1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1、课题研究背景

随着全球能源消耗不断增大，节能减排技术越来越受到重视。我国目前是以传统化石能源为主要能源，通过燃烧等途径对其加以利用。工业、生活中总伴随着能量的排放，其中又以热能为主要形式。余热按照不同的温度可以划分为低温余热、中温余热和高温余热^[1]，例如：火电厂等高热量厂区通常排放200-600度的中温烟气；汽车内燃机同样排出以中温为主的烟气^[2]；生活污水中常常也伴随着余热的排放，如何利用低品位余热也是目前节能研究领域重要课题^[3,4]。余热回收的方式有很多，利用蒸发器、热泵等组成的余热回收系统潜力十分巨大，但是我国在这方面的研究起步较晚，与国外相比还有较大差距^[5]。

2、现有技术

2.1有机朗肯循环发电技术

如下图所示为有机朗肯循环发电系统的示意图。整个系统主要由蒸发器、冷凝器、循环泵、发电机、膨胀机等部分组成。有机工质液体在蒸发器中吸热相变成中高压有机工质蒸汽，推动涡轮机的旋转并进一步带动发电机产生电能，做功之后的有机工质乏汽进入冷凝器冷凝至液态，经过工质泵后回到蒸发器完成一个循环^[6]。

有机朗肯循环发电相较常规汽水发电系统相比，有机工质沸点较低，比热容较小，焓降也小，因此所需的汽轮机（涡轮机）的尺寸也小，对于整个系统的管道压力要求也较低，因此系统成本能在很大程度降低。除此以外，在中低温下的换热效率中，有机工质比水蒸气的系热效率更高，因此更适合进行中低温度的热回收。

蒸发器是整个有机朗肯循环系统中非常重要的部分，其从热源吸收所需的温度后，将热量传递到有机工质使之转化为高中压有机蒸汽的设备。在有机朗肯循环系统中，蒸发器性能直接影响着整个系统的运行效率以及系统的成本。蒸发器的本质是换热元件，其换热面积与换热系数决定了在相同工况下、相同时间内热量传递的多少，进而影响热回收的效率。换热面积越大，传热系数越小，系统成本自热越高。除此之外，有机工质的种类、流量、热源的参数、冷凝器的温度等因素也对整个系统产生影响。

2.2蒸发器分类及特点

蒸发器可以用多种分类方法进行区分，例如按照蒸发方式的不同，可以分为自然蒸发与沸腾蒸发；根据被冷却介质的种类不同，可以分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器；按照结构组成的不同，可以分为热管式蒸发器、板式蒸发器、管壳式蒸发器、管束式蒸发器等。

热管式蒸发器由于冷热侧工质互不接触，安全系数高，维修费用少，但是成本略高；管束式蒸发器结构紧凑，传热系数高，成本较低，但安全系数较热管式蒸发器而言较低^[8]；板式蒸发器成本较高，在特定环境下板式蒸发器的换热效率会降低。管壳式蒸发器又有满液式、干式等结构形式，其传热系数高结构紧凑，且成本较低^[9,10]。蒸发器的形式多样，使用领域也十分广阔。在低温制冷领域中，蒸发器作为制冷四大件之一，在制冷系统中起着十分重要的作用，制冷剂便是在蒸发器中进行吸热相变。在工业领域中，蒸发器常常被用作稳定系统的汽水参数的关键部件。

目前在有机朗肯循环系统中常用的蒸发器结构形式有满液式蒸发器、板式蒸发器和降膜式蒸发器，三种蒸发器各有特点，其中：满液式蒸发器传热系数高，结构紧凑，但当蒸发器尺寸较大时底部蒸发温度会受到液体静压影响；降膜式蒸发器结构简单，传热效率高，方便维修，但其传热过程复杂，容易形成”蒸发管干蒸”的后果；板式蒸发器体积小，换热系数高，但其压力适用范围小，压降大^[7]。

图2 管壳式蒸发器

图3 板式蒸发器

图4 热管式蒸发器

三、蒸发器性能影响因素及评价指标

余热回收系统的目的在于回收多余的热量并加以利用，蒸发器的性能受到多种因素的影响，例如蒸发器种类、工作介质等，系统的热回收效率是一项重要的指标。1.蒸发器种类：和管壳式换热器相比，以板式换热器作为蒸发器时的系统性能要好得多，但其在换热方面易受到工质流量的影响^[11]。2.工作介质：在采用有机工质作为介质的时候，蒸发器效率受到的内外扰动影响较大^[12]。而采用混合有机工质作为介质的时候，不同配比下的混合物质有不同的换热效果^[13]。3.失效形式：蒸发器使用时间过久之后，会产生泄漏的问题，需要通过设计、运行和检修等方式来增加其使用寿命^[14]。

