低品位能源發(fā)電

1、蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要近年來，由于能源利用效率低困擾著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，節(jié)能問題越來越受到社會(huì)各界的重視，同時(shí)各種節(jié)能新技術(shù)新設(shè)備大量涌現(xiàn)出來。低品位能源的有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)余熱回收發(fā)電技術(shù)就是一種新型的能量回收技術(shù)。通過理論分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究。首先根據(jù)工程熱力學(xué)基本原理，分析了系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理，提出了系統(tǒng)運(yùn)行可采用的兩種方式:蒸汽動(dòng)力循環(huán)和汽液兩相循環(huán)方式；說明了確定系統(tǒng)各主要參數(shù)（包括換熱器和冷凝器的溫度壓力參數(shù)、熱負(fù)荷及系統(tǒng)冷卻水量、發(fā)電功率等）的方法以及系統(tǒng)冷卻方案的選擇。最后，進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)

2、。在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的初步選型，了解主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，簡(jiǎn)單說明螺桿膨脹機(jī)性能的測(cè)試方法，為將來實(shí)際操作過程積累經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)這種新型低品位能源回收技術(shù)的研究，已經(jīng)說明了它在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)余熱回收發(fā)電技術(shù)的研究成果，不僅為將來系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)，考慮到中國的實(shí)際國情，它為提高我國的能源利用效率提出了一種新的解決方法，在工程應(yīng)用上有重要意義。關(guān)鍵詞：循環(huán)；螺桿膨脹機(jī)；有機(jī)工質(zhì)ABSTRACTIn recent years, because low energy usage persecutes the development of ec

3、onomy and society, people attach important to energy conservation problem more and more, and many new technology and equipment appear. The organic working fluids bicirculating screw expander power generation technology of surplus heat recovery is just a new energy recovery technology.Organic working

4、 fluids bicirculating screw expander system is researched by theoretical analysis and computer simulation. Firstly, based on the basic principles of engineering thermodynamics, the basic operation principles of this system is analysed, two adoptable ways of system operation are put forward: vapour p

5、ower cycle way and vapour-liquid two-phase cycle way; then the method to determine the main parameters (included temperature, pressure and heating load of evaporator and condenser, cooling water mass, electric power and so on) and the choice of system cooling program are illustrated. After that, The

6、 preliminary design experiments are done for Organic working fluids bicirculating screw expander system. In the design process，we have a simple selection about Experimental equipments and get to know Experimental equipment type and technical parameters. It is necessary for specifying the test method

7、s of screw expander.By the research on this new surplus heat recovery technology, the thesis has approved its feasibility in both technical and economical. Its research conclusions not only supply the theoretical basis for the future experimental research, considered the situation of our country, it

8、 puts forward a new settlement to increase energy useage, and so has an important meating in engineering application.Keywords: Cycle；Screw；expander；Organic；workingIV目 錄第一章 緒論11.1 螺桿膨脹機(jī)11.2 螺桿膨脹機(jī)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀21.3 螺桿膨脹機(jī)余熱回收發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)介31.4 問題的提出61.5 課題主要研究內(nèi)容7第二章 有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)原理82.1 有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)組成及特點(diǎn)82.

9、2 有機(jī)工質(zhì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)和有機(jī)工質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)92.3 確定系統(tǒng)各主要參數(shù)的方法102.3.1 確定冷凝器的溫度壓力參數(shù)112.3.2 確定換熱器的溫度壓力參數(shù)122.3.3 確定系統(tǒng)其余參數(shù)142.4 計(jì)算實(shí)例16第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)223.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述223.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹223.1.2 實(shí)驗(yàn)方法223.1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?33.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)233.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法26第四章 系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)選擇要求及經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益284.1 低沸點(diǎn)工質(zhì)的重要性284.1.1 低沸點(diǎn)工質(zhì)介紹284.1.2 系統(tǒng)對(duì)低沸點(diǎn)工質(zhì)的基本要求284.2 效益分析294.2.1 經(jīng)濟(jì)效益294.2.

10、2 環(huán)保效益30結(jié) 論32致 謝33參考文獻(xiàn)34附錄1 水及一些常見低沸點(diǎn)工質(zhì)的特性參數(shù)35附錄2 R113工質(zhì)的熱物性參數(shù)表36蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論 當(dāng)今，節(jié)能問題越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注，我國節(jié)能工作的總要求是：落實(shí)節(jié)約資源的基本國策，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，加強(qiáng)法制建設(shè)，深化體制改革，強(qiáng)化宣傳教育，調(diào)動(dòng)市場(chǎng)主體節(jié)約資源的積極性，逐步形成節(jié)約型的增長方式和消費(fèi)模式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。在宏觀調(diào)控下，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種節(jié)能新技術(shù)設(shè)備從各個(gè)技術(shù)門類中紛呈涌現(xiàn)出來。 現(xiàn)有的將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者電能的動(dòng)力機(jī)。主要由燃燒油、氣的燃燒動(dòng)力機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）和

11、利用蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)。低品位能源一般都以蒸汽、汽水混合物、熱水等形式存在，或者其它形態(tài)通過換熱器轉(zhuǎn)換成這種形態(tài)存在，因而回收低品位能源的設(shè)備主要以汽輪機(jī)為主。根據(jù)汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。它只能適用于過熱蒸汽。干凈蒸汽而且蒸汽流量和參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的熱源情況。設(shè)備要求的人員技術(shù)水平和維護(hù)條件都很高。這種技術(shù)特點(diǎn)使得汽輪機(jī)大多適合于帶基本負(fù)荷的發(fā)電企業(yè)，無法應(yīng)用在現(xiàn)有工業(yè)大量低品位余熱廢熱的回收利用中。為解決這個(gè)技術(shù)難題，全世界許多能源工作者付出大量心血，積極開發(fā)新型的低品位熱能動(dòng)力機(jī)。希望不僅能回收各種復(fù)雜的低品位浪費(fèi)的熱能，而且效率高、安全可靠，容易施工和運(yùn)行操作，在許多能源技術(shù)相對(duì)薄弱的用戶企業(yè)也可以

