wú)縫黃銅管（BsTF4）。在水箱中有分隔板，具體安裝位置如圖3-5所示，冷卻水經(jīng)水箱I水箱II 水箱III，最終流出水箱。在殼體上焊接有1個(gè)溫度計(jì)插座、一個(gè)壓力表插座，其平均溫度為冷凝器部的蒸汽溫度。外殼側(cè)面的壓力表(量程為0.8MPa)可以測(cè)量出蒸汽的壓力。為了方便清理?yè)Q熱銅管中的水垢,水箱I和III可以拆卸。在管板中心直徑為200mm的圓周上有55根銅管，在直徑為260mm的圓周上有55根銅管。1 冷卻水出口 2 隔板 3 R-134a出口 4外殼 5 擋板 6 溫度計(jì)插座7壓力計(jì)插座 8 R-134a入口 9冷卻水入口 10 水箱圖3

39、-4 殼管式冷凝器結(jié)構(gòu)1水箱外殼 2分水隔板 3管子4管板圖3-5 水箱與其擋板3.1.3 冷凝特性的數(shù)值仿真冷凝器作為制冷 (熱泵)系統(tǒng)的一個(gè)重要部件 ,其傳熱性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著重大的影響46。本文針對(duì)小型殼管式冷凝器編制了穩(wěn)態(tài)傳熱仿真程序，利用該仿真程序分析討論了R134a和冷卻水入口溫度和流量對(duì)冷凝器傳熱性能的影響。該仿真程序可模擬計(jì)算出冷凝器中氟利昂出口溫度，管長(zhǎng)，殼側(cè)壓降，管側(cè)壓降，流速之間的變化關(guān)系。本文在建立冷凝器傳熱模型和模擬仿真軟件的基礎(chǔ)上討論各因素對(duì)冷凝器換熱性能的影響。3.1.3.1 換熱器數(shù)學(xué)模型與其求解為了既能滿足要求,又能最大限度地簡(jiǎn)化模型,加快計(jì)算速度,對(duì)冷

40、凝器換熱模型作以下假設(shè) 47(1) 不計(jì)管壁沿軸向?qū)?(2) 忽略不凝氣體對(duì)流動(dòng)和換熱的影響;(3) 工質(zhì)在管的流動(dòng)為沿軸向一維流動(dòng)且不考慮工質(zhì)沿程壓力損失。在初始工況下，工質(zhì)以過(guò)熱蒸汽狀態(tài)進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過(guò)水的冷卻逐步變?yōu)闅怏w和液體的混合物，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步冷卻至過(guò)冷液體后離開(kāi)冷凝器。當(dāng)工況變化以后，冷凝器出口狀態(tài)、冷凝器換熱量都隨之發(fā)生變化。根據(jù)冷凝器制冷劑可能的存在狀態(tài)，將冷凝器分為兩個(gè)相區(qū):過(guò)熱區(qū)和兩相區(qū)48。本文基于穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法分別對(duì)冷凝器的兩個(gè)相區(qū)建立均相流換熱模型。冷凝器各區(qū)換熱量是有很大差異的，兩相區(qū)換熱是冷凝器換熱的主要組成部分，它的換熱量大小直接影響著整個(gè)冷凝器換熱量的大小。

41、本文主要考慮其在兩相區(qū)的變化規(guī)律。公式中的符號(hào)見(jiàn)附表3熱交換器的能量守恒方程為： (3-8)其中下標(biāo)1代表流入，下標(biāo)2代表流出，下標(biāo)h代表熱流體，下標(biāo)c代表冷流體。假設(shè)為逆流布置，對(duì)數(shù)平均溫差如下： (3-9)， 總傳熱系數(shù)K由下式給出： (3-10)管的傳熱系數(shù)值近似為： (3-11)這里由于通過(guò)環(huán)形管道流體的性質(zhì)不變，對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流的充分發(fā)展的紊流流動(dòng)有下式： , (3-12)雷諾數(shù)由下式給出： (3-13)式中，普朗特?cái)?shù)為，由下式給出：殼的傳熱系數(shù)可以由下式得出：除了外，在殼流體平均溫度基礎(chǔ)上算出其他值，用溫度算。單元段長(zhǎng)度： (3-18)3.1.3.2 程序編制基于上述冷凝器換熱模型，可

