據郭井學等對7種常用到的極地浮標進行了討論和總結，以POPS浮標為例，過應變器連接在平臺上。其總體質量是34kg,外殼直徑為22cm,浮筒直徑是60cm,厚18cm,總長度200cm,大致結構如圖4-1所示，故浮標的體積約為37994cm3。圖4-1浮標1.2膨脹機脹比的中小型裝置，而速度型膨脹機主要適用于小流量、小膨脹比的大型裝置。工質的質量流量。膨脹機的最大效率為41.3%,對應于11.5bar的工質壓力和383K的溫度。這表明了有機朗肯循環系統組件之間進行匹配的重要性。泵的低旋轉頻率(<10Hz)適應了膨脹機轉矩的整個范圍，產生了穩定的流量，高頻(>10Hz)適用于低轉矩的膨脹機，但在大轉矩的情況下會引起不穩定的流量和泵統的微型膨脹器(<10kw)尚未投放市場，許多研究人員在實驗系統中使用了自張業強iv等探討了單螺桿膨脹機在ORC系統中的性能，單螺桿膨脹機噪聲低、kw,溫降最高可達63℃,但是樣機的效率不是特別理想，機械效率最高可達95%,等熵效率最大是59%,總效率最高可達35%。機運動部件少，但只能提供較低的壓力比(通常低于1.2),其功率輸出與活塞式小型有機朗肯循環系統中4個容積膨脹器(渦旋，螺桿，活塞和齒根)的最佳性能，活塞式膨脹機和螺桿膨脹機的最大等熵效率為53%,但是，這些膨脹器的最輸出大于50kw的場合，因為對于小功率循環來說，它的效率很低。另外，渦旋明，兩者相對一致(對于循環模型以及不同的子模型)。實驗研究表明，該膨脹出現徑向泄漏與切向泄漏，如圖4-2viii所示；二是該膨脹機的容積效率較低，不適用作為動力機械。圖4-1渦旋膨脹機的工作過程圖4-2渦旋膨脹機的切向泄漏與徑向泄漏1.2.3螺桿膨脹機螺桿膨脹機是一種容積型膨脹機，它的結構和螺桿壓縮機一樣，但是工作過程恰恰相反，主要由缸體、一對螺桿轉子、軸承、齒輪以及其他組件零件等構成，其工作原理是工質進入到工作齒槽中進而推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽之間的容積逐漸變大，氣體不斷膨脹做功，最后從齒槽末端排出，由主軸螺桿輸出功率，從而帶動發電機發電。如圖4-3i×1所示。螺桿膨脹機的運行過程如圖4-4ix所示。圖4-3螺桿膨脹機QCd圖4-4螺桿膨脹機的工作過程螺桿膨脹機及特點：(1)螺桿膨脹機的占地面積、重量、排氣脈動以及單位排氣量體積遠小于活塞式膨脹機。(2)由于螺桿膨脹機沒有凸輪配氣結構、活塞連桿機構，也沒有進排氣閥，結構十分簡單，且零件數極少，基本沒有易損件，故其壽命長，運轉可靠，甚至可以實現無基礎運轉。(3)螺桿膨脹機，是容積型膨脹機，內部流速低，除去泄露損失外，其他損失很少，膨脹機效率較高，就算負荷或蒸汽參數發生改變仍能保持高效率。(4)在吸氣壓力下，螺桿膨脹機對降變工況的適應能力強，既能在設計壓力下工作，也能在低吸氣壓力下工作，但是有附加損失。(5)磨損件數量較少，且轉速不高，使用壽命變大?？紤]到膨脹機的尺寸，這里可以采用微型透平膨脹機，湯潤泉×已于2000徑為9mm,尺寸小轉速大，且性能很好，體積約為425cm3。本文中有機朗肯循環系統的主要換熱器是蒸發器和冷凝器。由于換熱器的效率對整個系統性能有著重要的影響，因此優化換熱器是提升系統效率的主要方法之一，最主要的就是要減少系統的不可逆損失，且盡可能減小換熱溫差，黃峻偉[xiil等分析了低溫余熱發電有機朗肯循環直接接觸式蒸發器中分散相在連續相中的傳熱性能，發現使用直接接觸式蒸發器可以提高換熱效率。