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摘 要

能源对一个国家来说至关重要，是一个国家的命脉。能源的利用率对一个国家的发展起着重要的作用，本课题针对如何利用工业燃煤所排出的工业余热进行了研究，并设计了一种以低温余热烟气（230℃）为热源的低温烟气余热热管式有机工质蒸发器，最终计算得出该低温烟气余热热管式有机工质蒸发器可从烟气中吸收6370.38kW的热量，相当于6874.84t的标准煤燃烧所放出的热量，蒸发器作为ORC（有机朗肯循环）系统中的关键设备，一直都是一个重要的研究课题，在得到热力计算数据之后，本文对蒸发器进行了设计计算，计算出了总传热面积为1375，所需热管根数446根。

关键词：低温烟气余热 有机朗肯循环 蒸发器

Performance Analysis of Heat Pipe Evaporator for Low Temperature Flue Gas Waste Heat

Abstract

Energy is very important to a country and the lifeblood of a country. The utilization rate of energy plays an important role in the development of a country. This paper studies how to utilize the industrial and amateur heat discharged from industrial coal combustion, and designs a low-temperature flue gas waste heat heat heat pipe evaporator with low-temperature waste heat flue gas (230℃) as heat source. The final calculation shows that the low-temperature flue gas waste heat pipe evaporator can be sucked from the flue gas. The heat received by 6370.38 kW is equivalent to the heat released by 6874.848 t standard coal combustion. As the key equipment in ORC (Organic Rankine Cycle) system, evaporator has always been an important research topic. After obtaining the thermodynamic calculation data, this paper designs and calculates the evaporator and calculates the total heat transfer area of 1375 and the required number of heat pipes is 446.

Key word：Low Temperature Flue Gas Waste Heat；ORC；Evaporator

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 烟气余热ORC（有机朗肯循环）系统简介 1

1.2.1 ORC（有机朗肯循环）系统及工作原理 1

1.2.2 蒸发器所使用的有机工质选择 2

1.2.3有机朗肯循环系统研究现状 3

1.3热管换热器 3

1.3.1 热管的工作原理 4

1.3.2 热管在生活中的应用 4

1.4 结语 4

第二章 烟气余热热管式蒸发器热力计算 5

2.1蒸发器内有机工质的选择 5

2.2烟气余热热管式蒸发器的初步计算 5

2.2.1 烟气热物性计算 6

2.2.2蒸发器初步热力计算 7

2.2.3各参数对烟气出口温度的影响 9

2.3余热热管式蒸发器最终参数选定 13

第三章 余热热管式蒸发器的设计计算 15

3.1预热段计算 15

3.2蒸发段计算 25

第四章 各工质参数比较以及蒸发器性能分析 36

4.1 蒸发器结构性能分析 36

4.2有机工质参数比较 52

4.3 成本计算 54

4.3.1 总换热量热与标准煤的换算 54

4.3.2 蒸发器价格 55

4.3.3 充灌量 56

4.3.4 总成本比较 61

第五章 总结 63

5.1 主要内容及结论 63

5.2 展望 64

参考文献 65

致 谢 68

第一章 绪论

1.1 课题背景

目前国内大部分工业余热得不到有效利用，尤其是中低（100~250℃）烟气余热利用问题在业界内受到越来越高的重视程度。国内外低温工业余热资源占总余热资源的比重在50%及以上，但是因为余热利用设备缺乏导致国内大部分余热资源得不到有效利用^[1]。

有机朗肯ORC余热发电技术在低温余热利用领域有显著优势，但受热源温度低的限制，系统热效率较低。因此进行系统设备及性能的优化分析对系统效率的提升意义重大。有机朗肯ORC余热发电技术是一种将热能转换成电能的技术，他的基本原理同朗肯循环相同，只不过将朗肯循环中的水替换为了有机工质。ORC（有机朗肯循环）在日常生活中和工业上被用来发电^[1]，还可以同时应用于太阳能、地热能等发电系统。随着能源消耗量不断增大，环境污染日益严重，关于有机朗肯循环的研究也越来越多^[2]。

本课题针对低温烟气ORC余热发电系统中的蒸发器性能进行研究，采用热管式换热器作为烟气余热回收的蒸发器，研究有机工质热物性、蒸发压力与温度、换热器窄点温差、蒸汽过热度等对烟气余热的回收深度、蒸发器UA值、传热温差、传热面积、烟气侧和工质侧流动阻力和蒸发器成本的影响特性，获得低温烟气余热蒸发器技术经济性能优化计算方法。

1.2 烟气余热ORC（有机朗肯循环）系统简介

1.2.1 ORC（有机朗肯循环）系统及工作原理

有机朗肯循环系统主要由冷凝器、有机工质泵（加压）、蒸发器和膨胀机（发电用）四大部件组成^[3]，其原理是在蒸发器预热段内先利用余热烟气将有机工质加热至饱和液体状态，之后将已经在蒸发器预热段加热为饱和液体态的有机工质在蒸发器蒸发段继续加热沸腾使有机工质变为饱和气态，变为饱和气态的有机工质被送入膨胀机膨胀做功，膨胀机将高压有机工质饱和气体所具备的机械能转化为电能输出；在膨胀机做完功后的有机工质气体进入冷凝器与冷源进行对流换热，在冷凝器冷凝后的有机工质液体被输送至工质泵，使其压力升高至蒸发压力，然后有机工质饱和液体被送回蒸发器，重复整个过程，完成整个ORC（有机朗肯循环）热力循环^[4]。

图1. 1 ORC系统图

1.2.2 蒸发器所使用的有机工质选择

余热烟气热管式蒸发器内有机工质的选择至关重要，因为使用不同的有机工质进行热力循环所计算出的蒸发器UA值、换热面积、所需热管数等重要参数会不同。因此在选择有机工质时应着重考虑。

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