42、以編制冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬仿真程序。設(shè)計(jì)計(jì)算程序可以根據(jù)R134a進(jìn)、出口狀態(tài)和冷卻水進(jìn)口狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)1.輸入已知參數(shù)：附表42.改變工質(zhì)入口溫度可得冷凝溫度，3.輸出結(jié)果：冷凝器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，工質(zhì)冷凝溫度，殼工質(zhì)壓力降，管工質(zhì)壓降模擬仿真仿真程序可以根據(jù)冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷凝器兩種介質(zhì)的入口狀態(tài)來(lái)計(jì)算冷凝器的出口狀態(tài)。在matlab.m文件創(chuàng)建下列函數(shù)：函數(shù)LMTDcorrFactor 用于計(jì)算；函數(shù)TubeFF 用于計(jì)算光滑管道的；函數(shù)WaterProperties 用于計(jì)算0到100間在任意一溫度點(diǎn)上冷卻水和見(jiàn)附表5；函數(shù)LMTD 用于計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差；函數(shù)hTubeOutsi

43、de 用于計(jì)算和；函數(shù)hTubeInside 用于計(jì)算；函數(shù)PressureDropLenth 用于計(jì)算和；函數(shù)T2HotSide 調(diào)用函數(shù)計(jì)算；函數(shù)flaProperties 用附表6給出的數(shù)據(jù)確定氟里昂的各種物理性能。通過(guò)計(jì)算，以上所得結(jié)果利用Origin6.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。結(jié)果與分析利用程序?qū)ι鲜龅睦淠鬟M(jìn)行性能模擬，確定殼管式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:確定：管外徑，管徑，傳熱管根數(shù)根。圖3-6 氟利昂R134a出口溫度隨入口溫度的關(guān)系曲線圖3-7 冷卻水的平均溫度隨管長(zhǎng)的關(guān)系圖3-8 R134a平均溫度隨冷凝器管長(zhǎng)變化關(guān)系圖3-9 R134a流量隨其平均溫度變化關(guān)系工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，此時(shí)工質(zhì)

44、是過(guò)熱蒸氣。隨著工質(zhì)向前流動(dòng)，在釋放氣體熱量的同時(shí)，受到沿管阻力等的影響，工質(zhì)的溫度先下降（飽和溫度）直到氣液混合體為止，在管長(zhǎng)的兩相區(qū)換熱量，溫度快速下降。由于向外放熱，工質(zhì)的平均溫度如圖3-8，可以看出，在過(guò)熱區(qū)，工質(zhì)的溫度變化很小，而在兩項(xiàng)區(qū)溫度急劇下降，這是由于工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱造成的。圖3-6所示工質(zhì)的出口溫度隨著入口溫度升高而呈線性升高。圖3-7所示在管冷卻水流動(dòng)過(guò)程中，其平均溫度逐漸升高。如圖3-9所示，工質(zhì)在管的平均溫度隨工質(zhì)流量增加而逐漸降低，隨工質(zhì)入口溫度變化，其下降幅度基本一樣。圖3-10 管長(zhǎng)隨冷卻水流量變化關(guān)系圖3-11 換熱量隨冷卻水流量變化關(guān)系圖3-12 換熱量隨冷卻

45、水平均溫度變化關(guān)系當(dāng)冷卻水流量發(fā)生變化時(shí)，冷凝器的換熱性能將隨之發(fā)生變化。圖3-10是工質(zhì)在不同入口壓力下，冷凝器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度隨冷卻水流量的變化曲線。當(dāng)冷卻水流量比較小時(shí)，冷凝器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度隨著流量的增加有明顯的減少;而隨著流量的升高，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的減少趨勢(shì)逐步變緩。圖3-11是在不同的工質(zhì)入口壓力下冷凝器換熱量隨冷卻水流量的變化曲線。當(dāng)流量比較小時(shí)，工質(zhì)的汽化潛熱沒(méi)能被充分利用，工質(zhì)以汽、液混合態(tài)流出冷凝器，隨著流量的增大冷凝器換熱量大幅度提高;當(dāng)工質(zhì)出口溫度較低時(shí)，冷凝器換熱量的增加趨勢(shì)逐步減緩直至基本維持不變。因此，冷卻水流量的選取不宜過(guò)大，只須使工質(zhì)出口保持相對(duì)較低的溫度即可。當(dāng)工質(zhì)入口壓力增大時(shí)

46、，冷凝壓力和冷凝溫度都隨之相應(yīng)提高，從而使冷凝器換熱溫差加大，增強(qiáng)了冷凝器的換熱效果。因此工質(zhì)入口壓力比較高時(shí)，在圖3-10中，冷凝器的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度有所減少;在圖3-11中只需要較小的冷卻水流量就能使工質(zhì)出口保持較低的溫度;而在圖3-12中，可以在較高的冷卻水入口溫度下維持工質(zhì)過(guò)冷而不使冷凝器換熱效果惡化。因此，較高的冷凝器工質(zhì)入口壓力有利于增強(qiáng)冷凝器的換熱效果。3.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定蒸發(fā)器的作用是將熱量從廢熱流傳遞給有機(jī)工質(zhì)R134a，它是整個(gè)系統(tǒng)能量傳遞的中轉(zhuǎn)站。在柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中，起著舉足輕重的作用。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為殼管式蒸發(fā)器、直立管式蒸發(fā)器、螺旋管式蒸發(fā)器和蛇行管式

