Енергетичний міст і технічне ядро системи генератора ORC для теплообмінника з рекуперацією тепла
Низько{0}}характеристики джерела тепла системи ORC і фізичні властивості органічної робочої рідини висувають суворі індивідуальні вимоги до конструкції теплообмінника з рекуперацією тепла, і його технічні характеристики в основному відображаються в таких чотирьох аспектах:
(1) Конструкція ефективного теплообміну: збалансоване використання відпрацьованого тепла та компактність системи
Низькоякісні джерела тепла мають невеликі градієнти температури та низьку густину енергії, тому теплообмінники з рекуперацією тепла мають над-високу ефективність теплопередачі. У техніці зазвичай прийнято конструкцію «ребриста труба + перехресний потік/протипотік»: високочастотні оребрені труби використовуються для посилення теплопередачі в каналі гарячої сторони, збільшуючи площу контакту з відпрацьованим теплоносієм; Канал робочої рідини холодної сторони приймає розумний розподіл каналів для досягнення протитечії теплообміну із середовищем гарячої сторони, максимізуючи різницю температур теплопередачі. У той же час системи ORC часто використовуються на промислових об’єктах або в мобільних пристроях (таких як нові енергетичні важкі-вантажівки), а теплообмінники повинні досягати максимальної площі теплопередачі в обмеженому просторі. Таким чином, компактні конструкції (такі як пластинчасті та мікроканальні структури) стали основним вибором, а їх об’ємний коефіцієнт теплопередачі може досягати 3-5 разів більшого, ніж у традиційних кожухотрубних теплообмінників.
(2) Адаптованість робочої рідини: звернення до унікальних фізичних і хімічних властивостей органічних робочих рідин
Між органічними робочими рідинами і водою існують значні відмінності в температурі кипіння, в'язкості і корозійної активності, що вимагає особливих вимог до вибору матеріалу і конструктивного оформлення теплообмінників. Наприклад, деякі органічні робочі рідини (такі як R134a) можуть відчувати значне розширення об’єму під час фазового переходу, і необхідно розробити прийнятну площу поперечного-перерізу каналу потоку, щоб уникнути надмірної втрати тиску; Робочі рідини, що містять хлор, можуть розкладатися та утворювати корозійні гази при високих температурах, тому матеріалом теплообмінника має бути нержавіюча сталь 316L або сплав Hastelloy з високою стійкістю до корозії; Характеристики фазового переходу сухих рідин (таких як R245fa) і вологих рідин (таких як n-пентан) відрізняються, і цілеспрямований процес теплообміну потрібно розробити, щоб уникнути утворення крапель на виході вологих рідин, які можуть спричинити пошкодження турбіни через удар рідини.
(3) Контроль температури та тиску: забезпечення стабільної роботи системи
Температура випаровування органічної робочої рідини в системі ORC зазвичай становить 60 градусів -180 градусів, а робочий тиск може досягати 2-4 МПа. Теплообмінник-утилізатор повинен точно контролювати температуру на виході та сухість робочої рідини - надмірний перегрів збільшить споживання енергії системою, тоді як недостатній перегрів може призвести до виходу з ладу турбіни. З цієї причини теплообмінники зазвичай мають сегментовану конструкцію, розділену на секцію попереднього нагріву, секцію випаровування та секцію перегріву. Завдяки оптимізації довжини кожного каналу потоку та розподілу площі теплообміну забезпечується стабільна сухість вихідного отвору робочої рідини на рівні 0,95 або вище. У той же час теплообмінник повинен мати достатній опір тиску та герметизацію, щоб справлятися з коливаннями тиску органічних робочих рідин під час фазового переходу та запобігати загрозам безпеці та втратам енергії, спричиненим витоком рідини.