有机朗肯循环系统中管壳式换热器选型_段钱胜

2012 Vol.32 增刊 船电技术|有机朗肯循环系统 51 有机朗肯循环系统中管壳式换热器选型 段钱胜 李志 梅映新 （中国船舶重工集团公司第七一二研究所， 武汉 430223） 摘 要：本文介绍了有机朗肯循环（ORC）系统中 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 系列化管壳式换热器选型的方法，该方法以实例为 出发点，依托理论计算，高效准确的选择出符合要求的换热器。 关键词：有机朗肯循环 实例 高效 中图分类号：TM611 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2012）s1-0051-03 Shell and Tube Heat Exchanger Selection in Organic Rankine Cycle System Duan Qiansheng, Li zhi, Mei Yinxing (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China ) Abstract：Relying on theoretical calculations and the examples, this paper presents a selection method of shell and tube heat exchanger in organic rankine cycle ( ORC) system, the results show that the exchanger selected efficiently and accurately can meet the requirements in ORC system. Keywords：organic rankine cycle; examples; high efficiency 0 引言 随着我国经济的快速发展和人口的不断增 长，能源相对不足的矛盾日益突出，已经成为影 响经济和社会发展的重要制约因素之一。资源综 合利用将是保持经济可持续发展的一个重要措 施。在国家资源综合利用产业政策的鼓励下，许 多企业开始利用生产过程中产生的余热进行发 电，这样既降低了成本，又保护了环境，其经济 和社会效益十分显著。 利用有机朗肯循环（ORC）来进行中、低温 余热回收，近几年受到人们极大的关注。管壳式 换热器是有机朗肯循环系统中重点之一，本文将 以有机工质正戊烷的冷凝来着重介绍标准系列化 管壳式换热器的选型。 1 实例参数 1.1设计任务： 处理能力：正戊烷 2.376×104t/a 设备形式：列管式冷凝器。 1.2操作条件： 正戊烷：冷凝温度 51.7 ℃，冷凝液于饱和温 度下离开冷凝器。 冷却介质：井水，流量 70000 kg/h，入口温 度 32 ℃。 压力降不大于 105 Pa。 每年按 330天，每天按 24小时连续运行。 1.3设计要求： 选择合适的管壳式换热器并校核计算。 2 详细计算 2.1确定流体流动空间 井水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷 的散热与冷凝。 2.2确定流体定性温度下物理参数 正戊烷在温度为 51.7 ℃的潜热为 r=357.4 kJ/kg，正戊烷质量流量： 4 32.376 10 10 / 330 40 3600 0.833 kg/s mlq        收稿日期：2012-05-20 作者简介：段钱胜（1987-），男，工程师。研究方向： 热交换。 船电技术|有机朗肯循环系统 2012 Vol.32 增刊 52 热负荷为 Q= qm1×r=0.833357.4=297700 J 通过热量平衡得出井水出口温度： 2 1 2m Qt t q c   井 ， 式中： 2 70000 19.4 kg/s 3600m q   得 t2=35.67℃ 井水定性温度 33.84 2 21  tt ℃。 两流体在定性温度下的物性数据如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 。 表 1 两流体在定性温度下的物性数据 温度 密度 粘度 比 热 容 导 热 系数 正 戊 烷 51.7 ρ1 =596 µ1 =0.00018 C1 =2.34 λ1 =0.13 井水 33.84 ρ2 =993.7 µ2 =0.000717 C2 =4.174 λ2 =0.627 2.3估算换热面积 确定有效平均温差 1 2 2 1 1 2 2 1 ( ) ( ) 17.8 ln m T t T tt T t T t       ℃ 根据井水走管程，正戊烷走壳程，取总换热系 数 2500 w/mk  ℃，因此估算换热面积： 2 m 2 9 7 7 0 0 3 3 .4 5 m * t 5 0 0 * 1 7 .8 QA K   估 2.4初选换热器规格 根据换热估算的换热面积，查《换热器设计 手册》，选择标准换热器，参数如下： 公称直径 D=0.5 m；公称换热面积 S=37.3 2m ；管程数 pN =2；管数 tN =164；管长 L=3 m； 管程流通面积 1A =0.0257 2m ；串联的壳程数 NS=1；管子型号： 5.225 mm；管子排列方式： 正三角形。 