47、蒸發(fā)器，本系統(tǒng)采用殼管式蒸發(fā)器。換熱系數(shù)在之間。有效溫差對(duì)于氟里昂約為549。工質(zhì)在飽和溫度下吸收熱量由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程稱為沸騰50。沸騰換熱是伴隨相變的對(duì)流換熱，是制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器的主要換熱方式。制冷系統(tǒng)中的沸騰，大多屬于管沸騰。受沸騰空間的限制，使沸騰產(chǎn)生的氣體和液體混合在一起，構(gòu)成汽液兩相混合物。因此，管沸騰換熱涉與到了管的兩相流動(dòng)問(wèn)題。圖 3-13 是管的沸騰情況，在流速比較高的情況下，若進(jìn)入管液體的溫度低于飽和溫度，這時(shí)流體與管壁之間的換熱是液體的對(duì)流換熱。之后液體在壁面附近被加熱到，但此時(shí)管中心溫度尚低于，僅管壁有汽泡產(chǎn)生，屬于過(guò)冷沸騰。隨后液體在整個(gè)截面上達(dá)到飽和溫度，進(jìn)入飽

48、和核態(tài)沸騰。這時(shí)流動(dòng)狀態(tài)先是泡狀流，逐漸變成塊狀流，屬于泡態(tài)沸騰。繼續(xù)被加熱后，氣體越來(lái)越多，大氣泡將進(jìn)一步合并，在管中心形成汽芯，把液體排擠到壁上，出現(xiàn)環(huán)狀流。此時(shí)的汽化過(guò)程主要發(fā)生在液氣交界面上，熱量主要以對(duì)流來(lái)通過(guò)液膜，屬于液膜的對(duì)流沸騰。之后液膜逐漸變薄，直到汽化完畢而進(jìn)入單相對(duì)流換熱過(guò)程。但在流速較低時(shí)，受重力的影響，氣體和液體分別集中在管的上、下兩半部分，進(jìn)入環(huán)狀流后，液體就不一定是連續(xù)地環(huán)繞在管的圓周上，導(dǎo)致局部換熱較差。查附表7的氟里昂R134a的熱力學(xué)性能表：75時(shí)飽和蒸汽的比焓：30時(shí)飽和液體的比焓: 有效溫差對(duì)于氟里昂約為546工質(zhì)流量蒸發(fā)器的熱負(fù)荷對(duì)數(shù)平均溫差換熱系數(shù)3

49、8，取傳熱面積采用紫銅管，每根長(zhǎng)，外徑，徑需要的銅管根數(shù)根圖 3-13 水平管管沸騰過(guò)程3.3 本章小結(jié)1.根據(jù)冷凝器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)確定為水冷式冷凝器，計(jì)算總換熱量和冷卻水需要量。通過(guò)假定總傳熱系數(shù)，求出其傳熱面積、求出傳熱管的外徑、管長(zhǎng)、傳熱管根數(shù)、管冷卻水流速，并根據(jù)冷卻水和R134a的物性值、管側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)、殼側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)、污垢系數(shù)、管金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，最終得出總傳熱系數(shù)，與假定的傳熱系數(shù)數(shù)值基本一致。所得的相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為冷凝器的設(shè)計(jì)參數(shù)。2.通過(guò)理論分析，針對(duì)冷凝器管殼式換熱器的換熱特性編制了程序，通過(guò) matlab軟件仿真，建立了換熱數(shù)學(xué)模型，當(dāng)工質(zhì)的入口溫度升高，其出口溫度隨之升

50、高；在管過(guò)熱區(qū)工質(zhì)的溫度下降比較緩慢，在兩項(xiàng)區(qū)下降迅速，這是由于冷卻水的蒸發(fā)潛熱造成的；較高的工質(zhì)入口壓力提高冷凝器的換熱效果；3.闡述了蒸發(fā)器沸騰換熱的機(jī)理，確定了蒸發(fā)器的換熱面積、管長(zhǎng)以與換熱根數(shù)。第4章 汽輪機(jī)噴管數(shù)值模擬與儲(chǔ)能充電電路設(shè)計(jì)4.1 噴管的數(shù)值模擬汽輪機(jī)噴管是一個(gè)把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的結(jié)構(gòu)原件。在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的高壓過(guò)熱蒸汽從噴管高速流入汽輪機(jī)，噴管的形狀對(duì)蒸汽獲得較高的速度有很大影響。根據(jù)流體力學(xué)可知，隨著噴管截面的逐步縮小，流速逐漸加大，直至最小截面管口處流速最高。這種噴管稱為漸縮噴管，汽輪發(fā)電機(jī)采用的噴管是漸縮噴管。4.1.1 噴管出口流速的計(jì)算根據(jù)流體力學(xué)可知，氣體

