（高电压与绝缘技术专业论文）基于有机朗肯循环的柴油机废气余热发电系统研究.pdf

哈尔滨哩t 大擘t 学珂i 七学位论文 基于有机朗肯循环的柴油机废气余热发电系统研究 摘要 为了净化大气环境和利用可再生能源，使人类社会得到可持续发展，本 文以回收柴油机废气余热热源为目的，开展了柴油机废气余热发电系统的研 究。 文中在对国内外相关领域进行了充分调研的基础上，结合工程实际状 况，针对柴油机废气余热发电特点，对现行的柴油机废气余热利用设备进行 比较，选择了r 1 1 为工质，由蒸发器、冷凝器、汽轮- 发电机组等主要部件 组成的有机朗肯循环热力系统模型。文中以热力学理论为基础，计算了柴油 机废气余热发电系统的运行参数( 比焓、熵、工质流量、雷诺数、蒸汽出口 速度等) 和各主要组件( 汽轮发电机组、冷凝器、喷管) 的结构参数，计 算了系统发出的电量。同时从热交换器换热理论出发，建立了表征工质水 冷凝器传热数学模型，针对小型壳管式冷凝器编制了稳态传热仿真程序，利 用该仿真程序分析讨论了工质r l l 和冷却水入口温度和流量对冷凝器传热 性能的影响。探讨了冷凝器结构尺寸随着工质和冷却水压力、温度、流速之 间的变化关系。 本文提出了汽轮机喷管的优化设计，利用有限元法，通过m a t l a b 软 件，对喷管的模型进行数值模拟和结构优化，在相同入口势差条件下，计算 出锥型喷管结构最优。 该项实验设计模型不仅可以应用于柴油机废气余热发电的研究，同样适 用于舰船、客车等大型交通工具的废气余热发电，而且对地热、太阳能及海 洋温差发电均有参考价值。 关键词柴油机；废气余热发电；有机朗肯循环 ：玺釜墨：盔：二兰2 ：差竺竺兰 d i e s e le n g i n ew a s t eg a sh e a tg e n e r a t i o nr e s e a r c h b a s e do no r g a n i cr a n k i n e c y c l e a b s t r a c t i no r d e rt oc l e a na t m o s p h e r ee n v i r o n m e n t ，u t i l i z er e p r o d u c i b l ee n e r g ya n d b r i n gh u m a ns o c i e t ys u s t a i n i n gd e v e l o p m e n t ，t h ep a p e rr e s e a r c h e si n t oad i e s e l e n g i n ew a s t e h e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t ht h ep u r p o s eo ft h er e c o v e r yo fa d i e s e le n g i n ew a s t e - h e a tr e s o u r c e b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h er e l a t e df i e l d sh o m ea n da b r o a da n dc o m b i n e d w o r kc o n d i t i o n , i na l l u s i o nt ot h ef e a t u r eo fd i e s e le n g i n ew a s t e - h e a tg e n e r a t i o n ， t h ec o m p a r i s o nw e r em a d eb e t w e e nt h ec u r r e n te q u i p m e n t s u t i l i z i n gd i e s e l e n g i n ew a s t e h e a ta n dt h el o wb o i l i n gp o i n tw o r k i n gn u i l _ r l 1i sc h o s e n , t h e e v a p o r a t o r , c o n d e n s e r , s t e a mt u r b i n e g e n e r a t o rg r o u pa n ds oo nc o m p o s et h e o r g a n i cr a n k i n ec y c l et h e r m a ls y s t e mm o d e l b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c s ，t h e o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s ( e n t h a l p y , e n t r o p y , w o r k i n gf l u i df l u x ，r e y n o l d sn u m b e r , s t e a me j e c tv e l o c i t y ) i sc a l c u l a t e d ，m a i n l y