如果想要提高換熱效率，可以通過增加換熱面積來實現，然而姜亮xiii等研究發現，蒸發器的換熱面積并不是越大越好，我們選擇和設計蒸發器時，應當根據具體情況合理選擇蒸發器換熱面積的大小，且匹配以最佳的運行工況，從而實現理想的經濟效益。微型換熱器體積小、質量輕，工質通過的通道微小，從而大大提高了單位體積內的傳熱面積，傳熱量變大，故傳熱效率高?？紤]到目前對于微型換熱器的加工工藝不夠成熟，而且生產成本高，微型換熱器還處于實驗研究階段，還沒有出微型系統可以采用小型緊湊式換熱器，方便加工。1.3.1蒸發器一般來說，在有機朗肯循環中經常使用的的蒸發器主要包括管殼式、管翅式和板式三種類型。其中管翅式蒸發器主要應用于熱載體為氣態的情況下，比如煙氣、尾氣、廢氣等，氣體換熱系數相對較低，主要用于余熱鍋爐；管殼式蒸發器主要應用于熱載體為液態的情況下，比如熱海水、導熱油、廢水等，具有適應性強、耐高溫高壓、結構堅固且制造工藝簡單等優點，在工業領域中應用最多；板式蒸發器相較于其他蒸發器而言，具有傳熱系數高、結構緊湊、實現多種介質換熱等優點，是目前比較先進的高效節能蒸發器。本文研究的有系統中，熱源為海下面將對管殼式蒸發器進行研究。根據工質流程的不同，管殼式蒸發器可以分為滿液式和降膜式。滿液式蒸發器中，由于工質吸熱蒸發后還有很多液體，所以從蒸發器中出來的濕蒸汽應該經氣液分離后才能再進入膨脹機。蒸發器在工作的時候，管內有液體載冷劑流動，管外是制冷劑沸騰，如圖4-5所示。在中小熱負荷的情況下，若管的間距大，則滿液式蒸發器通過自然對流進行換熱，但降膜式蒸發器的換熱系數遠大于滿液式。如果緊湊排列蒸發器的管束結構，會增大單位體積中的表面積。這是因為換熱系數是隨通道水力直徑的增大而減小的，故緊湊表面的通道小，換熱系數會變大。另外，在小空間尺寸內緊湊排列的滿液式蒸發器會出現沸騰現象，自然對流換熱會變成核態對流換熱。當管間距比較適宜時，它的換熱性能可能會比降膜式蒸發器好，當過熱度高、熱流量高時，可以使用緊湊排列的滿液式蒸發器。緊湊排列的方式能夠減少蒸發器的體積和重量，而且會減小造價。圖4-5滿液式蒸發器滿液式蒸發器也有缺點：(1)工質的注入量大。如果工質的價格比較高昂，會增加制造成本；(2)在使用氟利昂時，需要分離潤滑油；(3)受液體靜壓力的影響，在蒸發器殼體直徑較大的情況下，會使底部液體的蒸發溫度升高，這會使蒸發器的傳熱溫差變小。蒸發溫度越高，這種影響越小，當工質密度較小時，靜壓高度的影響較??；(4)因為工質的液位較高，離工質的蒸汽出口比較近，蒸汽帶液現象比較顯著。如果令液體工質進入到膨脹機，則會出現液擊現象。降膜蒸發是液體工質進入到蒸發器中后，通過液體分布和成膜裝置，均勻分配噴淋到各換熱管上，呈均勻膜狀從上到下流動，如圖4-6所示。在流動的過程中，介質被殼程加熱汽化，氣液兩相一起進入到蒸發器的分離室，將氣液充分分離后，氣相進入到膨脹機中做功，而液相從分離室排出。降膜式蒸發器操作過程中，工質的停留時間很短，故傳熱效率很高。圖4-6降膜式蒸發器(1)傳熱溫差小。滿液式蒸發器由于液位靜壓導致沸點升高，從而造成溫(2)傳熱性能好。因為工質成膜狀沿管壁流動，工質膜很薄，有利于工質(3)工質充注量小。降膜式蒸發器工質注入量要比滿液式約少25%,減小(4)結構更加緊湊。傳熱性能好，蒸發溫度增大，可以提高循環效率；另成熟。目前研制出的微型管殼式蒸發器，外形尺寸為12cm×12cm×2cm體積約為288cm3,根據選取的管殼式蒸發器，設計傳熱系數為200-500W/(m2·K)熱面積約為0.1-0.5m2。