12、應(yīng)用推廣的熱能動(dòng)力機(jī)。 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)就是這樣一種低品位熱能動(dòng)力機(jī)，它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換成熱能，是一種在當(dāng)前能源利用領(lǐng)域重大突破性的新型動(dòng)力機(jī)。1.1 螺桿膨脹機(jī) 螺桿膨脹機(jī)是一種按容積變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機(jī)械。它沒有活塞式機(jī)械那樣的氣閥、活塞等滑動(dòng)部件，因而可進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，氣流速度比普通容積式機(jī)械大的多。它不但具有螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速高、工藝性良好和無磨損、無不平衡的質(zhì)量力等特點(diǎn)，而且可應(yīng)用現(xiàn)有的螺桿壓縮機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)來進(jìn)行生產(chǎn)。螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)基本相同，主要由一對(duì)陰陽轉(zhuǎn)子、外殼、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等極少的零件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其外殼呈兩圓相交的“”字形

13、，兩根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于外殼中。圖1-1 螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)部轉(zhuǎn)子示意圖螺桿膨脹機(jī)的工作周期是由齒間容積中的吸氣、膨脹和排氣三個(gè)過程組成的。吸氣過程中，工作介質(zhì)直接從縱向或軸向進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A，吸入終了時(shí)，吸氣口關(guān)閉，這時(shí)齒間容積就形成了一個(gè)有轉(zhuǎn)子和機(jī)殼共同圍成的密閉空間，吸入的介質(zhì)在此空間膨脹并產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩。齒槽A隨介質(zhì)的膨脹向排氣端移動(dòng)到B、C、D，當(dāng)嚙合點(diǎn)到達(dá)排氣端，膨脹過程結(jié)束，這時(shí)螺桿齒間容積最大。當(dāng)膨脹過程結(jié)束的同時(shí)，吸氣端的又一個(gè)嚙合開始，新的嚙合點(diǎn)又開始向排氣端移動(dòng)。排氣過程開始，齒間容積減少到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角相一致的位置時(shí)的大小，介質(zhì)最后從

14、齒槽E排出。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷循環(huán)重復(fù)，實(shí)現(xiàn)氣體的吸氣、膨脹、排氣三個(gè)連續(xù)不斷的過程。這就是螺桿膨脹機(jī)的工作原。從膨脹始點(diǎn)到終點(diǎn)，隨著膨脹過程的進(jìn)行，其壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對(duì)外做功。1.2 螺桿膨脹機(jī)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀2 對(duì)于螺桿膨脹機(jī)的研究最早始于1952年，當(dāng)時(shí)，H. R. Nillsen取得了螺桿膨脹機(jī)作為動(dòng)力機(jī)的專利。但此后的二十年內(nèi)，螺桿膨脹機(jī)的研究進(jìn)展緩慢，發(fā)表的文章也不多。直到70年代初能源危機(jī)的出現(xiàn)以及地?zé)崮?、太陽能及工業(yè)余熱的開發(fā)和利用受到注意以后，螺桿機(jī)作為一種有效的低焓能源動(dòng)力利用的動(dòng)力機(jī)，才重新得到重視。螺桿膨脹機(jī)作為汽液兩

15、相膨脹機(jī)的嘗試始于1971年，1973年美國水熱力公司的R. Sprankle獲得了螺桿膨脹機(jī)用于地?zé)岚l(fā)電的專利。Sprankle用雙螺桿膨脹機(jī)膨脹濕蒸汽或者恒壓熱水作為回收功的一種方式，主要回收來自液體或低干度部分的地?zé)猁}水的功。兩相流體的膨脹又稱為“全流”過程，因此這種方案又稱為全流方案。1971至1973年，美國水熱電力公司將兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)改造為膨脹機(jī)，并分別在加利福尼亞ImperialValley和墨西哥CerroPriero進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)80年代初，在世界能源組織（IEA）的資助下，美國水熱電力公司設(shè)計(jì)、制造了1MW大型螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，并分別在新西蘭、意大利和墨西哥進(jìn)行

16、了機(jī)組的性能及可靠性實(shí)驗(yàn)，膨脹機(jī)的最大效率達(dá)。 1983年，日本學(xué)者Tatuhi Kanneko等人對(duì)空氣螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行了理論分析，利用理想膨脹機(jī)的示功圖導(dǎo)出來理想螺桿機(jī)的效率和功率表達(dá)式，并在螺桿機(jī)上打孔，安裝動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)，得到實(shí)際螺桿膨脹機(jī)的示功圖，將螺桿膨脹機(jī)的研究引向?qū)C(jī)內(nèi)過程的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的階段。 兩相螺桿膨脹機(jī)除了應(yīng)用在地?zé)岚l(fā)電廠外，還可以應(yīng)用于化工廠及用于空調(diào)和熱泵系統(tǒng)的大型蒸汽壓縮設(shè)備的節(jié)流過程，來代替節(jié)流閥，通過利用徑流透平和螺桿膨脹機(jī)回收功可以達(dá)到更高的效率。但國外的實(shí)踐表明，這些方案共同的特點(diǎn)是，膨脹效率仍然較低。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，徑流透平的絕熱效率是67%

17、，而全流螺桿膨脹機(jī)的效率幾乎不到50%，這也是阻礙兩相膨脹機(jī)應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)主要因素 經(jīng)過多年研究，目前的螺桿膨脹機(jī)可以在每級(jí)固定容積比3:1下，獲得較大的膨脹比。這樣就允許在體積相當(dāng)小的機(jī)械中有較高的質(zhì)量流速，因此減小了泄漏損失。 在正確設(shè)計(jì)下，小機(jī)器可以達(dá)到70%-75%的絕熱效率，在大機(jī)械中，如果提供合適的工質(zhì)，如制冷劑、輕的烴化合物，還可以增加到80%。當(dāng)水作為工質(zhì)的時(shí)候，相同的容積比下絕熱效率降低。如果提高容積比，又會(huì)要求機(jī)械體積較大，從而泄漏損失增加。這就是以水為工質(zhì)的螺桿膨脹機(jī)效果差的原因。 我國對(duì)全流螺桿膨脹機(jī)的研究始于20世紀(jì)80年。當(dāng)時(shí)，天津大學(xué)熱能研究所開展了螺桿膨脹機(jī)全流

18、系統(tǒng)的研究。1987年，我國第一臺(tái)汽液兩相地?zé)岚l(fā)電螺桿膨脹機(jī)小型試驗(yàn)裝置在天津大學(xué)熱能研究所研制成功（功率為5kW），此后，天津大學(xué)繼續(xù)對(duì)螺桿膨脹機(jī)性能、調(diào)節(jié)方法、設(shè)計(jì)、加工及組裝技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研。九十年代初，在前期研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相當(dāng)于400kW機(jī)型的汽液兩相螺桿膨脹機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)研究并獲得成功，通過國家級(jí)專家鑒定驗(yàn)收。該試驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)，螺桿膨脹機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)及配套裝備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。發(fā)電質(zhì)量達(dá)到并網(wǎng)要求。螺桿膨脹機(jī)內(nèi)效率達(dá)到70%，整個(gè)裝置全部國產(chǎn)化。目前，這種螺桿膨脹機(jī)機(jī)型的應(yīng)用示范工作正在加緊進(jìn)。1.3 螺桿膨脹機(jī)余熱回收發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)介 螺桿機(jī)由一對(duì)陰、陽轉(zhuǎn)