p a r t s ( s t e a mt u r b i n e g e n e r a t o r , c o n d e n s e r , n o z z l e ) s t r u c t u r ep a r a m e t e ri sc a l c u l a t e di np o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ， t h eg a i n e dp o w e rg e n e r a t i o ni sc a l c u l a t e di n s y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e t h e r m a lm a t h e m a t i cm o d e lo fw o r k i n g f l u i d w a t e rc o n d e n s e ri se s t a b l i s h e da n d t h es t e a d yd i a t h e r m a n c yp r o g r a mi sw o r k e do u ti naa l l u s i o nt ot h em i n i - t y p e s h e l l a n d t u b ec o n d e n s e r u t i l i z i n gt h i ss i m u l a t e dp r o g r a m ，i ta n a l y z e st h a tr i1 a n dc o o l i n gw a t e ra f f e c tt ot h ed i a t h e r m a n o u sp e r f o r m a n c eo fc o n d e n s e f d i s c u s s e st h ec o n d e n s e rs t r u c t u r ed e p e n d i n go nt h ew o r k i n g f l u i d ，c o o l i n gw a t e r , t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t yo ff l o w t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r do p t i m i z e dd e s i g no ft h es t e a mt u r b i n e g e n e r a t o rj e t n o z z l e ，u t i l i z i n gf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ，b ym a t l a bs o f t w a r e ，n u m c r i c a u y s i m u l a t e st h es t r u c t u r em o d e lo fn o z z l e a tt h es a m ec o n d i t i o no fd i f f e r e n c ei n p o t e n t i a l ，i tc a l c u l a t e ；t h a tt h es t r u c t u r eo fc o n i c a li e tn o z z l ei so p t i m i z e d n l ee x p e r i m e n t a lm o d e li sn o to n l ya p p l i e dt ot h er e s e a r c ho i ld i e s e le n g i n e w a s t e h e a tp o w e rg e n e r a t i o n ，b a ta i s oc o u l db ea p p l i c a b l ef o rt h ew a s t e - h e a t 竺：耋矍：奎兰：兰竺：竺兰耋 p o w e rg e n e r a t i o no fs h i p s ，t r u c k sa n ds oo n b e s i d e s ，i tc a nb ea v a i l a b l ei nt h e g e o t h e r m a l ，s o l a ra n do c e a nt h e r m a lg r a d i e n tp o w e rg e n e r a t i o n k e y w o r d s d i e s e le n g i n e ；w a s t eh e a t ；o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r e ) 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于有机朗肯循环的柴油机废 气余热发电系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：黼 同期：) q 乒弓月d 。