[发明专利]考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法。 

技术背景

2011年我国GDP约为7.30万亿美元，一次能源消费总量为26.13亿吨油当量。我国GDP占世界GDP总量的10.47%，但为此消耗的能源却占世界能耗总量的21.29%。统计表明，我国万元GDP能耗是世界平均水平的2.03倍，美国的2.38倍，德国的4.18倍，日本的4.40倍。我国工业能耗占全社会能耗的70%以上，工业能耗高是导致我国单位GDP能耗高的主要原因。而工业能耗的60% – 65%都转化为了载体不同、温度不同的余热，其中，中低温余热数量极其庞大，但因其品位低，基本不能被传统水蒸气动力循环再回收利用。 

面对如此严峻的能源危机和较高的GDP能耗，寻找新能源和研发节能新技术已成为我国经济可持续发展的必由之路。就我国目前形势而言，发展地热能和太阳能等可再生清洁能源，回收工业过程量多面广、传统水蒸气动力循环难以高效回收利用的中低温余热资源不仅能有效缓解国内能源供应紧张的局面，而且还有利于改善环境。工业过程排放的余热、地热能和太阳能等均属于中低温热源，而在中低温余热回收领域中，有机朗肯循环因其效率高、结构简单和投资成本低等优势成为了高效回收中低温余热的理想途径。因此，优化设计作为有机朗肯循环重要部件的蒸发器和冷凝器的管道长度显得格外重要。 

在现有蒸发器和冷凝器管道长度设计方法中，基本是选用某一经验公式进行计算，而没有考虑两相蒸发和冷凝过程中的流型，故造成了换热器管道长度的计算精度低。同时，经验公式的适用范围窄，不利于有机朗肯循环的研究、推广及应用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法，其考虑了两相蒸发和冷凝过程中的流型，计算精度高，且可应用于使用各种常用流体的有机朗肯循环换热器管道长度的确定。 

本发明的技术解决方案如下： 

换热过程中，有机工质为单相流状态时（过冷液体或气体状态），首先根据假定的划分小段管长初值，利用Gnielinski公式计算该段平均努赛尔数Nu，然后再根据此平均Nu数计算该段的换热量，并与实际换热量进行比较，若不相同，则改变划分小段管长值，直到其相对误差小于或等于1%；有机工质为两相流状态时，首先假定划分小段的管长，然后根据蒸发或冷凝温度、圆管内径d、工质质量速度G、划分小段的热流密度q（基于假定的管长）与平均气体质量分数x，确定该段所处的两相蒸发或冷凝流型，进而选取相应流型下的对流传热系数计算式以获得该段的对流传热系数，最后根据此对流传热系数值与假定的管长计算该段的换热量，并与实际换热量进行比较，若不相同，则改变划分小段管长值，直到其相对误差小于或等于1%。按照此方法可确定两相蒸发和冷凝过程每划分小段的管长，进而可以获得整个蒸发器和冷凝器的管道长度。

本发明通过考虑两相蒸发和冷凝过程中工质的流型变化，显著提高了换热量的计算精度，可应用于使用各种常用流体的有机朗肯循环换热器管道长度的确定。 

附图说明

图1是蒸发器管道长度的确定流程图； 

图2是冷凝器管道长度的确定流程图；

图3是分层两相流横截面示意图；

图4是两相蒸发流型图；

图5是两相蒸发传热系数随气体质量分数的变化趋势图；

图6是两相冷凝流型图；

图7是两相冷凝传热系数随气体质量分数的变化趋势图。

具体实施方式

、蒸发器和冷凝器单相流换热时管道长度的确定

本发明选取了迄今为止计算准确度最高的Gnielinski公式来计算蒸发器和冷凝器中工质单相流状态下的对流传热系数。蒸发器和冷凝器单相流状态下管道长度的确定步骤如下：

步骤1：根据工质和热源流体划分段平均温度下的工质动力粘度μ_i、比定压热容c_p,i和导热系数k_i计算此两种温度下工质的普朗特数Pr_i（对于气体，只需计算划分段工质平均温度下的普朗特数），其中普朗特数计算式为

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