19、子和機(jī)殼組成，高壓工作流體進(jìn)入工作齒槽推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功，同時(shí)容積增加，流體降壓膨脹做功，功率由主軸陽轉(zhuǎn)子輸出帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的低壓流體流出螺桿。 從技術(shù)實(shí)用性及設(shè)備運(yùn)行方面分析比較，采用螺桿機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)鮮明、并有同類型汽輪機(jī)發(fā)電不可比擬的優(yōu)越性。 與小型汽輪機(jī)相比，螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的特為：（1）螺桿膨脹機(jī)除適用于汽液兩相、熱水和飽和蒸汽外，也適用于過熱蒸汽。（2）螺桿機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要部件僅兩根螺桿和外殼，安裝維修容易。（3）機(jī)組轉(zhuǎn)速可調(diào)，一般可按被驅(qū)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，直接驅(qū)動(dòng)，不需要減速器，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪聲低。圖12 螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)組示意圖（4）螺桿膨脹機(jī)為容積式工作原理

20、動(dòng)力機(jī)，機(jī)內(nèi)流速低，除泄漏損失外，很少有其它損失，機(jī)組效率較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動(dòng)仍能保持高效。（5）螺桿機(jī)除軸承、密封外，無其它磨損件，螺桿轉(zhuǎn)速不高，機(jī)組壽命長，維修費(fèi)用低，安全可靠性高。（6）螺桿膨脹機(jī)允許單機(jī)和并網(wǎng)運(yùn)行，扭矩大，能直接拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵或壓縮機(jī)，當(dāng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)能承受較大的沖擊負(fù)荷。（7）螺桿機(jī)對(duì)于工業(yè)鍋爐蒸汽或工廠熱水品質(zhì)要求不高，因?yàn)槁輻U與螺桿、螺桿與機(jī)殼的相對(duì)運(yùn)行是具有除垢自潔能力的，而未能除去的剩余污垢可起到減少間隙的作用，減少了泄漏損失，提高了機(jī)組效率。（8）螺桿膨脹機(jī)是小型汽輪機(jī)的替代產(chǎn)品，可廣泛用于工業(yè)余熱余壓動(dòng)力回收及作為地?zé)崽柲艿刃履茉磩?dòng)力機(jī)。（9）

21、螺桿機(jī)采用新型微機(jī)調(diào)速控制裝置，機(jī)組啟動(dòng)及帶負(fù)荷操作很簡(jiǎn)單，正常運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人管理。 由于我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能源沒有充分達(dá)到梯級(jí)利用，所以該項(xiàng)技術(shù)適合我國國情；又由于我國能源利用率較低，含熱資源量大而廣，這為利用螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行余熱回收發(fā)電提供了廣闊空。（1）我國現(xiàn)有鍋爐約50萬臺(tái)，其中相當(dāng)部分610t/h鍋爐的額定蒸汽壓力為1.3MPa，由于生產(chǎn)工藝方面的原因，需降壓運(yùn)行、減溫減壓使用，造成大量浪費(fèi)。（2）隨著工業(yè)的發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，城市集中供熱普及率也將不斷提高，供熱站一般都有部分余壓可以利用，而且熱源條件也不錯(cuò)，利用螺桿機(jī)進(jìn)行發(fā)電，其節(jié)能效益、社會(huì)效益、環(huán)保效益將十分

22、顯著。（3）大量的工業(yè)窯爐消耗了大量能源。如水泥行業(yè)，由于生產(chǎn)工藝落后，企業(yè)平均熟料能耗是國外先進(jìn)水平的2倍以上，窯爐排出的廢氣溫度在300400左右，余熱回收率僅為2%，是發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用的一個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)，提高余熱利用率對(duì)企業(yè)節(jié)能有重要意義。（4）鋼鐵廠的高爐沖渣熱水及高爐煤氣這部分余熱的回收發(fā)電也具有巨大的市場(chǎng)潛力。圖1-3 螺桿膨脹機(jī)在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用（5）其它如大型柴油機(jī)廢氣，石油化工行業(yè)及新能源利用都是該技術(shù)發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要市場(chǎng)。圖1-4 螺桿膨脹機(jī)在石油化工行業(yè)應(yīng)用 以上列舉的各項(xiàng)，雖然反應(yīng)出我國能源利用率低，浪費(fèi)大量余熱的情況，說明了我國加強(qiáng)節(jié)能工作的重要性和緊迫性，但也同時(shí)體現(xiàn)

23、了螺桿膨脹機(jī)余熱回收發(fā)電的應(yīng)用前景。1.4 問題的提出 在上節(jié)中，可以看出利用螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行余熱的回收發(fā)電在技術(shù)上是完全可行的，并且有很廣闊的市場(chǎng)空間。但在實(shí)際的應(yīng)用中，針對(duì)具體情況，系統(tǒng)需要相應(yīng)的進(jìn)行一些改變。單循環(huán)系統(tǒng)（即將含熱流體直接引入螺桿膨脹機(jī)利用的系統(tǒng)方式）更適用于高溫高壓流體的能力回收，而與之相對(duì)應(yīng)的雙循環(huán)系統(tǒng)（即低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)與含熱流體進(jìn)行換熱后在引入螺桿膨脹機(jī)利用的系統(tǒng)方式）對(duì)含熱流體的水質(zhì)的好壞以及流體的溫度和壓力都沒有太高的要求，甚至六七十度的低溫?zé)崴?，也可以通過雙循環(huán)的系統(tǒng)方式發(fā)。而這種溫度范圍的工業(yè)余熱在全國是很普遍的，將這部分能量回收起來，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并