f _ _ f 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于有机朗肯循环的柴油机废气余热发电系统研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期| 1 白j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 储签名：扔智博 吼诫年了月厅同 翩虢彩励嗍枷年月j r 哈尔滨理t 大学t 学面e 学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外柴油机废气余热利用技术发展概况 柴油发动机排放的气体包括一氧化碳、未燃净的碳氧化合物、水、一氧化 氮、氮、氢、硫以及各类微量元素如铅、溴等。一般来说，水占1 3 ，氢占 1 2 ，氧化氮占1 5 。其余部分主要由碳氢化合物和氧化氮组成l ”， 表卜1 为柴油机废气( 即柴油机排出的废气) 在不同条件下的化学组成。 对柴油发动机来说，仅由排气带走的热量就占进入发动机中的燃料所产生 的热量的3 0 - 4 5 ，而残余废气的温度约在6 0 0 一8 0 0 。利用这部分逸散到大 气中的废气余热利用朗肯循环技术进行余热发电，不仅可以节约能源，而且还 会因发电吸热降温对柴油机整体性能大有裨益。 在发达的工业化国家中，柴油机废气是构成大气污染的主要原因。例如在 美国，废气排放的一氧化碳占美国一氧化碳排放总量的6 6 ，碳氢化合物占 4 8 ，氮氧化合物占4 0 t 2 1 3 1 目前，国内外柴油发动机余热利用技术从热源来看，有利用发动机冷却水 余热和利用排气余热两种。从用途上来看，有废气涡轮增压，制冷空调、发 电、采暖、改良燃料等方式1 4 l 。 1 涡轮增压技术 废气涡轮增压技术【5 1 1 6 1 是借助废气中的部分能量来提高内燃机的迸气压力 进而增加充气量，以改善内燃机的动力性和经济性废气涡轮增压是当前废气 能量利用较为广泛的一种途径，但这种方法只能利用废气中的部分能量，且由 于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点，给增压内燃机的使用增 加了一些强制附加条件，造成使用不便。此外，这种装置在汽油机与小型柴油 机上使用较少。目静，多在大型柴油机上使用，使用范围受到一定限制。 2 利用废气余热制冷 由于压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物，导致温室效应加 剧。因此，通过回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，也是目前世界各 国都在研究的课题r q i 8 1 1 9 1 。 略尔滨理t 大学t 学碗士学位论文 表1 1 柴油机废气的化学组成 t a b l e ! - 1d i e s e lt a i lg a sc h e m i s t r yc o m p o n e n t 废气成分 行使条件 空挡加速定速减速 碳氢化合物p p m 8 0 05 4 04 8 55 0 0 0 碳氢化合物范围 3 0 0 1 0 0 03 0 0 4 8 0 02 5 0 5 5 03 0 0 0 1 2 0 0 0 ，p p i n 乙炔p p m 7 1 01 7 01 7 81 0 9 6 醛p p m 1 52 73 41 9 9 氮氧化物，p p m 2 3 5 4 3 1 2 7 0 1 6 氮氧化物范围p p m l o 5 01 0 0 4 0 0 01 0 0 0 3 0 0 05 5 0 4 9 1 81 78 1 一氧化碳，v 氧，v 1 81 51 78 ，l 排气量l r a i n 2 2 51 6 8 09 8 0 2 2 5 捧气温度 c 1 5 0 3 1 54 8 0 7 0 54 2 5 5 9 52 0 5 4 2 5 未燃烧燃料，v 2 8 82 1 21 9 61 8 0 二氧化碳v 1 0 21 2 46 0 金苏敏，陶玉灵研制热管废气余热溴化锂制冷机，可以直接利用烟气废热 或化学反应热来驱动溴化锂分解，对利用柴油机排烟废热驱动热管废热溴化锂 制冷机的运行特性进行了实验和分析，结果表明热管废热溴化锂制冷机可以直 接利用烟气废热、化学反应热来驱动，系统具有能源利用率高。能源可以得到综 合利用等优点l l o l 。 上海交通大学倪久建等利用金属氢化物与氢气发生可逆反应的原理、特点 和金属氢化物制冷循环的基本原理，设计了种由汽车废气余热驱动的车用金 属氢化物制冷循环系统，并针对汽车空调的运行环境具体描述了制冷循环的运 呛尔泞辟t 九车r 。肇嘶t 学峙玲史 行过程。这种循坏包括令属氢化物制冷系统、汽车空调风系统、作为中温换 源的室外空气系统和作为高温热源的中间介质换热系统四部分。反应器采用圆 筒管束型，卧式结构，高低温舍属氢化物分别为l a n i 4 。m n o ：。4 0 。3 和 。x 。n 。m 1 口：霄于金属管内，会属管中心设霄氢导管，用于吸、放氢气的流进 和流出，而换热流体介质则管外流过；每只反应器均有收集氢气的总管及其连 接出口。 