摘 要

目前世界上有大量中低温余热被浪费而没有被利用，这种情况不仅仅对自然环境造成热污染，而且还浪费能源。通过有机朗肯循环（ORC）热发电技术，可更好的利用这部分能源从而达到节能的效果，利用这部分能源进行热发电，可以减少热排放、提高经济效益。

本课题通过MATLAB对有机朗肯循环模型进行模拟，计算出循环过程中重要状态点参数。通过改变三个重要温度，最后得到结果当蒸发温度或过热度变化时工质流量与温度变化呈负相关、热效率与温度变化呈正相关；冷凝温度与工质流量呈正相关、与热效率呈负相关。然后进行设计换热器。参数要求如下：有机朗肯循环工质为R134a，蒸发温度为90℃，过热度为10℃，热源入口温度为125℃，其成分与空气一致；工质冷凝温度为30℃，冷凝水入口温度为20℃，发电功率为150kW。根据参数要求完成热力计算与结构设计。最终设计出管长6m，壳体内径1.3m的两相换热器与管长7.5m，壳体内径1.6m的单相换热器。

关键词：中低温热源 有机朗肯循环 换热器设计。

Design of ORC System Based on R134a

Absrtact

In the industry, a large amount of low-temperature waste heat is directly discharged, which not only causes thermal pollution to the environment, but also causes energy waste. Through the organic Rankine cycle (organic Rankine cycle) thermal power generation technology, the medium and low temperature heat source can be better utilized, and the use of this part of energy for thermal power generation can reduce heat emissions and improve economic efficiency.

This topic simulates the organic Rankine cycle model through MATLAB, and calculates the important state point parameters in the cycle process. By changing the three important temperatures, the final result is that when the evaporation temperature or superheat changes, the working fluid flow is negatively correlated with the temperature change, and the thermal efficiency is positively correlated with the temperature change; the condensation temperature is positively correlated with the working fluid flow rate and negatively correlated with the thermal efficiency. Then design the heat exchanger. The parameters are as follows: organic Rankine cycle is R134a, evaporation temperature is 90 °C, superheat is 10 °C, heat source inlet temperature is 125 °C, its composition is consistent with air; working fluid condensation temperature is 30 °C, condensate inlet temperature At 20 ° C, the power generation is 150 kW. Thermal calculation and structural design are completed according to the parameters. Finally, a two-phase heat exchanger with a pipe length of 6 m and a casing inner diameter of 1.1 m and a single-phase heat exchanger with a pipe length of 7.5 m and a casing inner diameter of 1.49 m were designed.

Key words: medium and low temperature heat source; organic Rankine cycle; heat exchanger design.

目 录

摘 要 I

Absrtact II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1. 关于有机朗肯循环工质选择的研究进展 1