24、為提高我國的能源利用率做出巨大貢獻(xiàn)。 由于國外，特別是發(fā)達(dá)國家的工業(yè)能源利用效率較高，并不像國內(nèi)有如此巨大的工業(yè)余熱資源，所以目前似乎并沒有進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)的研究，無法檢索到關(guān)于這方面的文章。國內(nèi)在70年代設(shè)計(jì)了一些地下熱水的“中間介質(zhì)法”的雙循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電的地?zé)犭姡绾颖睉褋淼貐^(qū)的地?zé)嵩囼?yàn)電站、江西宜春縣溫湯地?zé)嵩囼?yàn)電站等，運(yùn)行情況良好，達(dá)到而來設(shè)計(jì)要求，但后來都沒有持續(xù)下去。 目前，有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)還處于理論研究階段，國內(nèi)并沒有實(shí)際投入運(yùn)行的工業(yè)系統(tǒng)，考慮到中國的實(shí)際國情，對(duì)有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的研究是很有意義的，將會(huì)為未來的實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。1.5

25、課題主要研究內(nèi)容 本課題以工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，對(duì)有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)這種新型的余熱回收技術(shù)進(jìn)行了研究。 根據(jù)設(shè)計(jì)、計(jì)算、選型等有關(guān)資料，整理出畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，主要內(nèi)容如下：1 研究有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，以及確定系統(tǒng)各主要參數(shù)的方法；2 通過計(jì)算，完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)初步選型，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)；3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益分析。第二章 有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)原理2.1 有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 如緒論所述，有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)是一種含熱流體與低沸點(diǎn)工質(zhì)換熱，再將低沸點(diǎn)工質(zhì)引入螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行能量回收的系統(tǒng)方式。整個(gè)系統(tǒng)主要是由換熱器、螺桿機(jī)、冷凝器、工

26、質(zhì)泵等設(shè)備和和一些管道組成。 含熱廢水（汽）在經(jīng)過一定的雜質(zhì)處理過程后，進(jìn)入換熱器加熱有機(jī)工質(zhì)，使工質(zhì)溫度升高，到達(dá)飽和溫度，生成飽和汽或汽液兩相。從換熱器排出的工質(zhì)（飽和汽或汽液兩相）進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的汽液混合物從螺桿機(jī)排出進(jìn)入冷凝器，將其中的蒸汽冷凝，最后再經(jīng)工質(zhì)泵返回?fù)Q熱器（見圖2-1）。這種有機(jī)工質(zhì)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)，具有回收余熱量大、設(shè)備緊湊、發(fā)電效率高等特點(diǎn)。圖2-1 有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)示意圖此外，這種系統(tǒng)：首先，低沸點(diǎn)物質(zhì)在這個(gè)閉合回路中循環(huán)，工質(zhì)運(yùn)行時(shí)起“介質(zhì)”的作用，只要管道和設(shè)備嚴(yán)密不漏，低沸點(diǎn)物質(zhì)并不消耗；其次，低沸點(diǎn)物質(zhì)在循環(huán)中和含熱流體、

27、冷卻水都不是直接接觸的，而是隔著管壁傳遞熱量，因此，除了排出的含熱流體溫度降低了一些，冷卻水溫度升高了一些外，這兩部分在品質(zhì)上都沒有任何變化，仍然可以用作其它生產(chǎn)，生活用途。 根據(jù)換熱器出口狀態(tài)的不同，有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)又分成有機(jī)工質(zhì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)和有機(jī)工質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)兩種循環(huán)方式。2.2 有機(jī)工質(zhì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)和有機(jī)工質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán) 當(dāng)換熱器出口為飽和蒸汽或過熱蒸汽時(shí)，采用有機(jī)工質(zhì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)方式，見圖2-2（1-2s-3-4-1）。從T-S圖上，可以看出這就是一個(gè)理想的朗肯循環(huán)13。圖2-2 有機(jī)工質(zhì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)圖 螺桿機(jī)中的膨脹過程12s：可逆絕熱過程，即定熵過程。應(yīng)用開口

28、系統(tǒng)能量方程，過程中工質(zhì)對(duì)外做功。 冷凝器中的放熱過程2s3：定壓過程。過程中工質(zhì)放熱 工質(zhì)泵中的壓縮過程34：定熵過程。過程中工質(zhì)接收外功 換熱器中的吸熱過程41：定壓過程。過程中工質(zhì)吸熱 由于工質(zhì)的不可壓縮性（或壓縮過程中比體積變化很?。?，故泵功?？砂聪率浇朴?jì)算： 在通常的朗肯循環(huán)中，例如最簡(jiǎn)單的水蒸汽動(dòng)力循環(huán)中（由鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和水泵組成），由于泵耗遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)做功，所以在近似計(jì)算中常常忽略泵功不計(jì)。但在有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿機(jī)系統(tǒng)中，由于工質(zhì)的飽和壓力和流量的緣故，工質(zhì)泵耗功相對(duì)于螺桿機(jī)做功并不是可輕易忽略的，這在計(jì)算系統(tǒng)發(fā)電能力時(shí)尤為重要。 所以循環(huán)的熱效率為 如果考慮螺桿機(jī)內(nèi)的

29、各種不可逆損失，即蒸汽在螺桿機(jī)中如圖22所示有狀態(tài)1不可逆絕熱膨脹至狀態(tài)2，則螺桿機(jī)的實(shí)際作功量將小于理想情況下的作功量，即螺桿機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率目前由國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)測(cè)得的螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率在65%75%之間。當(dāng)換熱器出口為濕蒸汽時(shí)，采用有機(jī)工質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)方式，見圖23。圖2-3 有機(jī)工質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)圖 從圖2-3可以看出汽液兩相動(dòng)力循環(huán)與蒸汽動(dòng)力循環(huán)在循環(huán)方式上大體上是一樣的，只是換熱器出口是濕蒸汽，螺桿膨脹機(jī)的做功膨脹過程處于汽液兩相區(qū)內(nèi)。 同樣考慮螺桿機(jī)內(nèi)的各種不可逆損失，即濕蒸汽在螺桿機(jī)中如圖2-3所示由狀態(tài)1不可逆絕熱膨脹至狀態(tài)2。2.3 確定系統(tǒng)各主要參數(shù)的方法 換熱器中

30、進(jìn)行液體工質(zhì)汽化成蒸汽的過程，冷凝器中進(jìn)行蒸汽凝結(jié)成液體的過程。當(dāng)飽和液體在換熱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)的關(guān)系。所以，只要確定了換熱器的溫度就能確定換熱器中的壓力，確定了凝結(jié)溫度就能確定冷凝器中的壓力。2.3.1 確定冷凝器的溫度壓力參數(shù) 先來討論如何根據(jù)冷卻水溫度確定冷凝器的壓力。蒸汽在凝結(jié)時(shí)放熱給冷卻水，冷卻水因被加熱而溫度由升高到。熱量在傳遞時(shí)是需要有溫度差的，即蒸汽的凝結(jié)溫度總是要比冷卻水的最高溫度（出口時(shí)的溫度）高一些。當(dāng)一種流體在有相變的情況下傳熱時(shí)，是沒有順、逆流的區(qū)別。這樣，凝結(jié)溫度和冷卻水的溫度之間一定有如下的關(guān)系（見圖2-4）：圖2