3 废气能量发电 利用废气能量发电的方法基本有下三种，分别为利用半导体温差发电、氟利 昂汽轮机发电和废气涡轮发电。 ( 1 ) 半导体温差发电 随着半导体材料及其加工技术的发展，金属导体热电转化效率逐渐提高， 利用半导体温差发电在动力范畴有了应用的可能。资料表明m ：半导体温差发 电材料的热电转化效率可达3 3 ，甚至是7 。图1 2 是温差发电原理图。吉林 大学的董桂田通过试验证明用柴油发动机排气废气余热温差发电在性能上可以 l ，2 高温反麻器3 ，4 低温反戍器5 气水换热器6 风机盘管7 ，8 电 磁二通阀9 一1 5 空气管路二通阀1 6 ，1 7 氢气流毒调节阀1 8 水泵1 9 室外空气风机 2 0 室内空气风机2 1 ，2 2 氢气管路 。 图1 1 汽车空调两级金属氢化物制冷系统循环 f i g 1 。la u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o nt w ol e v e lm e t a lh y d r i d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mc y c l e f i ：泞理t 气学t 学修f 学忙毋史 和传统的柴油发电机相比i 。其昧珲为将两种不同类型的热电转换材 、 n 和p 的 一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由f 高温端的热激 发作用较强，空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动f ， 窑穴和电子向低温端扩散。从而在低温开路端形成电势差，温差发电使排气温度 降低导致排气压力减少，有助于柴油机噪声水平下降。同时温差发电本身是静 态f 能晕转换。没有旋转部件，勿需传动系统。f 且由于热电转换效宰低，只能 利用发动机废气余热的一小部分，有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有 更高热电转换效率的材料。 = 李燃三一酬 p 型半导体 叮一下 n 型半导体 矧摩 低温热流l 。 够e | 图i - 2 温筹发电( s e e k b a c k 效应) 原理 f i g ，i 2p r i n c i p l e o f d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e g e n e r a t i o n ( s e e k b a c ke f f e c t ) ( 2 ) 氟黾昂汽轮机发电 闩本的一色尚次首先提出利用发动机废热的氟里昂汽轮机发电装置f l ”，该 装冒利用种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质( 通常为氟利昂) 作为工质，使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动汽轮机发 电。此种装霄在利用低品位热能力方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重且 无工质回收装置。 b 1i e m 首先提出利用氮水混合物作为循环工质，以柴油机热源，并用汽轮 机排气预热工质实现废热发电，改善了循环性能。原理如图1 3 流体进口温度 4 5 5 c ，出口温度3 2 6 4 c ，工质从低温热源流体吸热量1 2 9 0 k w ，在汽轮机作内 部绝热膨胀，汽轮机排气进冷凝器温度3 8 1 ，冷却水带走热量1 1 4 0 k w ，循 环输出功率1 5 0 k w ，循环热效率1 1 6 3 t ”l 。 略尔傧理r 大学t 掌硕卜学位论文 图l 3氮- 水混合物朗肯循环 f i g ，卜3 a m m o n i a - w a t e rm i x t u r er a n k i n ec y c l e ( 3 ) 废气涡轮发电 青岛大学的张铁相提出利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想 l l u ”l ，并设计了一种新装置来实现，获得专利项。日本的占田佑也曾作过此 方面的实验1 1 7 1 ，证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行 所需电能，但未做进一步研究。此种装置结构简单，易于安装，但会对发动机 工作性能产生影响需要进一步研究。 集荚航晦学院刘福尘，黄凯旋1 啊述并分析了在废气涡轮发电技术应用发展 的基础上，重点阐述闪发式废气涡轮发电技术，并就其热平衡进行了分析。如 图卜4 所示，提出了程序设计框图及应用前景，对废气锅炉重新掏思，设计。 主要措施育：降低排气温度；提高蒸发量；加装过热器。其产生的蒸汽除供给 系统加热、生活杂用之外，完全有能力通过涡轮发电机在航行中产生电能，从 而取代柴油发电机，以满足全船电力负荷需求。这种“废热发电”的概念，特 别适用于推进功率较大的柴油机船舶。 随着柴油机废气参数的降低，其它废气发电系统很难满足全船用电需求。 而闪发式废气余热发电系统在主机相对低输出段还能很好地满足船舶用电要 求，而且结构上也比多压系统更为简单。