1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、课题背景

自2011年以来，中国已成为世界上仅次于美国的第二大经济体，我国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，基本能源消耗占世界总消费量的10%，但与经济地位不符的是，中国的综合能源利用率低下，一些发达国家能源利用率都超过50%，美国的能源利用率已超过60%，日本为57%左右，而我国只有30%左右^[1]。

在世界范围内的能源短缺危机的背景下，如何开发新能源，提高现有能源利用率就成为十分迫切的问题，各国政府也日渐重视开发新能源，对我国而言，提高综合能源利用率是缓解能源短缺危机的见效最快的方式之一。据统计，我国工业用能中67%的能源转化为余热资源，且其中超过50%是温度低于350℃的中低品味的余热，且有很大一部分并未得到有效的回收，造成了巨大的浪费^[2]。

二、现有技术

目前，对中低温热能的利用技术主要包括：热电转化技术、Stirling循环、Kalina循环、水蒸气朗肯循环（Steam Rankine Cycle）、有机朗肯循环（Origanic Rankine Cycle:ORC）等^[3,4]。

热电转化技术常受热点材料的限制，发电效率仍较低，且热电转化技术在移动热源的余热回收方向有较好前景，其常用于汽车尾气的余热回收。

Stirling循环由四个简单的热力学过程：等温压缩、等容加热、等温膨胀、等容放热组成，性能上具有吸引力，包括低噪音、适用范围广、清洁、高效，虽然斯特林发动机有许多优点,但在实际过程中难以实现，因为其过程的要求可逆，这就需要无限的传热面积和传热时间，除此之外Stirling循环还面临着包括密封、传热及控制系统等等诸多系统设计方面的挑战，另外，Stirling循环对热源温度要求较高，更适用于小规模发电系统。

Kalina循环使用的是二元工作流体, 如氨和水，由于氨的分子量与水相近, 所以可以使用标准的背压汽轮机，且氨和水的组分的比例可以在周期内不同的阶段发生变化, 允许非等温沸腾, 从而可以从热源提取更多的热量，因此, 在相同的温度范围内，Kalina循环能获得比ORC循环更高的系统效率，但在低温热源利用领域内，Kalina循环对系统性能的提升是有限的，且Kalina循环不可避免的造成了系统的复杂，这些因素限制了Kalina循环的应用^[5]。

水蒸气朗肯循环的应用历史悠久，随着技术的发展，这一技术正在渐渐向中低温热能发电领域中，但由于水蒸气本身的性质决定其并不适用于低温余热的回收，主要原因是：水的蒸发潜热较大，考虑到窄点温差的影响，水蒸气朗肯循环系统的效率及输出功率都不尽如人意，另外，由于水蒸气在350℃以下时的比容数值变化较大，且是一种典型的湿工质，故其系统的设计复杂，尺寸较大，制造成本较高。

ORC（有机朗肯循环）在中低温热能发电方面，同水蒸气朗肯循环相比，在多方面都具有较大优势，如系统比较简单，效率更高，透平能够输出的功率约为水蒸气朗肯循环的1.6倍，本课题即是研究通过有机朗肯循环对低温余热进行回收。

三、有机朗肯循环的研究现状

3.1有机朗肯循环工质的研究

可应用于有机朗肯循环的工质，由其在T-S 图上的饱和蒸气曲线的斜率dT/dS，可分成干工质，湿性工质以及绝热工质，如图1所示：干工质的饱和蒸气曲线斜率dT/dS为正值，湿工质的饱和蒸气曲线斜率dT/dS为负值，绝热工质饱和蒸气曲线斜率dT/dS趋向于无穷^[6,7]。而选择一种安全、高效、环保、成本低廉的循环工质是目前研究有机循环的一大重要课题^[8],对有机朗肯循环而言，所选工质应为不易燃易爆，安全无毒，传热效果优良，成本低廉，化学性质稳定，且不应为”蒙特利尔协定书”明确禁止使用的物质，ODP与GWP值较低，此外，还应该根据热源温度选择与之匹配的工质。以纯工质作为工作流体更符合工程应用的需求，因此更受青睐。目前，国内外学者对有机朗肯循环的工质进行了大量研究，许俊俊，罗向龙等人提出了优选有机工质的思路，建立了基于多级非结构性模糊决策分析方法的ORC工质优选体系，并针对150℃热源的系统进行了选择，结果是R123为此条件下最优工质^[9]；朱江,鹿院卫等人对60℃到150℃的低温地热有机朗肯循环系统进行了分析，以系统能量损失和净输出功率为依据进行了工质优选^[4]；王羽平,丁小益,翁一武通过实验的方法测出了3种组分的混合工质 R601a/R600a和纯工质R601a^[10]系统各部件的参数，并对比了对系统性能的影响；华中科技大学的谢攀等,西安陕鼓动力股份有限公司的刘美丽等,天津大学的李惟毅等,同济大学黄晓艳等也都对有机工质的选择进行了研究^[7,8,11,12]。

图1 工质的饱和蒸气曲线

3.2有机朗肯循环系统与设备的研究

有机朗肯循环系统的主要部件有蒸发器、透平、冷凝器、工质泵等，如图2^[13]所示，有机工质通过工质泵进入余热换热器中，与热源进行换热，有机工质被加热直至成为饱和湿蒸气后，进入透平膨胀做功，将自身所携带的热能转化动能，并通过透平的转子，将动能转化为旋转动能，透平带动发电机发电，最终转变为电能。有机工质在透平中做功结束后进入冷凝器被冷凝成液体后继续参与循环，周而复始。如果循环的工质为湿工质的话，它在透平中膨胀后出口蒸气的含湿量将增大，不利于设备的安全，所以进入透平前需要过热，而有机工质多为干工质或绝热工质，去透平前不需要过热，具有较大优势。图3^[14]是循环的T-S图。