31、-4 冷凝器中傳熱示意圖 , （2-1）式中， 冷卻水溫升，。冷卻水的溫升大一些，需要的冷卻水量可以減少，冷卻水泵的電能消耗也可以小一些。但是，凝結(jié)溫度就較高了，這樣，冷凝器中壓力也較高，將使螺桿機(jī)進(jìn)出口的壓力差減小，因而發(fā)電量也將減少。所以冷卻水的溫升需要選擇恰當(dāng)合理，通?？蛇x510，必要時(shí)要進(jìn)行方案比較。 工質(zhì)冷凝器出口端和冷卻水之間的傳熱溫差。選擇小些，可以使凝結(jié)溫度低些，增加發(fā)電量，但是冷凝器的傳熱面積就需要大些，通常選擇37。 冷卻水的進(jìn)口溫度是已知的，合理選擇了冷卻水的溫升和溫差后，就可以根據(jù)式（2-1）確定蒸汽的凝結(jié)溫度，從而確定冷凝器中的壓力。冷凝器的壓力確定后，就很容易確定計(jì)

32、算所必須知道的點(diǎn)3和點(diǎn)4的狀態(tài)：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，（是壓力下飽和液體的焓，可由熱力性質(zhì)表中查得）。工質(zhì)泵出口不忽略泵功。冷凝器應(yīng)當(dāng)能不斷地將螺桿機(jī)排出的乏汽全部凝結(jié)成液體。2.3.2 確定換熱器的溫度壓力參數(shù)再來討論換熱器壓力如何確定。由傳熱學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)知可知：換熱器中，逆流時(shí)，冷流體的出口溫度可高于熱流體的出口溫度，而在順流時(shí)，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，因而在逆流時(shí)，熱流體或冷流體的溫度變化值可以比較大，從而有可能使流體消耗量減少；同時(shí)，在流體的進(jìn)出口溫度相同的條件下，以逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，因此在逆流時(shí)可減少所需的傳熱面，

33、或者在傳熱面相同時(shí)，可傳遞較多的熱量。綜合以上考慮，在換熱器中采用逆流方式（見圖25）。圖2-5 換熱器傳熱示意圖在換熱器中，工質(zhì)既有相變又有單相對(duì)流換熱，傳熱溫差的變化要比冷凝器中復(fù)雜一些。合理情況下，換熱器最小傳熱溫差，通常選擇為37。若熱水量較充裕，為減少換熱器傳熱面積，傳熱溫差可取得較大些。熱水的入口溫度和工質(zhì)的換熱器入口溫度是已知的，只要確定了蒸發(fā)溫度，查相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表，馬上就能確定換熱器中壓力，同時(shí)由流量計(jì)算和能量平衡原理可以很容易得出熱水出口溫度：首先通過汽化段熱平衡計(jì)算單噸熱水產(chǎn)生的工質(zhì)的質(zhì)量流量， （2-2）式中，c熱水的比熱容 換熱器出口工質(zhì)焓。對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)，是溫度下的飽

34、和蒸汽焓；對(duì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)，是溫度下某干度的濕蒸汽焓。 溫度下的飽和液焓再根據(jù)液體加熱段熱平衡計(jì)算熱水出口溫度。對(duì)于蒸發(fā)溫度，在冷凝器壓力確定之后，換熱器的蒸發(fā)溫度的高低會(huì)給能量轉(zhuǎn)換過程引起兩方面的影響。一方面，如果蒸發(fā)溫度選得高，螺桿機(jī)進(jìn)汽和排汽的壓差大，工質(zhì)在螺桿機(jī)中的理想焓降可以較大；另一方面，蒸發(fā)溫度選得高，由計(jì)算工質(zhì)流量的（2-2）式，可以看出（）也要相應(yīng)提高，（）值減少，即熱水的能量利用程度降低，每噸熱水能夠產(chǎn)生的工質(zhì)質(zhì)量流量d減少。從這方兩面看，蒸發(fā)溫度的高低對(duì)（）乘積的大小影響很大，影響了熱水的發(fā)電效果，并最終影響整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)槌朔e（）就是每噸熱水理論上可能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械

35、能（或電能）的熱能數(shù)量。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”17。從前面的分析可以得出結(jié)論，最佳蒸發(fā)溫度的高低主要決定于熱水溫度和冷凝器中的冷凝溫度。最佳蒸發(fā)溫度可以根據(jù)試算法確定。假定不同的蒸發(fā)溫度，計(jì)算各種蒸發(fā)溫度時(shí)的d、和乘積（），乘積（）為最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度即為最佳蒸發(fā)溫度。但這種算法具有一定的盲目性，并且計(jì)算速度較慢。假設(shè)冷卻水25進(jìn)，30出的實(shí)際情況，根據(jù)換熱器末端溫差大于5的設(shè)計(jì)要求，冷凝溫度設(shè)為35。這樣在相同蒸發(fā)溫度下，工質(zhì)膨脹做功最多。蒸發(fā)溫度及干度采用試算法：對(duì)由溫度范圍（3877，步長1）、干度范圍（0.011，步長

36、0.01）的所有點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，比較得出做功最大的點(diǎn)。試算過程（對(duì)應(yīng)圖2-2各點(diǎn)）：例 ：1）以65，干度0.5為1點(diǎn)，廢水流量1t/h； 2）由等熵過程得2s； 3）由膨脹效率得2； （比較1點(diǎn)與2點(diǎn)比容是否滿足膨脹比要求）： 4）由1點(diǎn)與2點(diǎn)確定每噸工質(zhì)做功量； 5）在換熱器中，熱水蒸發(fā)段溫降為8565（66、67）； 6）由1），5）確定工質(zhì)流量； 7）扣除各種泵耗，由4），6）得每噸熱水的做功量。通過試算，確定同時(shí)滿足螺桿膨脹機(jī)和換熱器工藝要求的蒸發(fā)溫度及干度，根據(jù)要求發(fā)電量，反算所需工質(zhì)流量，熱水流量及扣除各種泵耗后所得凈功。本論文通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)已編制好程序來優(yōu)選特定工質(zhì)，特定熱水入口