1.2.2. 关于影响有机朗肯循环系统性能的参数的研究进展 1

1.2.3. 2

1.2.4. 2

1.3 研究内容 3

第二章 4

2.1 4

2.2 有机朗肯循环系统循环性能分析 5

2.2.1. 冷凝温度对系统性能的影响 5

2.2.2. 蒸发温度对系统性能的影响 7

2.2.3. 过热度对系统性能的影响 8

2.3 本章小结 9

第三章 换热器热力计算 10

3.1 两相换热器 11

3.1.1 流体的物性参数 11

3.1.2 传热量及平均温差 11

3.1.3 估算传热面积及传热面结构 11

3.1.4管程计算 12

3.1.5 壳程结构及壳程计算 13

3.1.6 需用传热面积 15

3.1.7 阻力计算 15

3.2 单相换热器 16

3.3 本章小结 17

第四章 换热器结构设计 18

4.1 两相流换热器 18

4.1.1. 壳体、管箱壳体及封头 18

4.1.2. 法兰 19

4.1.3. 换热管 19

4.1.4. 折流板 20

4.1.5. 拉杆与定距管 20

4.1.6. 膨胀节 20

4.1.7. 壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 20

4.2 单相换热器 21

4.3 本章小结 22

第五章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

附录一有机朗肯循环系统模拟 27

附录二换热器性能计算代码 31

2.1 单相换热器计算代码 31

2.2 两相换热器计算代码 35

第一章 绪论

• 1. 研究背景

社会的发展离不开能源的消耗，而现代人只顾发展而忽略的能源消耗对环境的影响，能源不足和环境污染是现在世界各国面临的巨大问题。受能源结构制约，我国工业生产中，存在着大量废热：我国工业锅炉排烟产生的热量基本都没有被合理利用而被浪费，这部分热量十分巨大，被浪费十分可惜所以我们应当好好利用这部分能量。但是，这部分能量因为温度十分的低，一般在150～300℃之间，因此难以利用。受水的沸点和潜热较高的限制，传统的蒸汽动力循环对低温热源转换效率低，经济性差。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称 ORC)采用低沸点有机工质，将低品位热能转换为高品质电能，是低温余热利用的有效途径^[1]。有机工质多采用干流体，膨胀后处于过热区，不会侵蚀膨胀机叶片，所以在低温热能发电方面以得到了广泛应用^[2]。近年来，有机朗肯循环系统在低热源领域有着相当大的优势，因此被许多学者重点关注。我国虽然对朗肯有机循环系统开始重视，但是由于起步较慢，研究与应用进程比国外慢了许多。国外相关技术已经基本成熟，然而我国才刚刚开始试行，因此我国还有巨大的发展潜力与市场。

• 1. 研究现状
     1. 关于有机朗肯循环工质选择的研究进展

有机工质泄露会引起臭氧层破坏、温室效应等环境问题，因此在工质选择过程中应该选择臭氧耗损值（ODP）为0而且全球变暖潜值（GWP）尽量低的工质^[3]。许俊俊等^[4]为了方便以后学者对有机朗肯循环工质的选择，通过MATLAB等工具建立了筛选体系。张丽娜等^[5]通过整合REFPRO与MATLAB编写了低品位余热发电有机朗肯循环系统热力性能的计算程序，此程序可更准确的对工质进行筛选。王华荣等^[6]选用多种不同工质通过BP-GA算法得出最优蒸发温度和冷凝温度，最终得出R245fa为所选工质中有机朗肯循环系统综合性能最好的工质。戴晓业等^[7] 研究了R245fa的热稳定性和材料的相容性。得出：在实际系统中，如果反应时间较长，可能会发生碳沉积，影响系统的运行效率。

• • 1. 关于影响有机朗肯循环系统性能的参数的研究进展

王华蓉等^[6] 以热效率和焓效率为目标函数，以蒸发温度和冷凝温度为变化条件，计算出最佳蒸发温度和冷凝温度。Florian Haberle等^[8]对地热源温度低于450K的有机朗肯循环系统进行了㶲分析; Invernizz C等^[9]将回热式微型涡轮机与有机朗肯循环相结合进行研究。研究得出：当微型涡轮机中的工质为多甲基硅氧烷时，功率提高了45kW，效率从30%增加到了40%。Mortaza Yari^[10]对610K地热作为热源的不同有机朗肯循环系统进行了㶲分析。薄华宇等^[11]以110℃地热水为热源，对跨临界有机朗肯循环系统进行模拟计算，最终得出最佳蒸发压力。

董冰等^[12]为了研究冷凝温度对有机朗肯循环系统性能的影响，采用三种冷凝器，选取三个城市的天气条件作为本实验的气候条件，计算出不同天气条件时的冷凝温度。最后得出：气温低、湿度小的地区有机朗肯循环系统性能较好。魏莉莉等^[13] 通过对比全液式以及其他两种换热器，管壳式和板式的试验。设计了管壳式预热器与全液式蒸发器相结合的系统，最终系统运行稳定，达到了传热的目的。提高了传热系数和传热效率。王羽平等^[14]通过研究最终得到近临界循环具有较好的变工况性能。

许多学者通过另一种方式优化系统性能，即通过优化系统结构来优化系统性能。罗琪等^[15]与Mago等^[16]都提出通过在结构中加入抽汽回热结构，他们最终得出加入抽气回热结构能显著的提升有机朗肯循环系统热效率。李宁等^[17]表明再热可以降低乏汽过高对汽轮机运行的不良影响。徐荣吉等^[18]通过实验得出，存在一个最佳值使循环有最大输出功率；蒸发温度对循环输出功率影响较大；冷凝温度对循环影响较小。余延芳等^[19]提出了再热、抽气回热和内回热三种方式相结合的新型有机朗肯循环系统，得到结论：新型系统热效率随着汽轮机抽汽压力提高而增大并且最佳再热蒸汽压力为1.4MPa。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：