因此，闪发式余热发电系统不失为一 种先进的具有较大适用范围的现代低速柴油机船舶动力装置余热发电装置，可 望得到进一步发展i l ”。 4 利用废气余热取暖和加热 余热式暖气装冒利用汽车发动机工作剩余热量供暖1 1 9 1 ，其优点足既不需要 在汽车上增加热源，又不增加发动机本身的热量消耗，成本较低、经济性好、 使用方便。其缺点是发热量的大小受发动机工况的制约，而且仅在冬季发挥作 用，废气能量利用不充分。另外，利用废气取暖时，换热装置增大了发动机排 气背压，将影响到发动机的工作性能1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 ”。 竺：重矍：耋兰三兰竺：兰堡尘圣 加热 备 p h 一废气锅炉的经济器，e v a p 一蒸芨器。s 件一过辛丸器。 图1 - 4 单段单压式余热发电系统 f i g i - 4o n es e c t - o n ep r e s s u r ew a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 内蒙古工业大学的高雪峰研制了一种利用汽车废气余热加热沥青的装置， 它利用热管换镍器回收汽车发动机排气的余熟去加热沥青。实验的t 体设备 有：e q l 0 9 2 f 型东风汽车( 重5 t ) ，柴油发动机( 额定转速下的功率n e = 9 9 k w ， 百公单燃油消耗量为2 5 5 l ) ，汽车废气余热沥青加热炉，燃油型燃烧器。 实验条件如下：汽车以平均时速6 0 k m h ，环境温度2 0 ，走行6 0 m i n 后， 废气加热系统趋于稳定，废气进1 ：3 温度为6 6 9 ，出口温度为1 5 7 。按照公 路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 的规定，道路石油的沥青加热温度应为 1 5 0 1 7 0 ，刚好该汽车废气余热沥青加热装置在修路时，满足这一温度要求 。 5 改良燃料 利用柴油发动机排气余热加热燃料，使其在催化剂作用下能分解出氢、一 氧化碳等可燃气体，可提高燃料的燃烧热值，减轻排放污染和积碳【2 4 1 1 2 ”。比如 甲醇，改良后h ：，c o 的含量可增丈2 0 l “1 ，可有效减轻污染和积炭。目前，这 种方法只应用到改良甲醇，对其他燃料的改良尚在研究中。这种方法只利用了 发动机余热的一小部分，其目的重在改良燃料而非充分利用废气能量口”。 呛尔涫理r 大学丁学修t 学付论文 1 2 国内外朗肯循环余热回收发展 t a k u m ih a s h i z u m e 介绍了以氨为工质的热温泉发电：这种热能资源能够大 量使用，在蒸发器中，热水( 温泉水) 以8 5 流入，5 5 流出，流量可达 2 0 0 l m m 。热能在汽轮机中转变为电能，j 下常运行时，工质氮在蒸发器中由液 体变成高魅氨蒸气，并且流入汽轮机中。产生的电能可达1 0k w t ”i 。 y z l u ，r z w a n g 研制出以柴油机为废气余热源的吸收式空调制冷系 统，在实验室模型己经实现，当冷凝温度为4 0 ，蒸发温度为7 时，其制冷 助率为3 3 k w 在夏天，平均冷凝功率是4 1 k w ，体积很大，但冷却效果好 【2 9 1 。 j o h n o 。e v e r e t t s 提出了一种可再生的朗肯循环，由于发电效率和蒸汽蒸发的 平均温度有关，蒸汽首先在预热炉中加热然后，通过五个涡轮带动轴产生扭 如，然后，一些蒸汽流入其他四个分裂器后，回流到预热器中，带动发电机发 电，其发电效率可以提高4 0 t ”i 。 在泰国，p a n y ay o d o v a r d ，j o s e p hk h e d “研究在工厂中柴油机和燃汽轮机中 废气余热转换为电能的效果，大约有3 3 燃气轮机和4 0 的柴油机燃料输入能 量能够产生电能；排气装置的废气余热能量，2 0 的燃气轮机和l o 柴油机可 转化为电能，其相应的净电能的大约是1 0 0 m k w t ”】。 在意大利北部靠雷西亚建成了一座朗肯循环涡轮机，其运行参数为：地 热水入口温度：1 0 6 。地热水出口温度：7 0 ，水流量：8 1 7 k g ，s ，冷却 水流量：3 4 0 k g s 。冷却水入口温度：1 0 ，冷却水出口温度：1 8 。电机：同 步发电机，低压产生电量：1 0 0 0 k w t ”i 。 应用在便携式小型发电系统中。工质足水，在冷凝器的温度是l o ，由于 工质的低凝固点，在冷凝器中温度差很大，从而利用效率高，增加输出能量。 总输入的能量能达到8 0 w 输出的能量可达到6 w ，效率可达到7 8 。这些损 失包括了轴承摩擦的损失，热传导损失，发电机损失( 5 0 ) 0 3 1 。 1 3 工作内容和课题意义 本文的芒要工作： l l 建立以柴油机废气为热源的有机朗肯循环运行系统，计算出系统运行 参数； 2 组建部件的设计。确定蒸发器、冷凝器的结构尺寸，建立冷凝器换热 略尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 数学模型，对冷凝器换热特性进行仿真分析； 3 确定汽轮机结构，计算汽轮发电机的发电效率：对汽轮机喷管进行结 构优化； 关于朗肯循环运行参数的确定以及热交换器的传热特性是本文研究的重 点。 