论文总字数：23113字

摘 要

在工程中，换热器的作用就是把其中一种流体的热量用某种方式把热量传递给其他流体。热交换器在我们生活中应用非常的普遍，例如家里用的冰箱、空调，都有热交换器的实例。

工业中，大量的余热被排放，不仅是热污染，更是资源的一种严重浪费。因此回收利用低温余热是我们的目标。本课题以环戊烷为工质，设计30kW低温有机朗肯循环发电系统中的蒸发器，通过Matlab调用Refprop对有机朗肯循环进行模拟，然后进行蒸发器的设计。先进行给定参数的热力计算，估算出我们需要的传热面积，算出管长和管子数及其他数据，然后对壁温进行校核，对传热面积迭代直至实际面积比符合要求，满足后再进行压力降的验算，使压降符合规定。完成热力计算后我们进行换热器的结构设计和一些关键部件的强度校核。先确定壳体与封头的尺寸，然后进行强度校核，接着是管板、接管的设计，最后还有折流板、拉杆等。所有结构设计完了之后绘制成图，折合成6张A1图纸。

最终我们设计出了一个换热面积为42m²，有机朗肯效率为18.8％、型式为lt;1-2gt;型，两台串联的管壳式有机工质为环戊烷的蒸发器。

关键词：管壳式换热器 低温有机朗肯循环 环戊烷

Design of Evaporator in 30kW Low Temperature Organic Rankine Cycle Power Generation System Based on Cyclopentane

Abstract

In the project, the role of the heat exchanger is to heat one of the fluids in some way the heat transfer to other fluids. Heat exchangers are very common in our lives, such as refrigerators at home, air conditioners, industrial evaporators, condensers, and these are examples of heat exchangers.

In the industry, a lot of waste heat is discharged, not only thermal pollution, but also a serious waste of resources. So recycling the use of low temperature waste heat is our goal. In this paper, the evaporator in the 30kW low temperature organic Rankine cycle power generation system was designed with cyclopentane as the working fluid. The organic Rankine cycle was simulated by Matlab and then the evaporator was designed. First calculate the heat parameters of the given parameters, estimate the heat transfer area we need, calculate the pipe length and the number of pipes and other data, and then check the wall temperature, the heat transfer area iteration until the actual area ratio meet the requirements, And then check the pressure drop, so that the pressure drop in line with regulations. After completing the thermodynamic calculations, we carry out the structural design of the heat exchanger and the strength check of some key components. First determine the size of the shell and the head, and then check the strength, followed by the tube plate, take over the design, and finally baffles, drawbars and so on. All the structural design is finished after drawing, converted into six A1 drawings.

Finally, we designed a heat transfer area of 42m2, organic Langken efficiency of 13.3%, type lt;1-2gt; type, two series of shell-and-tube organic cyclopentane evaporator.

Key word: Shell-Tube heat exchanger, Low temperature organic, Rankine cycle,Cyclopentane

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 低温有机朗肯循环的研究背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 研究现状 2

1.4 研究内容 4

第二章 有机朗肯循环模拟及蒸发器设计 5

2.1 设计要求 5

2.1.1 有机朗肯循环模拟 7

2.1.2 设计条件 9

2.2 核算换热器传热面积 10

2.2.1 流动空间的确定 10

2.2.2 初算换热器传热面积 10

2.2.3 管程流体传热系数 12

2.2.4 壳程流体传热系数 12

2.2.5 校核传热系数 14

2.2.6 校核换热面积 15

2.3 压力降的计算 15

2.3.1 管程压力降 15

2.3.2 壳程的压力降 16

第三章 结构设计和校核 18

3.1 壳体与管箱厚度的确定 18

3.1.1 壳体和管箱材料的选择 18

3.1.2 壳体厚度计算 18

3.1.3 管箱厚度计算 18

3.1.4 壳程接管、管箱接管尺寸 19

3.2管板与换热管 20

3.2.1 管板结构 20

3.2.2 排管 21

3.2.3 管子与管板连接 21

3.2.4 接管外伸长度 22

3.2.5 排气、排液管 12

3.3折流板 22

3.3.1 折流板缺口高度 22

3.3.2 折流板最小厚度 22

3.3.3 折流板排列 22

3.3.4 折流板的质量 23

3.4拉杆与定距管 24

3.4.1 拉杆的直径 24

3.4.2 拉杆尺寸 24

3.4.3 定距管 24

第四章 结论 25

附录 26

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

有机朗肯循环，英文为OrganicRankine Cycle，简称ORC，是一种新型的环保型发电技术。之所以环保，是因为其符合可持续发展。ORC系统以低沸点、高蒸汽压的有机物作为工质。异于传统的以水作为工质。

1.1 低温有机朗肯循环的研究背景

作为人类活动的物质基础—能源，方方面面的问题和探索一直受到全球范围内的广泛关注，就目前而言有效的措施有两种，第一种是寻找高品质的新能源，第二种是提高能源利用效率。第一种方法非常漫长而且可遇不可求，所以我们寄托于第二种。在我国，利用低温余热这项技术发电还不够成熟^[1]。但目前低品位能源约占全世界总热量的一半^[2]，如果不得以充分利用，将造成大量能源的浪费。回收利用低温余热意义重大。

传统的有机朗肯循环是以水作为工质。水进入锅炉吸收热量变成气体。进入汽轮机作功，再进入冷凝器冷却成水，回到水泵中完成一个循环^[3]。有机朗肯循环是以有机物作为工质。例如苯、甲苯、环戊烷、环己烷等。

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