37、條件下的最佳蒸發(fā)溫度?？紤]到管道輸送損失等原因，實(shí)際換熱器的蒸發(fā)溫度可以選擇比最佳蒸發(fā)溫度適當(dāng)偏高幾度（如23）。由于冷卻水的溫度在一年四季的變化對(duì)于發(fā)電的影響是相當(dāng)大的，因此不僅設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮最佳蒸發(fā)溫度，而且系統(tǒng)在運(yùn)行中也要注意根據(jù)不同的季節(jié)條件確定合理的冷凝壓力和換熱器壓力。2.3.3 確定系統(tǒng)其余參數(shù)（1） 冷凝器熱負(fù)荷冷凝器應(yīng)當(dāng)能不斷地將螺桿機(jī)排出的乏汽全部凝結(jié)成液體。因此當(dāng)熱水流量為每小時(shí)一噸時(shí)的冷凝器熱負(fù)荷可按下式計(jì)算：，式中為每千克工質(zhì)冷凝成液體所放出的熱量，其中應(yīng)是螺桿機(jī)排汽的實(shí)際焓，可用下式計(jì)算：，螺桿機(jī)設(shè)計(jì)制造不良時(shí)，相對(duì)內(nèi)效率低，能量轉(zhuǎn)換過程不完善，將直接影響發(fā)電量，并

38、增大冷卻水帶走的熱量。（2） 冷卻水量冷卻水的計(jì)算可采取如下形式：，（3） 換熱器熱負(fù)荷換熱器的熱負(fù)荷應(yīng)能完成需要傳遞的熱量。當(dāng)熱水流量為每小時(shí)一噸時(shí)的換熱器熱負(fù)荷可用下式計(jì)算：,或 ，（4）1噸/小時(shí)熱水發(fā)電量 確定了熱力系統(tǒng)中各計(jì)算點(diǎn)的工質(zhì)狀態(tài)后，就可以計(jì)算理想焓降和工質(zhì)流量d，并由下式計(jì)算每小時(shí)每噸熱水的發(fā)電量： ，式中，（）噸/小時(shí)熱水對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量理論上在螺桿機(jī)中所能產(chǎn)生的機(jī)械功率 螺桿機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率?？紤]實(shí)際螺桿機(jī)中能量轉(zhuǎn)換過程的損失（）乘以螺桿機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率后就得到螺桿機(jī)軸上實(shí)際所產(chǎn)生的功率 機(jī)械效率?？紤]軸承、傳動(dòng)等的功率損失及帶動(dòng)某些附加機(jī)構(gòu)的功率消耗。（）再乘以機(jī)械效率后就

39、得到螺桿機(jī)軸端可傳給發(fā)電機(jī)的有效功率 發(fā)電機(jī)效率?？紤]機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能過程中的發(fā)電機(jī)損失，扣除此項(xiàng)損失后即為發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率（4） 系統(tǒng)的總發(fā)電效率在介紹了一些主要參數(shù)之后，再來看看系統(tǒng)總的能量轉(zhuǎn)換情況。為此，用圖2-6把整個(gè)過程中的能量分配情況表示出來。圖中是以一噸/小時(shí)熱水在換熱器中能提供的熱量，為基數(shù)的。圖中為熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的理論熱效率，按下式計(jì)算：圖2-6 能流圖如果我們用發(fā)電量和熱水在換熱器中所提供的熱量的比值作為系統(tǒng)的總的發(fā)電效率，則可以得出系統(tǒng)總發(fā)電效率的計(jì)算式如下：即系統(tǒng)總的發(fā)電效率是一系列效率數(shù)值的乘積。2.4 計(jì)算實(shí)例 （1） 熱源為90熱水，選用R113作為循環(huán)工質(zhì)，

40、冷卻介質(zhì)為25水。1） 確定換熱器的參數(shù)假定蒸發(fā)溫度：換熱器最小傳熱溫差（窄點(diǎn)溫度）： 取：5（37）熱水入口溫度：=90工質(zhì)在換熱器入口溫度：=35通過查閱熱物理性質(zhì)參數(shù)表：換熱器內(nèi)壓力：=173.584 蒸發(fā)溫度下飽和蒸汽焓：=398.681蒸發(fā)溫度下飽和液焓：=260.0892） 確定冷凝器參數(shù)冷卻水溫升： ?。?（510）凝結(jié)溫度，出口溫升： 取：5（37）冷卻水進(jìn)口溫度：=25冷凝溫度：=25+5+5=35通過查閱熱物理性質(zhì)參數(shù)表：冷凝器內(nèi)壓力：=65.095 壓力下飽和液體焓值：=231.767 壓力下工質(zhì)比體積：=0.000649608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

41、和液體：泵消耗的功：= = 工質(zhì)入口焓： 3）確定其余參數(shù)假設(shè)廢水流量為1，產(chǎn)生工質(zhì)流量為d 通過汽化段熱平衡計(jì)算單噸熱水產(chǎn)生的工質(zhì)的質(zhì)量流量： = 根據(jù)液體加熱段熱平衡計(jì)算熱水出口溫度：=65.7 求理想焓降： 由定熵過程 理想螺桿機(jī)出口焓值： =166.096 4）求系統(tǒng)發(fā)電量、效率及熱負(fù)荷 發(fā)電量： =1.55 蒸發(fā)器熱負(fù)荷： 冷凝器熱負(fù)荷： kJ 冷卻水量： 系統(tǒng)效率： 計(jì)算結(jié)果表明，與一般火電廠相比較，有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的熱能利用程度是很低的（火力發(fā)電廠的總效率一般在3040%左右）。但用總效率來比較兩類系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性是不恰當(dāng)?shù)?。因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)所利用的熱源

42、溫度不高，一般在100一下，而且排出溫度（即離開蒸發(fā)器時(shí)的熱水溫度）又不能太低。對(duì)燃用燃料的火電廠，由于熱源（鍋爐）溫度可以達(dá)到千度以上，而且電廠容量有很大，有條件提高蒸汽的初溫、初壓及實(shí)現(xiàn)比較理想的循環(huán)方式，從而可獲得較高的熱效率。另外煤、石油燃燒時(shí)所釋放出來的是高品位熱能，工廠等排出的含熱廢液（汽）是低品位熱能，同樣是1的熱量，在可用能上是不同的，所以兩者不能簡(jiǎn)單地相比較18?，F(xiàn)在的問題是，如何更有效的利用現(xiàn)有熱源，努力提高系統(tǒng)的發(fā)電量，使系統(tǒng)的熱效率最大限度地接近理想情況。所謂的理想情況就是，假設(shè)系統(tǒng)的全部設(shè)備如螺桿發(fā)電機(jī)組等設(shè)計(jì)制造十分完善，電效率；熱力循環(huán)和其他加熱設(shè)備也很理想，即沒