51、在噴管中流動(dòng)時(shí)，氣流與外界沒(méi)有功的交換，與外界熱量交換數(shù)值極小，可忽略不計(jì)，在管道作穩(wěn)定流動(dòng)的氣體或蒸汽應(yīng)服從絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程： (5-1) 噴管出口氣流流速的計(jì)算公式為式中，,為噴管進(jìn)口截面與出口截面流速度；、分別為噴管進(jìn)、出口截面上氣流的比焓值。其中，m/s , kcal/kg , kcal/kgm/s4.1.2 噴管的結(jié)構(gòu)模型從流體力學(xué)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。根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)換原理，沿噴管的壓力降低，造成氣體體積增大，氣體速度提高和流量增大。熱力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)噴管的蒸汽壓力降低到噴管入口壓力大約一半時(shí)，流速的增加要比流量的增大來(lái)得快，則截面應(yīng)

52、愈來(lái)愈小，即噴管必須是漸縮的。本文選擇三種典型的漸縮型噴管結(jié)構(gòu)模型53。如圖5-1為噴管模型軸向剖面圖，其中入口直徑，出口直徑，直管長(zhǎng)度，收斂管長(zhǎng)度都采取統(tǒng)一尺寸，以便比較那種結(jié)構(gòu)是最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。其中A 錐型噴管 B 整流管型噴管 C 變截面型噴管圖5-1 漸縮型噴管三種結(jié)構(gòu)模型4.1.3 數(shù)值模擬在不考慮流體的重力作用的情況下, 流體速度勢(shì)函數(shù)54滿足拉普拉斯方程： (5-2)另，不可壓縮流體的流速V與勢(shì)函數(shù) 有如下關(guān)系： (5-3)數(shù)值求解方程（5-2），可得到漸縮型噴管速度勢(shì)和流速分布，初始化構(gòu)建二維模型指定邊界條件生成網(wǎng)絡(luò)指定各分區(qū)的和v設(shè)置求解參數(shù)解方程，得出速度v，繪制等位線求出出口

53、處三角形的和v結(jié)束圖5-2 計(jì)算程序框圖具體步驟如下：1. 邊界條件的確立：如圖5-3所示，噴管入口和出口采用第一類邊界條件，其它邊界采用第二類邊界條件，為邊界的外法向，取場(chǎng)的對(duì)稱面或等勢(shì)線為邊界，則有。2.區(qū)域網(wǎng)格剖分：該問(wèn)題所研究的對(duì)象為近似圓柱或圓錐型噴管，從幾何形狀上來(lái)講滿足軸對(duì)稱條件；管壁受到一樣的邊界條件也是軸對(duì)稱的，因此該問(wèn)題可以按照軸對(duì)稱問(wèn)題進(jìn)行求解，取噴管縱截面，得到圖5-4所示的有限元計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其中網(wǎng)格單元為三角形單元。圖5-3 噴管邊界條件圖5-4模型的網(wǎng)格剖分3.設(shè)置求解參數(shù)：選擇流速向量參數(shù)。4.流速場(chǎng)分布圖5-5 A,B,C分別表示錐型噴管、整流管型噴管

54、、變截面型噴管三種噴管的流速場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果表明, 最大流速產(chǎn)生在噴管出口的回流區(qū)域,即變截面處。因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)該截面的流體流量一定時(shí)，截面越小,流速必然增大。所以，在噴管管壁和截面附近區(qū)域的流速變大,并產(chǎn)生回流。(A) 錐型噴管 (B) 整流管型噴管 (C) 變截面型噴管圖5-5 三種噴管流速分布圖4.1.4 計(jì)算結(jié)果1.基于流速場(chǎng)分布的噴管結(jié)構(gòu)確定通過(guò)圖5-5所示的流速場(chǎng)分布，可求得如圖5-6所示的三種類型噴管出口流速和勢(shì)差的關(guān)系。可以看出在入口處的同樣氣體勢(shì)差下, A型噴管的流速最大. 在一樣噴管勢(shì)差條件下，由于錐型噴管回流面積小，而其他兩種噴管回流面積均比這種噴管回流面積大，故其出口速度損失小。另外，從圖5-7可見(jiàn)，在整流管型噴管中，在一樣的勢(shì)差條件下，整流管長(zhǎng)度越短，其出口流速越大，當(dāng)整流管為零時(shí)，噴管變成錐型