朗肯循环方案设计

有机朗肯循环系统设计

一、有机朗肯循环简介

有机朗肯循环利用100-350℃的废气作为热源在换热器中加热朗肯循环工质，朗肯循环工质在换热器中蒸发为高压蒸气，该蒸气推动低速气动马达输出动力，低速气动马达的设计转速为1000r/min。通过液力变矩器直接将动力输出至压缩机曲轴。该系统可以在减小气耗的前提下达到同样的输出气量。最为关键的是这部分机械能为随时起停压缩机提供了动力和装置。二者联合运行可以极大地减少燃气消耗量。

朗肯循环工质高压蒸气在低速气动马达中做功后压力降低，成为低压蒸气，然后进入冷凝器放热后成为低压液体，低压液体经过工质储存罐后经流量泵加压，然后再进入换热器。

冷凝器为空冷式，采用引风机抽引常温空气，以加强换热效果。

高温废气低温朗肯工质高温朗肯工质传感、控制信号常温空气换热器压缩机控制单元压缩机气动马达流量泵压缩机冷凝器压缩机引风机工质储存罐

二、换热器设计

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1. 每月废气能够提供的总能量

假设每月由燃气式天然气压缩机产生987.5吨320℃、含水的废气，所能提供的总能量由废气温差放热和水的相变放热两部分组成。

假设换热器中废气侧压力为1atm，废气放热后出口温度为30℃。假设甲烷在空气中完全燃烧，则天然气燃烧过程可以近似表示为[1]：

CH4+ 2O2 + 7.52 N2? CO2+ 2H2O + 7.52 N2

由化学反应方程可得废气中CO2、H2O、N2的体积浓度为0.095、0.19、0.715，经计算可以得到三种成分相对应的质量浓度分别为0.09117、0.07091、0.837925。

987.5吨/月320℃废气的理论放热量为518170.5MJ/月，即放热功率为200kW。

1500吨/月、500吨/月320℃废气的理论放热量为787094.4 MJ/月、262364.8 MJ/月。

2. 制冷剂选择

可以选择氟利昂作为朗肯循环工质。

氟利昂的优点：无毒，不燃烧，对金属不腐蚀；绝热指数小，因而排气温度低；具有较大的分子量，适用于离心式制冷压缩机。

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其缺点是：部分制冷剂（如R12）的单位容积制冷量较小，因而制冷剂的循环量大；密度大，流动阻力较大；吸水性差，所以，系统必须保持干燥；价格较贵，极易渗漏又不易被发现。

由于采用空气冷却式冷凝器，所以，工质的冷凝温度至少应比当地夏季最高日平均气温高3~5℃左右。假设当地夏季日平均温度最高为25℃，则所选用工质的标准沸点应高于28℃。

可以考虑选用的工质有如下几种：

（1） R30，二氯甲烷，CH2Cl2，标准沸点40.7℃，凝固温度-96.7℃； R30，高毒性，中等可燃。

（2） R10，四氯化碳，CCl4，标准沸点76.7℃，凝固温度-22.9℃。 R10，高毒性，不可燃。

（3） R123，二氯三氟乙烷，CHCl2CF3，标准沸点27.9℃，凝固温度

-107℃。

R123，高毒性，不可燃。 本计算中选用R123作为工质。

3. 换热器类型

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换热器采用燃气式天然气压缩机废气加热R123，得到R123蒸气。 换热器设计采用直接蒸发式，非满液型，采用翅片管结构。选用Φ12mm的铜管，肋片采用铝，绕片管式肋片。肋片厚度0.2mm，肋高度为10mm，肋间距4mm。铜管正方形顺排布置，管间距S=25mm。

肋片管束外废气侧的放热系数按下式计算[２]：

Nu??Sf?ndb?0.54h?0.14?CRef()()SfSf

Ref?umaxSf?

Vumax?

Aminh?fdbAmin?[1?(1?2)]Afy

S1Sfdb式中，顺排，圆肋片Ｃ＝0.104, n=0.72; Sf为肋片间距；?为废气的运动粘度，

m2/s；Afy为换热器迎风面积，m2；S1为铜管水平方向间距，m；?f为肋片厚度，m；h为肋片高度，m。

公式中，定性温度为管束中液体的平均温度，特征速度为管束最窄截面处流体的流速，特征尺度为肋片管间距。

废气平均温度为175℃，查得烟气的??3?10?5m2/s，

??3.79?10?2W/(m?K)，??0.8kg/m3，cp?1.09kJ/(kg?K)。

假设废气在换热器进口处的流速为１m/s。 铜管套片后的管外径为

db?d0?2?f?(12?2?0.2)mm?12.4mm

铜管内径 di?d0?2?t?(12?2?0.35)mm?11.3mm

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4A?5.83mm 当量直径 deq?U最窄截面处空气流速 umax?2.09废气侧的雷诺数 Ref?m/s

umaxdeq?f?406.16

Nu??Sf??3.75

??Nu??35.53W/(m2?K) Sf废气侧当量表面传热系数 1.5??53.3W/(m2?K)

987.5吨/月320℃废气的放热功率为200kW。假设换热器的蒸发负荷为180kW。设R123质量流速为140kg/( m2?s) 。

27.9℃时，R123的潜热为170.6kJ/kg。设R123进入蒸发器时的干度x1=0.16，出蒸发器时的干度为x2=1.0。则R123的流量为：

Q0180qm???1.256?(x2?x1)170.6(1.0?0.16) kg/s

R123的总流通截面积

A?qm1.256??8.97?10?3 m2 g140每根管的有效流通截面积

3.14di3.14?0.01132Ai???0.0001 m2

44A0.00897??89.7 取Z=90 蒸发器的分路数 Z?Ai0.00012可设计三组该种换热器，每组蒸发器的分路数为30组。

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