43、有任何形式的熱損失；熱水溫度又可以由熱水進(jìn)口初溫一直冷卻到環(huán)境冷源（指當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境如空氣、水源）溫度。在這種情況下，系統(tǒng)的理想熱效率，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以寫成下列表達(dá)式：式中，為中未轉(zhuǎn)變成電能而散失到環(huán)境中去的熱量。由工程熱力學(xué)理論可知，就是熱水從一直冷卻到環(huán)境冷源溫度的可用能損失又因?yàn)樗韵到y(tǒng)的理想熱效率又可以表示成下列數(shù)學(xué)關(guān)系式： （2-3）在理想情況下1噸/小時(shí)熱水的最大發(fā)電量為：， （2-4）取環(huán)境冷源溫度為，按式（2-3）、（2-4）計(jì)算不同熱水溫度下的和，可得到如下數(shù)據(jù)（表2-1）：表2-1 理論最高效率和最大發(fā)電量熱水溫度（） 60 70 80 90 100（%） 5.45

44、6.87 8.23 9.54 10.80（） 2.22 3.60 5.26 7.21 9.42表2-1所列計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)熱水初溫為90時(shí)，=9.54%，。與上面實(shí)際計(jì)算的數(shù)例相比較，可以看到，由于實(shí)際設(shè)備不完善和熱力循環(huán)不理想等原因，系統(tǒng)的總效率只有3.6%，每噸熱水發(fā)電量只有1.55。分別僅為最大極限值的三分之一和五分之一。雖然理想情況的假設(shè)中有些是不可能實(shí)現(xiàn)的，但應(yīng)該說在提高系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性方面還有很大潛力。（2）熱源為85熱水，選用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)，要求發(fā)電量300，換熱器入口狀態(tài)：，。計(jì)算過程：螺桿膨脹比 螺桿機(jī)焓降 如果螺桿機(jī)實(shí)際發(fā)電功率為300 kW，則理論發(fā)電功率（取發(fā)電

45、效率）： 所需工質(zhì)質(zhì)量流量： 工質(zhì)體積流量： 工質(zhì)螺桿機(jī)入口體積流量： 工質(zhì)泵耗功（效率）： m換熱器內(nèi)換熱量： 低溫?zé)崴畯U水質(zhì)量流量： 低溫廢水體積流量： 換熱器出口溫度： 冷卻水泵功率（揚(yáng)程米，效率）： 冷卻水質(zhì)量流量（取冷卻水溫升為7）： 冷卻水體積流量： 冷卻水泵功率（揚(yáng)程米，效率）： 凈發(fā)電量：第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述3.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹為了進(jìn)一步對(duì)螺桿膨脹機(jī)的基本性能進(jìn)行初步的探索性研究，設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)流程圖，在實(shí)驗(yàn)室條件下考慮到熱源的來源及經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)驗(yàn)過程中采用熱水為熱源。圖3-1 螺桿膨脹機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)基本性能研究實(shí)驗(yàn)

46、流程如圖3-1。熱水通過水泵1不斷的向換熱器提供熱量，同時(shí)在工質(zhì)泵的帶動(dòng)下，工質(zhì)不斷的從換熱器獲得熱量，達(dá)到蒸發(fā)溫度，以一定的流量進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)做功，做完功的工質(zhì)由出口管路進(jìn)入冷凝器，完全冷凝成液體。螺桿膨脹機(jī)輸出的軸功則通過扭矩傳感器測(cè)出，同時(shí)以水阻為負(fù)載將軸功消耗掉，水阻的阻值有兩種改變方式：一是溫度改變阻值大小，在通電過程中，由于液體內(nèi)部電解液隨著溫度的升高，電解液分子活動(dòng)加劇，使電阻值逐漸減?。欢窃谘b置內(nèi)增加極板升降電機(jī)，勻速改變輸入輸出極板之間的距離，改變電阻值的大小。在螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)出口都布置了測(cè)試點(diǎn)，用來監(jiān)測(cè)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)出口的壓力、溫度變化以及流量的變化。3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法本

47、實(shí)驗(yàn)通過對(duì)流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)的測(cè)量，初步測(cè)試了螺桿膨脹機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性以及溫度變化等基本特性。螺桿膨脹機(jī)的功率特性實(shí)驗(yàn)是為了評(píng)定動(dòng)力機(jī)在全負(fù)荷下的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)等性能。實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開閥門，并使其處于最大開度，在螺桿膨脹機(jī)工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，順序地改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并盡可能地多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)。螺桿膨脹機(jī)的負(fù)荷特性實(shí)驗(yàn)是為了在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，評(píng)定動(dòng)力機(jī)部分負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性（通常在50%80%的額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測(cè)試）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，從小負(fù)荷開始，逐漸開大入口閥門進(jìn)行測(cè)量，直至閥門開度最大，多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)。每組實(shí)驗(yàn)均記錄下螺桿膨脹機(jī)進(jìn)、出口溫度的變化，分析其溫度變化特性（其中著重考慮1500和30

48、00時(shí)溫降特性，以便降溫時(shí)輸出軸功拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電）。3.1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)通過對(duì)溫度、壓力、功率等參數(shù)的測(cè)量初步了解螺桿膨脹機(jī)的一些基本性能，了解其實(shí)際運(yùn)行狀況。通過測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，繪出螺桿膨脹機(jī)的一些基本性能曲線，就可以對(duì)螺桿膨脹機(jī)在有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)，對(duì)整個(gè)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)計(jì)算提供必要的數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)螺桿膨脹機(jī)運(yùn)行曲線的測(cè)定，提出對(duì)膨脹機(jī)控制的看法。同時(shí)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和主要設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比，判斷其實(shí)際性能，以便為螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)為了準(zhǔn)確測(cè)量有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行特性和螺桿膨脹機(jī)的基本性能，在實(shí)驗(yàn)中，主要的測(cè)

49、量參數(shù)有：螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)出口的溫度，螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)出口的壓力，進(jìn)入膨脹機(jī)的工質(zhì)流量，膨脹機(jī)輸出的軸功。根據(jù)這些要求分別選擇相應(yīng)的測(cè)試裝置來進(jìn)行測(cè)量。圖3-2 Agilent數(shù)據(jù)采集儀(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中使用數(shù)據(jù)采集單元來收集和監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度，壓力和流量數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和Agilent34970A數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成，該采集單元有20個(gè)電壓信號(hào)通道和2個(gè)電流信號(hào)通道，同時(shí)可根據(jù)需要設(shè)定不同的數(shù)據(jù)采集間隔。Agilent34970A是一種高性能、低價(jià)位的數(shù)據(jù)采集和開關(guān)主機(jī)，十分適于數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)采集和一般的開關(guān)與控制應(yīng)用。它是一種半機(jī)架寬的主機(jī)，內(nèi)部有61/2位（22比