文献[15]到[17]对系统的设备进行了综述，其中尹刚、吴方松、张立志等人对低温发电系统以及包括除氧器在内的系统设备进行了介绍，并对低温余热发电技术的新趋势进行了展望；许颖、胡国华等人介绍了低温余热发电技术的研究方法并具体的描述了有机朗肯循环技术与设备；甘肃有色冶金职业技术学院的曾理对有机朗肯循环系统工质设备选用的注意要点进行了描述。

图2 有机朗肯循环系统图

图3有机朗肯循环温熵图

换热器是进行热量传递的重要设备，在ORC系统中，不可逆损失最大的设备是蒸发器，所以发展ORC技术的一大重要研究课题即是研究高效的蒸发器。目前换热器的分类方式多种多样，如按用途分类，可分为：预热器、再热器、蒸发器、冷凝器等；按制造材料可分为:金属换热器、陶瓷换热器、石墨换热器等；按换热方式分类则可分为:间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热器等^[18]。其中间壁式换热器又被称为表面式换热器，是应用最为广泛的一种换热器，根据其换热表面的不同，还可以分成管式换热器和板式换热器等，这两种表面式换热器在ORC系统中均有研究。

管式换热器通常分为套管式换热器和管壳式换热器两种，套管式换热器具有结构简单的优点，适用于高温高压的小容量换热。而管壳式换热器在国内外生产的换热器中仍占据主要地位，它具有可操作性强，适应性好，结构坚固等一系列特点。

板式换热器不同于管式换热器，它的传热面是具有不同波纹形状的平板或带锥度的伞板，是一种新型、高效、紧凑的换热器，又因为其可以较好适应各种应用场景，应用日趋广泛，对其的研究也不断深入。

支浩,汤慧萍等人对换热器的研究现状进行了总结^[19]； Adrienne B等人对换热器的传热性能做了研究^[20]；文献[21]和[22]对板式换热器在系统中的应用做了研究；文献 [23]对比了板式换热器、管壳式换热器、满液式换热器在系统中的性能参数，得出板式换热器性能更优的结论；文献[24]对换热器在有机朗肯循环系统中余热回收的经济性进行了详细分析，最终得到系统存在最佳运行参数使获益最大化。

影响ORC系统效率的因素有许多，如热源温度、热源流量、工质蒸发温度、过热度、透平膨胀比、工质泵的绝热效率、过冷度等。王志奇,张欣等人研究了热源温度、热源流量对系统效率，热回收率的影响^[25]；汪健生,岳开红研究了蒸发器与冷凝器的窄点温差比对系统性能的影响，结果表明，系统存在最优窄点温差比使系统收益最高^[26]；王正,赵东从理论与实验两方面对蒸发器压力对系统性能的影响做了研究^[27]；王怀信,王大彪,张圣君分析了一个双流体有机循环系统的工质选择、蒸发温度和过热度对系统性能的影响，并得出过热度的存在对系统效率起不利影响的结论^[28]；Seyedali Seyedkavoosi等人以泵和膨胀器的等熵效率,以及余热回收后的废气温度为变量对系统进行了全面的热力学建模，并对其进行了优化^[29]；Doaa M. Atia等人分析了地热水温度、回灌水温度以及地热水流速对系统性能的影响^[30]；文献 [31]对循环参数的计算做了理论推导，并对循环参数的优化进行了研究，得出确定工质及过冷度后，冷凝温度和蒸发温度是影响系统效率的主要因素。

四、研究意义

换热器是进行热量传递的重要设备，在ORC系统中，不可逆损失最大的设备是蒸发器，且蒸发器作为与热源联系最直接密切的设备，其性能对整个系统性能的影响至关重要，发展ORC技术的必然需要研究高效的蒸发器。本研究即需要设计一台可以最大化回收、利用热源的热，并使蒸发器出口工质状态符合发电需求的蒸发器，此外，还应考虑到成本等经济因素。

参考文献

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

换热器的设计已经颁布一系列标注，但在设计换热器时，还需要考虑到换热器的实际工况，所以本课题的研究步骤为：

（1） 对余热回收系统进行充分研究，计算系统各部分的工艺参数，得到设计换热器的必需的工艺条件，此时需要确定热源的进出口参数与换热器的热介质与工质流体，并获得其相关的热物性参数；

（2） 计算换热器的热负荷，根据系统的工艺参数对换热器的热负荷进行计算，同时还应该确定换热器的管程与壳程流体，冷热流体的定性温度，有效传热温差等换热器结构设计需要的参数；

（3） 计算换热器的结构参数：确定管程、壳程流体的流速，根据已有的工艺参数及冷热流体物性参数等，假设换热器的总换热系数，计算换热面积，选定管子规格和管子的排布方式、管子中心距等，根据换热面积布置管束，确定总管根数、壳体内径等；

（4） 校核换热器的传热面积：分段计算管程和壳程的换热系数，总传热系数，及换热面积比等；

（5） 校核管程和壳程压降，若压降大于允许值，则调整换热器结构。