四、研究现状

对于低温余热的回收和利用技术，已经在美国、德国等少数发达国家研究形成了成套的系统和产品投入市场中。其利用方向主要是利用低温余热进行发电，并以有机工质来代替水作为系统的工质^[9]。

4.1国外研究现状

在Nikolay Milkov等人对柴油机余热回收的朗肯循环蒸发器进行了实验研究，利用水模拟有机工质进行相关实验，得出了蒸发器的换热效率和废气参数、工质的流量等因素之间的关系^[15]；Haile Araya Nigusse等人以管壳式热交换器为核心，在模拟地热发电厂内对地热能的回收进行测试，结果表明热交换器适用于模型电厂的蒸发器^[16]；Safak Atas等利用plc自动控制系统对一个三蒸发器冷却系统进行控制，结果表明可以节省大量的能量^[17]；Robert Santa等提出了一种新型的热传递相关系数，能更加准确测量蒸发器等换热器的传热系数，用该方法测量的传热系数更加接近实验结果^[18]；在科威特科学家的一项研究中，对比分析了不同的有机工质在蒸发器系统中的性能，并分析了蒸发器的进出口温度对系统效果的影响^[19]。

5.2国内研究现状

在国内的研究中，曹园树、孙雪萌等利用跨临界的ORC-VCR系统对中温地热能进行回收利用，其利用了R134A作为系统的循环工质，分析了入口压力、冷凝温度、能量损失等因素对系统产生的影响^[20]。许克对烟气源余热进行研究，提出了烟气源热泵的热量回收方案，并设计出与之匹配的热管蒸发器，来对烟气源余热进行回收利用，其利用的温度以100-200度的低温烟气为主^[21]。

张春伟设计了一种新型蒸发器，置于火电机组高温加热器外，充分利用抽气过热度，提高了整个系统的经济性^[22]。

高吉峰首先提出将热管蒸发器利用在硫酸工业中，并探讨了其可行性^[23]，之后设计了一台热管蒸发器用以回收硫酸的高温废热，利用热管的传热优势来提高对废热的回收效率，但也有其不足之处^[24]。

刘艳会针对传统热管蒸发器的缺陷，设计了一种新型的热管蒸发器，在烟气侧采用螺旋翅片的设计，提高了蒸发器的安全性和传热效率^[25]。臧润清、王洪旭利用实验和模拟程序研究了翅片管蒸发器效率和翅片间距、分液路数等因素相关，并给出了合理设计蒸发器的建议^[26]。

王大彪针对中温烟气余热回收进行研究，指出了现阶段有机朗肯循环蒸发器的换热窄点并不是总出现在工质的泡点处，而是和烟源特性及不同的工质出现在不同位置^[1]，这对于蒸发器的换热效率会产生非常大的影响。

五、研究意义

本课题的研究，针对我国目前的能源利用现状，对工业生产等排放出的中温烟气余热进行合理的回收利用，中温烟气余热利用潜力十分巨大，有较大的研究价值。在现阶段的研究中，主要存在的问题便是朗肯循环中窄点温差较高，导致换热面积较大，系统的成本较高，因此针对这一现象进行研究。课题采用有机朗肯循环系统进行研究，系统中的蒸发器为主要的研究对象。目前对于中温烟气余热回收的研究较少，该课题能较好的填补这方面的空缺，有较大的研究意义。此外，该课题适用领域较广，能在多个地方加以利用，有很好的现实意义。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究内容

本课题是对蒸发器进行设计及性能分析，其主要功能是对中温烟气余热进行回收利用，适用在产生中温烟气的场所。合理选择蒸发器的种类、结构、选材，试用不同的工作介质进行计算分析，得出在效率、经济等方面最适合的工质。将蒸发器进行合理的结构优化和改进，使之能在目标温度下拥有更好的热回收效率。在设计分析时应注意：1.蒸发器的结构、材质等是否适用于中温的烟气温度以及烟气中含有的杂质；2.工作介质的物性参数是否适用于中温烟气的环境；3.蒸发器是否能够安全可靠的在环境中运行；4.蒸发器的换热效率是否满足使用需求。

研究手段