冷凝器的作用是把高壓高溫工質蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質，使蒸汽工質凝結成液體。冷凝器作為有機朗肯循環的換熱器，進行熱量交換，如圖4-7所示。根據冷卻介質和冷卻方式，冷凝器大致分為三種類型，水冷式冷凝器、蒸發式冷凝器和空氣冷卻式冷凝器。圖4-7冷凝器空冷式冷凝器，就是利用冷空氣對工質蒸氣進行冷卻，工質在管內冷凝成液態，放出的熱量隨空氣從管外排出，它多應用于制冷裝置。本文系統的冷卻介質就是冷空氣，所以這里選用的就是空冷式冷凝器。北京工業大學的鐘曉暉[xiv設計了一款微型空冷式冷凝器，其散熱量為350-400W,外形尺寸為13cm×14cm×1.6cm,體積約為291cm3,冷凝器的傳熱系數不是越大越好，本文冷凝器的設計傳熱系數為100-300W/(m2●K),傳熱面1.4工質泵在整個發電系統中，工質泵的主要作用是為有機朗肯系統提供所需的工質流量和壓力，同時它也是整個系統主要的耗能設備，它的性能對系統的凈輸出功率和熱效率有很大的影響。本文工質流量較小，系統流程比較簡單，可以采用隔膜式計量泵，如圖4-8所示。出口入口圖4-8隔膜式工質泵計量泵又稱為比例泵或定量泵，它可以滿足各種工藝流程的需求，并且輸出流量非常精準，能夠在0-100%之間無級調節，可以輸送液體(尤其是腐蝕性液體),在現代工業生產領域中應用非常廣泛。按照計量泵的工作原理以及性質，大致可以分為三類，隔膜式計量泵、柱塞式計量泵和電磁驅動計量泵。其中，隔膜式計量泵，活塞被復合柔性隔膜取代，隔離作用十分好，在輸送介質時可以做目前市面存在的微型計量泵有很多，主體直徑在5cm左右，體積約為118cm3。綜上所述，選取的微型透平膨脹機體積為425cm3,微型蒸發器體積為288cm3,微型冷凝器體積為291cm3,微型計量泵為118cm3,故發電系統總體積約為1122cm3,遠小于浮標體積37994cm3。發電系統在浮標上的布置如圖4-9所示。圖4-9發電系統在浮標上的布置圖[ii]HanY,KangJ,ZhangcompressorcouplingorganicRaEnergyConversion&Management,2014,86(oct.[iii]GuoquanQiu,HaoLiu,SaffaRiffat.ExpanderswithorganicRankinecycle[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(16).膨脹機在有機朗肯循環系統中的性能研究[J].機械工程學[v]OlivierD,AntoineP,DRémi,etal.Experimoptimalperformanceassessmentoffourvolumetricexpanders(scroll,screw,pistandroots)testedinasmall-scaleor2018:S0360544218312477-.[vii]SylvainQuoilin,VincentLemort,JeanLmodelingofanOrganicREnergy,2009,87(4).[viii]彭斌，李要紅，趙生顯.渦旋膨脹機的熱力學模型與試驗驗證[J].熱能[ix]鄭娛泉.螺桿膨脹機的研究[J].四川工業學院學報，1991(Z1):150-161.[x]湯潤泉.微型透平膨脹機[P].江蘇：CN2388351,