随着环保意识的不断增强，新能源的开发和利用越来越受到重视一方面 从大型柴油机排放的废气余热对环境热污染严重；另一方面造成了能源浪费。 所以为了能源和环境的可持续性发展，废气余热的回收和利用成为发展中国家 和发达国家都在研究的热门问题。利用柴油机废气余热发电，是解决这一问题 的有效方法之一柴油机废气余热发电模型中存在的关键技术问题是所用的蒸 发器及冷凝器之间的温差小，换热能力弱，能量转化率低。在利用有机工质的 双循环系统的柴油机废气余热发电系统中，这样从根本上解决了对空气的热污 染和大气环境污染。 另外，本课题研究属应用基础研究，实验设计模型不仅可以应用于柴油机 废气余热发电的研究，同样适用于舰船、客车等大型交通工具的废气余热发 电，而且对地热、太阳能及海洋温差发电均有参考价值。 哈：滨理t 大学 学硕十学位论文 第2 章基于朗肯循环的柴油机废气余热发电模型系 统及主要参数热力计算 2 1 柴油机废气余热利用的空间和特点 从柴油发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总 热量的3 0 - 4 5 ( 柴油机) 。以废气余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的 5 5 - 7 0 ( 柴油机) ，主要包括循环冷却水带走的热量和废气带走的热量。表2 1 为柴油机和汽油机的热平衡表p 4 1 表2 一l 柴油机和汽油机的热平衡 t a b l e 2 一ld i e s e le n g i n ea n dg a s o l i n eh e a tb a l a n c e 热平衡各分项汽油机高速柴油机 中速柴油机 2 0 3 03 0 ，加3 5 4 5 转变为有效功的热量 2 5 3 02 0 2 5l o 2 0 冷却介质带走的热量 4 0 4 53 5 4 03 0 4 0 废气带走的热量 5 l ol o 1 5 其他热量损失5 l o 在发动机废气余热能量分析中大都采用能量衡算法聊j 。应用这种方法，把 发动机工作时消耗的燃料所发出的热量分为转变成有效功的热量、冷却介质带 走的热量、废气带走的热量和其它热量损失。 取6 2 5 0 z c d 型低增压柴油机为研究对象d s l ，这里假设柴油机达到热平衡 时，可按热平衡计算求取排气带走的热量。由于受余热利用设备进、出口温度 的限制，能供利用的最大热量( k ( k j m ) 可按下式估算。 q 乙= g ，c ，( f r t f ，：) ( 2 - 1 ) g ；= m ( 厶口妒+ 1 ) ( 2 2 ) c ，在“和：温度范围内，工质燃烧产物的平均等压比热，估算时， 可取! k j ( k g ) ( o 2 4k c a l k g ) f 。f 。余热利用设备前、后的排气温度，( 为防止余热利用设备结露 腐蚀，f ，值一般应大于1 4 0 1 5 0 ) g r 柴油机排气量，k g ，h g 值可由下式计算 式中柴油机功率，k w 相应功率时的耗油率，k g ( k w 。h ) 厶每公斤燃油燃烧时所需要的理论空气量，k g k g ( 一般为1 4 5 ) 口过量空气系数，四冲程柴油机口= 1 6 2 2 ；二冲程柴油机口= 3 4 妒扫气系数，四冲程低增压伊= 1 1 0 1 1 5 ；四冲程高增压妒= 1 2 0 1 2 5 当在札= 2 9 4 k w 运行时，= o 2 3 8 k g ( k w 。h ) ，f ，i = 3 8 0 ，2 2 1 5 0 c ，a2 1 6 ，伊= 1 1 。其排气可供利用热量q 。，g ，= 1 8 5 6 k g h ，级= 4 2 6 8 8 0 k j p a 2 2 柴油机废气余热发电模型 利用余热进行电能回收的发电设备容量主要应根据余热源的流量、温度和 工厂自身需要的电量来确定。余热发电系统有蒸汽轮机发电系统、氟里昂汽轮 机双循环发电系统、油一氟里昂双循环发电系统和三氟乙醇( f - 8 5 ) 汽轮发电 系统等1 3 6 1 1 3 7 1 1 3 8 1 炼铁厂的炽热焦炭的冷却装置和烧结矿、水泥厂的烧成窑、燃气轮机等的 排烟温度在4 0 0 1 0 0 0 c 之间，回收这些余热时，可采用蒸汽轮机发电系统 该发电系统的循环效率为4 7 左右。 对于2 0 0 4 0 0 。c 以下的余热源来说，在进行动力回收时，可使用氟里昂或 三氟丁醇等工质。本设计采用这种发电系统。 在回收1 0 0 1 5 0 c 的低温水和2 0 0 c 以下的排烟余热时，采用氟里昂汽轮发 电系统。 2 2 1 柴油机废气余热发电系统中的朗肯循环 发电系统如图2 1 所示，该系统主要由工质泵，废气余热蒸发器、汽轮发 电机和冷凝器，储液罐等组成p 9 】朗肯循环的四个过程为：氟里昂被废气流预 哈尔疗理丁大学t 学谚卜学位泠屯 热、汽化，变成过热氟里昂蒸汽( 过程a - b ) 。可视为等压吸热过程：过热氟里 昂蒸汽在汽轮机中通过喷嘴推动叶片转动，蒸汽在汽轮机中膨胀作功( 过程 b - c ) t 】j 说为可逆绝热嘭胀过程：由汽轮机排出的低压乏气进入冷凝器被循 环水冷卸( 过程c - d ) ，可视为可逆等甩放热过程：蒸汽破冷却为液念进入储 液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器( 过程d a ) 可视为可逆绝热压缩过 程。