50、特）的數(shù)字電壓表，其背面有3個(gè)插槽，可以接受開關(guān)與控制的模塊某快組合。無論只需要少數(shù)幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄通道，還是上百個(gè)ATE性能的通道，Agilent34970A都能以合理的價(jià)格滿足數(shù)據(jù)采集要求。（2）溫度測(cè)量本實(shí)驗(yàn)通過熱電偶來測(cè)溫度，采用A級(jí)Pt100標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行螺桿膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度測(cè)量，型號(hào)為WZP型，測(cè)量范圍為-200650，誤差為。此熱電阻為三線，其中兩線為等電位用于補(bǔ)償信號(hào)，可直接將等電位端接在一起按兩線熱電阻法接入數(shù)據(jù)采集單元中，選擇電壓通道接入，將軟件系統(tǒng)的熱電阻溫度系數(shù)設(shè)定為0.00385,0的基準(zhǔn)電阻值設(shè)定為100即可。圖3-3 WZP系列熱電偶（3）流量測(cè)量本實(shí)驗(yàn)流量測(cè)量

51、是通過流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的。流量計(jì)的種類繁多，精度都很高，本實(shí)驗(yàn)采用LUBG-25渦街流量計(jì)，其量程為8.590，精度為1.0%，其量程和精度都符合實(shí)驗(yàn)要求。圖3-4 LUBG系列渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)是以卡曼渦街理論為基礎(chǔ)的高精度經(jīng)濟(jì)型流量計(jì)，其原理為在流體中設(shè)置渦旋發(fā)生體（阻流體），從漩渦發(fā)聲體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，即卡曼渦街，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。（4）壓力測(cè)量通常使用壓力傳感器測(cè)量壓力，由前面計(jì)算可知，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)口壓力小于1MPa，出口壓力小于0.1MPa。本實(shí)驗(yàn)采用JYB-K0-HAG型壓力傳感器

52、兩支，量程分別為01MPa和0-0.2MPa。JYB-K0-HAG 壓力傳感器采用完全不銹鋼外殼，壓力測(cè)量范圍廣，工作穩(wěn)定，可靠性高。采用24V直流供電，輸出信號(hào)為420mA。圖3-5 JYB-K0-HAG系列壓力傳感器（5）功率測(cè)量本實(shí)驗(yàn)功率測(cè)量通過對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)量數(shù)據(jù)并通過公式計(jì)算得到，計(jì)算公式為：其中，P功率，kW； N扭矩，； n轉(zhuǎn)速，；本實(shí)驗(yàn)所用螺桿膨脹機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3000，本實(shí)驗(yàn)采用CYB-803S型扭矩傳感器，其扭矩和轉(zhuǎn)速的量程分別為0300和06000，精度為，采用直流供電。同時(shí)配置智能扭矩儀，可三窗口顯示扭矩值、轉(zhuǎn)速值、功率值（通過內(nèi)部模塊由扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到）。圖3-6

53、扭矩傳感器3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法（1）不同工質(zhì)流量下螺桿膨脹機(jī)的性能測(cè)試方法：首先打開工質(zhì)入口調(diào)節(jié)閥，通過改變水阻的電阻值大小，使螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，通過阻值大小的調(diào)節(jié)，將螺桿膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速維持在要求的測(cè)試范圍內(nèi)，穩(wěn)定一段時(shí)間，帶所有測(cè)量參數(shù)的波動(dòng)范圍在可以接受的限度內(nèi)，用數(shù)據(jù)采集單元記錄數(shù)據(jù)一段時(shí)間，然后在螺桿膨脹機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，依次分布幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。完成上述過程后，重新調(diào)節(jié)入口調(diào)節(jié)閥開度，完成不同開度下螺桿膨脹機(jī)性能的測(cè)試。（2）扭矩恒定時(shí)螺桿膨脹機(jī)的性能測(cè)試方法：先選好螺桿膨脹機(jī)所加負(fù)載大小，即調(diào)整水阻阻值的大小，打開工質(zhì)入口閥，使螺桿膨脹機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直至轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定為止，在所有測(cè)量參數(shù)穩(wěn)

54、定后，用數(shù)據(jù)采集單元采集數(shù)據(jù)，一段時(shí)間后，加大閥門開度，使螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速升高，在達(dá)到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，記錄一次數(shù)據(jù)，直至閥門開度最大，完成不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)試。重復(fù)前面測(cè)試過程，以完成不同負(fù)荷下螺桿膨脹機(jī)性能的測(cè)試。（3）轉(zhuǎn)速恒定時(shí)螺桿膨脹機(jī)的性能測(cè)試方法：先將水阻阻值調(diào)到到最大，使螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速為零，工質(zhì)入口閥門調(diào)到一定開度，然后逐漸調(diào)小阻值，在螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的上升后，在轉(zhuǎn)速保持相對(duì)穩(wěn)定后，開始數(shù)據(jù)采集，繼續(xù)調(diào)節(jié)阻值大小，在新轉(zhuǎn)速下維持相對(duì)穩(wěn)定，再次采集數(shù)據(jù)，重復(fù)前面過程，當(dāng)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，完成不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)試。在所有轉(zhuǎn)速測(cè)完后，重新調(diào)節(jié)新的閥門開度，繼續(xù)測(cè)量，最后完成不同開度下螺桿膨脹機(jī)性能的測(cè)試。第四章 系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)選擇要求及經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益4.1 低沸點(diǎn)工質(zhì)的重要性在有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)中，是由有機(jī)工質(zhì)蒸汽向熱水吸熱、對(duì)螺桿膨脹機(jī)做功、向冷卻水放熱，實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程。雙循環(huán)系統(tǒng)的原理決定了有機(jī)工質(zhì)采用閉式循環(huán)，同時(shí)閉式循環(huán)和熱水溫度較低的特點(diǎn)又決定了系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)應(yīng)選用低沸點(diǎn)工質(zhì)。由于使用了低沸點(diǎn)工質(zhì)，雙循環(huán)的蒸汽的工作壓力得到提高，而且相對(duì)于單循環(huán)