双工质发电冷凝器计算

冷凝器的效率直接影响ORC系统的热效率，因此国内外在ORC系统冷凝器的研究也越来越重视，但国内外使用的冷凝器基本还是采用管式或翅片管式。众所周知，管式换热器换热效率低，占用体积庞大，这对紧凑型工厂很不适应，因此，本系统采用世界上换热效果好、紧凑度高的一次表面换热器。全焊式一次表面换热器是一种当今国际上最先进的高效紧凑的换热器型式，具有传热系数高，紧凑度高，能够有效地适应温度梯度造成的热应力等特点。在本系统设计中，水与工质在冷凝器中以逆流方式换热，使得传热温差可以达到最大，这样的流动形式可以显著减小所需换

其中工质为R245ca，冷凝介质为水。全焊高效板式换热器是一种当今国际上最先进的高效紧凑的换热器型式。它采用了不同于传统回热器的设计思想，融合了管壳式、板翅式和板式等几种换热器的优点，新颖性主要体现如下几点：

1） 其所有的回热面都由直接参与热量交换的一次表面构成，能够比板翅式和管壳式结构更有效地利用材料和空间，因此换热效率高，回热度在90%以上；

2） 介质流动通道的当量直径小（也可以根据需要调整当量直径大小，从而满足工艺需要），而且冷、热流体在换热芯体内处于完全逆流动，因此传热系数高、传热温差大；

3） 换热芯体采用模块设计，由多个换热单元组成，易于生产、装配和调节，具有很强的适应性和可靠性；

4） 换热单元的内部可以不存在焊点和焊缝，板片及换热单元能够有效地适应温度梯度造成的热应力，大大增强了抵抗热循环疲劳的能力。当然，为了增加冷热通道的抗压强度，板片间凸点可以焊接；

5） 制造费用和周期与板翅式相当。

一次表面换热器通常采用模块化设计，在需要时可以将几个模块串联或并联连接，这样的设计可以使制作、运输和安装更为方便，并且可以更合理的利用场地空间。

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因为烟气灰尘较大，因此，蒸发器采用翅片管式换热器，工质在管内蒸发，烟气则通过管外壁换热，管外的翅片可以大大增加换热面积，这是当前国内外普遍采用的气-液换热器形式，其结构紧凑，耐磨性强，非常适合于烟气余热回收利用。

图3 翅片管式高效蒸发器整体示意图

管板起到固定管束的作用。工质通过下集箱进入换热器，吸收空气热量蒸发后从上集箱离开换热器，空气则以垂直于管束方向通过换热器管外。

翅片采用矩形翅片形式，这样的形式的特点是翅片与管子之间能够很好的焊接固定，可以有效减少间隙热阻.

在余热发电过程中，工质对系统的性能起着关键作用。在选择工质时，力求工质在热源条件下吸热多，并能把吸收的热量有效地转化成功。

理想的双工质应该具备有如下的特征：

1)临界温度应该略高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸多问题；

2)工质的压力水平适宜。循环中蒸发温度所对应的饱和压力不应过高，冷凝温度对应饱和压力不宜过低，最好能保持正压，以防止外界空气的渗入而影响循环性能；

3)在T—S图中饱和蒸气线上ds/dT应接近零或大于零；

4)比热容小，粘度低，传热系数高，热稳定性好；

5)毒性小、不易燃、不爆炸且与设备材料和润滑油具有良好的兼容性；

6)不污染环境，ODP和GWP值较低；

7)价格便宜，且易于获得。

对于ORC系统常用的工质有R123、R245fa、R245ca、异丁烷等。预选了8种有机工质（R123 R124 R142B R236EA R114 R245fa R123 R141B R600），并对每种工质系统进行设计计算。通过对工质的热效率，不可逆性损失，单位工质的发电量，压力水平以及安全性综合考虑比较，本烟气余热发电系统的工质选用R245ca。

由于热热回收后的中低温热能不易储存，经常被丢弃，采用余热发电技术对工业烟气进行热电回收。

有些工业烟气余热温度较低（小于250℃），难以采用常规的发电技术进行余热回收发电。低沸点循环发电技术是解决这一问题的一条途径。

烟气余热ORC发电系统，其工艺装配示意图如图1所示。

图1 ORC发电系统工艺装配示意图

系统包括烟气循环、双工质和冷却水循环系统，其工艺流程图如图2所示（工艺图上包含了温度计、压力计等传感器）：

图2 烟气余热发电系统工艺流程图

1）烟气循环中。烟气经蒸发器换热，然后经风机回到烟气混合器中。

2）低沸点ORC系统。低沸点有机工质通过蒸发器与烟气进行换热，吸收热量后，由液体变成高温高压的气体，经汽轮机绝热膨胀，对外做功变成低温低压的气体，再经冷凝器放热变成饱和的液体，然后通过有机工质泵等熵压缩到高压并流到蒸发换器中进行换热。

3）冷却水循环。冷却水经冷凝器吸热后，通过循环水泵加压，进入冷却塔，经冷却塔冷却后，再回到冷凝器中。

“注意，“Fed”并不确指电能的交换方向（输出还是输入），所以，双馈既有双馈发电机，亦有双馈电动机。对于绕线转子的异步电机，除了定子必然和电源相联之外，转子也可以和电源相联，于是，当电机作为发电机时，称之为双馈异步发电机；反之作为电动机时，则称为双馈异步电动机，而只有一端和电源相联的普通电机则属于“单馈”。

还要指出，双馈发电或双馈电动均属于和外部电源的电能交换，因此，双馈（Double Fed）以及串级（Cascade Control）都应归属于外馈。

用于发电的地热资源，目前主要有三种，即水热资源、地压资源和干热岩资源。但目前只有水热资源能用于商业发电，其余还处于试验阶段。实际应用的地热水发电主要是闪蒸系统和双工质循环系统。

要提高动力循环的发电效率，只有改善循环吸热过程和放热的换热温度匹配。采用水作工质的动力循环朗肯(Rankine)循环的蒸发和冷凝过程都是恒温的等温相变过程。这样，工质和热源及冷源的换热就不能达到最佳的温度匹配，引起较大的有效能损失。

非共沸混合物等压相变过程是一变温过程，如果以其作为动力循环的工质就可以与变温的热源和冷源达到满意的温度匹配，降低蒸发和冷凝过程的有效能损失，提高循环的发电效率 。

采用NH3₃ -H₂0混合工质的地热双工质发电系统的循环流程如《氨水混合工质动力循环流程图》所示。

该循环系统由发生器、换热器、汽轮机、吸收器、节流阀以及泵组成。压力为7. 5 xlOSPa，浓氨水溶液被冷却水冷却由状态1经过泵加压到状态2，进人换热器换热升温后，达到状态点3，然后送人发生器，由地热水加热混合工质，低沸点工质氨开始蒸发，并从混合物中分离出来。从发生器出来工质蒸气4进人汽轮机膨胀做功，汽轮机出口排气5进人吸收器被来自6的稀溶液吸收，释放的热量由冷却水带走，并回到状态1的浓氨水溶液。发生器出口7为稀氨水溶液，它首先通过换热器放热到状态8，再经过节流阀减压后进人吸收器，吸收来自汽轮机出口排气，完成整个循环过程。