其反复循环的压力一体积关系( p v ) 和温度一焓关系t s 如图2 2 所示。 朗肯循环的热效率 玎：生二垒二! 丝二丝! 。鳢( 2 3 ) 。 一吃一吃 、 廷卜温度计 卜_ 压力衷 图2 - 1 柴油机废气余热发电系统 f i g 2 一id i e s e le n g i n eg a sw a s t eh e a tp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m p t a ) p v 图b ) t - s 图 图2 - 2 动力循环热力关系图 f i g 2 - 2h e a t i n gp o w e rr e l a t i o n s h i pc h a r t so f p o w e rc y c l e 竺堡堡矍三垒茎三兰2 ：茎堡兰三 2 2 2 工质的选择 在利用废气余热进行动力回收的过程中，要求工质吸收热量多，并能把这 一热量有效地转换。因此，被选用的工质必须具备如下条件： 1 工质循环蒸发潜热少、有效能效率高； 2 工质的压力水平适中，在柴油机废气余热中，相应的饱和压力不高，在冷却 温度下，不出现高度真空； 3 工质应有比热大、导热系数大和密度适当的特性； 4 具有无毒性，不易燃性和无腐蚀性等性能； 5 易输送和保存等； 因此，在柴油机余热作动力回收时，最好选用低沸点工质汽轮机的发电系 统。低沸点工质在汽化温度比较低的条件下，具有相应的汽化压力较高的特 点。为了能够最大限度地回收废气余热源的热量，使系统具有较高的效率，一 般采用具有较高的换热能力、能有效地将热能转换成电能的低沸点工质，如 r 1 1 、r 1 3 4 a ，r 2 2 、r 1 2 、r 1 4 2 b 、氨等。这种工质的沸点为2 3 7 0 c ，凝固 点为1 1 1 0 c ，临界温度为1 9 8 0 。c ，临界比容为1 8 0 5 l k g ，临界密度为 5 5 4 k g m 3 ，临界压力为4 3 2 1 m p a ，通常状况下气体粘度为1 1 3 x 1 0 n s m 2 ， 液体粘度为“o l o 。n s m 2 。不仅可回收1 0 0 1 5 0 的低温水和2 0 0 以下 的排烟余热，而且也能用冷水进行冷却。为防止工质的泄漏，系统的管路和零 部件必须具备良好的密封性能。 2 2 3 蒸发器压力和冷凝器压力的确定 饱和液体在蒸发器中汽化和蒸汽在冷凝器中凝结成饱和液体时，饱和压力 和饱和温度有对应关系【4 i i ，只要确定了蒸发器的温度 就能确定蒸发器中的压 力n ，确定了凝结温度f 2 0 ，就能确定冷凝器中的压力岛。 凝结温度温度为： tm=t+6t+缸1c(2-4) 式中，研一冷凝水的温升，历= f f ：一“，冷却水的温升大一些，式( 2 - 4 ) 中，需要的冷却水量可以减少。但是，凝结温度就较高。这样，冷凝器中压 力岛也较高，将使汽轮机进汽和排汽的压力差减少，通常可选5 一1 0 这垦 8 t = 8 。f 一在冷凝器出口端蒸汽和冷却水之间的传热温差。通常选择3 7 c 。这里a t = 5 。t t 已知室温2 0 ，t 2 0 = 2 0 + 8 + 5 = 3 3 ，确定冷凝器 n 、：1 哗f 享i - 羊坶f 。，分近 f n j 力p ，= o 15 m p a 。 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，运行时，；疑液 温度1 1 j 用温度计测蕈得到。工质象对液体作功引起得液体焓改变不大。故认为 其焓伯等f 冷凝器中饱和液体焓值。 蒸发器压力p ，的确定 1 午蕞发器中，由f 足隅蕾余属譬面传热，燕发温度，。和暖气出 】温度，。，之 川也臼如p 天系： f 2 2 ，i + ， ( 2 5 通常f = l 一2 工质在蒸发器中存在最佳蒸发温度。蒸发温度，在废气余热发电模型 中冷一疑器压力p ，确定之后，蒸发器的蒸发温度 选的高。一方面汽轮机进气 和排气的幔莘大，工质存汽轮机中的理想焓降可以较大：另一方面，蒸发温 度选得高，柴油机废气的排出温度k 2 也量相应提高，( f 。一f 。，) 值减少，柴油 机暖气余热能够产生的蒸汽量d 减少，即柴油机废气的能蕈利用程度降低。从 这两方向看，蒸发温度，i 的高低对( d h o ) 乘积的大小影响很丈，其中d 一蒸汽流 量，一理想焓降，影响柴油机废气的发电效果，因为乘积( 纸) 就是柴油机 暖气珲论可能转变为机械能( 或电能) 的热能数量，如图2 3 所示。 矗x 。 j 图2 - 3 最仕蒸发温度 f i g2 - 3t h eo p t i m a le v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e 理想焓降是随燕发温度t 。提高而增尺，而产生的蒸汽晕d 是随壤发温噎 t 提高向；碱少，在某一蒸发温度时乘积以) 为最大。( d h o ) 乘积达到最大值时 的燕发：品度通常称为最佳蒸发温度。 最f 燕发品瞍r 】j 以作近似计算，设柴。由机废气卡j j 温的，盈瞍为t 。