2.5校核总传热面积 2.5.1管程流体流速 ui以及雷诺数 Reii 流体流速： 12 2 A qu mi   2 2 1 19.4 0.76 m/s 993.7 0.0257 m i qu A     雷诺数 2 2  i ei duR  ，式中 d为换热管内径，d=0.02 m 17.21056 000717.0 7.99376.002.0 2 2   i ei duR 2.5.2管程压力降 pi△ 2 2 2 2 2 2( ) 3( ) 1.5( ) 2 2 2 i i i i t p S s u u uLp F N N N d          其中 Ft代表结构校正因素，对于 25 2.5 mm  的管 子取 1.4，对于 19 2 mm  的管子取 1.5。 经计算 ip =5953.075 Pa<105 Pa 壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，即压力降可以忽 略。 2.5.3 管内传热膜系数 αi 由于 Rei>10000 4.08.02 Pr023.0 eii Rd   式中 Pr为普朗特数 733.4Pr 2 22   c 0.8 0.4 2 0.6270.023 21056.17 4.733 0.02 3874.27 w / m i       ℃ 2.5.4管外传热膜系数 α0 1/ 43 2 1 1 0 1 0.943 g L t          式中：g为重力加速度，△t为饱和蒸汽温度与壁 温的差值，现取壁温为 40℃，因此： 1/ 43 2 1 1 0 1 1/ 43 2 2 0.943 0.13 596 357400 9.810.943 0.000717 3 (51.7 40) 916 w / m g L t                     ℃ 2.5.5计算总传热系数 d db d dRR d dK o i   管 内外  00 0 0 11 1 式中 R 外为管外污垢系数，R 内为管外污垢系数， λ 管为管材导热率 ， 取 45 w/（m. ℃ ）通过查 《换热器设计手册》，有： R 外=0.000172 2m / w℃ ； R 内=0.0002 2m / w℃ 因此： 2012 Vol.32 增刊 船电技术|有机朗肯循环系统 53 0 2 1 1 0.025 0.025 0.0025 0.0250.000172 0.0002 1051 3736 0.02 0.02 45 0.02 525w/m K         ℃ 2.5.6计算实际换热面积 m0 t  K QA计 得 A 计=31.9 m2 我们所选择换热器的换热面积为 37.3 m2，因 此该换热器可以满足要求。 3 结论 通过对有机朗肯循环（ORC）中管壳式换热 器的选型讨论，我们可以更准确的选择出高性价 比的换热器，从而降低整个系统的成本，使产品 更具市场竞争力。 参考文献： [1] 钱颂文 . 换热器设计手册 . 北京 :化学工业出版社 , 2000.8. [2] 陈敏恒, 丛德滋, 方图南等. 化工原理. 北京: 化学 工业出版社, 2006. [3] 王元文, 陈连. 管壳式换热器的优化设计.贵州化工, 2005, 30（1）: 27-31. （上接第 50页） （2）碳素钢无缝钢管材料牌号有 10、20、 09MnV、16Mn四种，所采用的标准有：GB/T 8163 《流体输送用无缝钢管》；GB/T 9711.1《石油天 然气工业输送钢管交货技术条件》；GB 6479《化 肥设备用高压无缝钢管》；GB 9948《石油裂化用 无缝钢管》；GB 3087《低中压锅炉用无缝钢管》； GB 5310《高压锅炉用无缝钢管》[4]。 上述几个钢管标准的制造质量等级从低到高 的顺序： GB/T 8163 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 进行，并且需要根据不同的要求进行反 复的修改和完善。ORC余热发电系统对管路的密 封性能及安全性能提出了更高的要求，所以在设 计的过程中要予以注意。根据系统所使用的工质 物化特性，设计温度和设计压力来选择系统所适 合的管材，是进行管路布置的基础，也是管路设 计中一项重要的环节。 参考文献： [1] 汪玉林．低温余热能源发电装置综述[J]．热电技术, 2007(1), 1-8． [2] 郑浩, 汤珂, 金滔, 王金波, 徐立俊, 项靖麒．有机 朗肯循环工质研究进展[J]．研究与探讨 , 2008(4), 5-11． [3] 国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察 局．全国压力管道设计审批人员培训教材．北京: 中 国石化出版社, 2005． [4] 宋岢岢主编．压力管道设计及工程实例．北京: 中 国石化出版社, 2007． [5] 王怀义主编．石油化工管道安装设计便查手册．北 京: 中国石化出版社, 1998．