冷；疑器冷 凝的绝埘温f 童为f 。在中i b j 介质法单缄发电系统中，当运行临界温良较高的低 沸点物质为介质时的最佳蒸发温度f ，按下式近似计算： f l 刮”j 等 但石 n 本系壬觅 柴油机暖气纠始，品度为：t = 2 8 0 冷上仃水入l i 温 噎一。= 2 0 ； 求得最佳蒸发温度为l = 7 5 。 最佳蒸汽温度的高低决定于柴油机废气初温1 。和冷凝嚣中的冷凝温度 f 。蒸发器的蕉发温度町以选择比最佳蒸发温度适当偏高几度( 如i - 2 ) 。根 据饱和r l l 的温度一压力关系曲线h ”，可以确定最佳蒸汽温度对应的蒸发压 1 为0 4 7 8 m p a ， 2 2 4 系统的运行参数计算 系统对应的示意图为图2 4 6 f a ) 图2 4中间介质法热力系统示意图 f i g 2 - 4m i d d l em e d i u mm e t h o dt h e r m a ls y s t e m 竺! ：兰墨：兰：兰竺! 兰竺兰塞 2 2 4 1 各特征点的状态参数的确定 在本系统中设定：b 点的温度( 即最佳蒸发温度) 7 5 。c ，c 点温度为 3 3 c ，d 点温度( 即冷凝温度) 为3 3 c ，忽略泵功率损耗。r 1 1 状态值可以从 附表7 查得： 点d ：工质为3 3 的饱和液体 熵： = 4 3 0 d k g 比焓： = 4 4 7 9 9 k j k g 点a ：工质经泵升压，为绝热过程，熵保持不变，温升可以忽略 熵： s o = s d = 4 3 0 k , k g o c 比焓：h oz = 4 4 7 9 9 点b ：工质为7 5 的饱和蒸汽 动力粘度：i l ，= 1 2 4 x 1 0 - n s m 2 熵：2 4 8 3 o c 比焓：h b = 6 4 5 8 8 比容：2 0 0 4 3 2 饱和压力：只= 0 4 7 9 m p a 点c ：工质的熵由b 到c 点保持不变 熵：s c 2 。4 4 3 g o c 比焓：吃= + 瓦( 一s a ) = 4 4 7 9 9 + 3 4 8 x ( 4 8 3 4 3 0 ) = 6 3 2 4 3 影么 2 2 4 2 运行参数的计算 b 处管道的内直径为2 5 m m ，工质流量为g ，= 0 0 5 6 k g s ，柴油机废气进气 温度f ，。= 2 8 0 1 2 ，出气温度t ，2 = 1 5 0 。 管道截面积s b = 万d 2 4 = 4 9 0 6 2 5 m m 2 运动粘度v = 一。k = 8 4 7 5 x 1 0 4 m 2 s 雷诺数：r e ：丝；1 9 9 9 7 1 ，说明运动是湍流的。 v 蒸发器换热能力： 只= ( 一h o ) q 。= 1 0 8 6 k w 冷凝器换热能力： = ( 嚏一) q ，= 1 0 2 9 k w 朗肯循环效率： 刀：丝二丝：6 4 5 8 8 - 6 3 2 4 3 1 0 0 ：6 8 0 。 吃一吃 6 4 5 8 8 4 4 7 9 9 2 3 本章小结 本章对柴油机废气的主要成分，以及废气的热量值作出了分析，根据工质 选择的原则，选择了具有低沸点的尉l 为工质，并根据实验条件，确定基于朗 肯循环的柴油机废气余热发电系统；在此基础上，通过热力学和流体力学理论， 对有机朗肯循环系统的运行参数工质流速、雷诺数、冷凝器和蒸发器的换热能 力和朗肯循坏的循环效率进行了计算。 竺：篓矍：兰二兰：! ：兰竺竺! 第3 章系统的换热元件结构设计 换热器的任务是使两种介质交换热量，系统中的主要换热器件为蒸发器和 冷凝器。本章在热力学设计的基础上，通过工程实际和利用计算机软件m a t l a b 仿真埘冷凝器进行结构设计和模型优化。 3 1 冷凝器的结构及其设计 冷凝器的任务是将汽轮机排出的高温、过热蒸汽冷却成为液态制冷剂，冷 却过程一般可分为三个过程： 1 过热蒸汽冷却成为干饱和蒸汽，由排气温度下的过热蒸汽冷却为冷凝温 度的于饱和蒸汽： 2 干饱和蒸汽冷却为饱和液体，干饱和蒸汽在冷凝温度下冷凝成饱和液 体，这一过程，就是蒸汽凝结为液体的过程； 3 饱和液体进一步被冷却为过冷液体，由于冷却介质( 水或空气) 的温度 总是低于冷凝温度，故在冷凝器的末端，饱和液体一般还可进一步被冷却，使 其成为过冷液体。 3 1 1 冷凝方式的确定 冷凝器的主要作用足使汽轮机排出的乏气凝结成液体，并使汽轮机的排汽 部分保持较低的压力，提高汽轮机出力，使热能得以充分的利用。 冷凝器的种类、传热原理和特点冷凝器是制冷装置的主要换热设备之一， 高温高压的制冷削蒸汽在冷凝器中冷却、冷凝，完成向高温热源的放热过程。 冷凝器的种类主要有空气冷却式( 风冷式) 、水冷式和蒸发式三大类。各种冷凝 器的结构性能特点如表3 1 所示1 4 2 l 。 根据其实际情况需要，考虑本系统要结构简单，体积小，重量轻，效率 高，故采用水冷式冷凝器。 表3 - 1 冷凝器的种类与特点 t a b l e3 - 1t h ec h a r a c t e ra n ds o no f c o n d e 矗岛r 项目风冷式水冷式 蒸发式 冷凝虚度与宅气f 球冷艇温度与冷却水温度 冷凝温度与空气 传热驱动力 温度差差湿球温度差 换热系数 小较大大 冷挺温度高较低低 用水蘑无循坏水流营小流毒小 管壳式