کاربرد مبدل حرارتی بازیابی حرارت در سیستم تولید برق ORC

1، نقش اصلی مبدل حرارتی بازیابی حرارت در سیستم تولید برق ORC
اصل اصلی سیستم ORC این است که گرمای حاصل از{0}}منابع حرارتی درجه پایین (مانند گازهای دودکش صنعتی، آب خنک‌کننده و بخار خروجی) از طریق یک مبدل حرارتی بازیابی حرارت به سیال عامل آلی منتقل می‌شود. سیال عامل آلی، به دلیل نقطه جوش پایین آن، می‌تواند در دماهای پایین‌تر به بخار با فشار بالا- تبخیر شود و توربین را به چرخش و تولید الکتریسیته سوق دهد. سیال کار پس از انجام کار، توسط یک کندانسور خنک و مایع شده و توسط پمپ سیال کار تحت فشار قرار می گیرد و سپس دوباره وارد مبدل حرارتی بازیافت حرارت می شود تا چرخه کامل شود.
وظایف اصلی یک مبدل حرارتی بازیابی حرارت را می توان در سه نکته خلاصه کرد:
جذب گرمای کارآمد: به حداکثر رساندن بازیابی-گرمای تلف شده با درجه پایین، کاهش تلفات حرارتی در سمت منبع گرما، و بهبود راندمان استفاده از گرمای تلف شده.
گرمایش دقیق سیال کار: حرارت دادن سیال کار آلی تا حالت تبخیر (بخار اشباع/بخار فوق گرم)، ارائه پارامترهای سیال کاری (دما، فشار) که الزامات کار را برای توربین برآورده می کند.
تنظیم تطبیق سیستم: با نوسانات جریان و دما در سمت منبع گرما (مانند ویژگی های بار متناوب و متغیر گرمای زباله صنعتی) سازگار شوید، پارامترهای خروجی را در سمت سیال کار تثبیت کنید و از عملکرد مداوم و ایمن سیستم ORC اطمینان حاصل کنید.
به بیان ساده، مبدل حرارتی بازیابی حرارت، پل تبادل حرارتی بین «منبع حرارت» و «سیال کار» در سیستم ORC است و عملکرد تبادل حرارتی آن به طور مستقیم بازده تولید برق سیستم ORC را تعیین می‌کند (به طور کلی، راندمان کل سیستم ORC حدود 10% ~ 25% است و راندمان تبادل حرارت عامل افزایش دهنده مبدل حرارتی است).

2، الزامات ویژه سیستم ORC برای مبدل حرارتی بازیابی حرارت
منبع حرارتی سیستم ORC عمدتاً درجه پایین- (دمای عموماً 80-350 درجه)، شرایط عملیاتی متغیر، و گرمای اتلاف حاوی ناخالصی‌ها (مانند گازهای دودکش صنعتی حاوی گرد و غبار و گوگرد، و آب خنک‌کننده حاوی رسوب) است، و سیال‌های عامل آلی اغلب دارای نقاط جوش کم، فراریت‌پذیری آسان سیال و برخی از فرّارهای کارکردنی هستند. بنابراین، طراحی، جنس و ساختار مبدل های حرارتی بازیافت حرارت با مبدل های حرارتی سنتی توان حرارتی متفاوت است. الزامات اصلی به شرح زیر است:
1. با تبادل حرارتی با درجه پایین- سازگار شوید و عملکرد انتقال حرارت را افزایش دهید
منابع حرارتی درجه پایین دارای دما و فشار پایین (اختلاف دمایی کوچک بین منبع گرما و سیال کار)، نیروی محرکه انتقال حرارت ضعیف هستند و به مبدل‌های حرارتی نیاز دارند که ساختارهای انتقال حرارت با راندمان بالا-برای دستیابی به انتقال حرارت سریع در یک منطقه انتقال حرارت محدود، اجتناب از حجم مبدل حرارتی و هزینه بالا ناشی از ضریب انتقال حرارت پایین، داشته باشند.
2. تحمل شرایط عملیاتی متغیر و سازگاری با نوسانات منابع گرما
سرعت جریان و دمای حرارت زباله های صنعتی (مانند گاز دودکش/بخار حرارتی زباله از صنایع فولاد، شیمیایی و سیمان) در معرض نوسانات با بار تولید هستند (مانند افت ناگهانی دمای گاز دودکش از 150 درجه به 100 درجه و کاهش سرعت جریان از 50000 متر بر ساعت به 30 رینگ گرما 30 متر در ساعت). مبدل سازگاری خوبی با شرایط کاری در حال تغییر داشته باشد. با تنظیم منطقه تبادل حرارت و بهینه سازی کانال جریان، می توان از پایداری پارامترهای خروجی در سمت سیال کار اطمینان حاصل کرد.
3. سازگاری با ویژگی های سیالات کاری آلی، تعادل ایمنی و سازگاری
سازگاری مواد: برخی از سیالات آلی عامل (مانند فلوئوروکربن ها، کتون ها و آلکان ها) ممکن است باعث خوردگی جزئی فلزات در دماهای بالا شوند. مواد مبدل حرارتی باید با سیال کار مطابقت داشته باشد (مانند فولاد ضد زنگ 304/316 معمولی، آلیاژ تیتانیوم و شرایط کاری خاص با استفاده از Hastelloy).
عملکرد آب بندی: سیال کار آلی مستعد تبخیر است و مبدل حرارتی باید سطح آب بندی بالایی داشته باشد تا از نشت سیال کاری جلوگیری کند (که نه تنها باعث از دست دادن گرما می شود، بلکه ممکن است به دلیل اشتعال پذیری / سمیت سیال کار منجر به حوادث ایمنی شود).
ضد کک شدن/پوسته شدن: سیالات عامل آلی در هنگام گرم شدن بیش از حد موضعی مستعد ترک خوردگی و کک شدن هستند. مبدل حرارتی باید طراحی کانال جریان را بهینه کند تا از دماهای بالای محلی در سمت سیال کار جلوگیری کند و میدان جریان یکنواخت را تضمین کند.

4. مقاوم در برابر ویژگی های محیط در سمت منبع گرما، افزایش توانایی مقاومت در برابر آلودگی و خوردگی
اگر منبع گرما گاز دودکش صنعتی است: حاوی گرد و غبار، گوگرد و گازهای اسیدی، طرف گاز دودکش مبدل حرارتی باید-مقاوم در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی-درجه حرارت پایین، و تمیز کردن آسان (مانند نصب یک دستگاه تمیزکننده) باشد.
اگر منبع گرما دمای پایین{0}آب خنک کننده/بخار خروجی اگزوز باشد: مستعد پوسته پوسته شدن و متراکم شدن است، مبدل حرارتی باید در برابر رسوب گذاری و خوردگی الکتروشیمیایی مقاوم باشد.
اگر منبع گرما{0}نمک مذاب با دمای بالا/روغن انتقال حرارت باشد (سیستم ORC تبادل حرارت غیرمستقیم): باید در برابر شوک حرارتی محیط-در دمای بالا مقاومت کند و ماده دارای استحکام{2}در دمای بالا است.
5. فشرده، کم هزینه-، مناسب برای کاربردهای مهندسی
سیستم‌های ORC عمدتاً تولید برق توزیع شده (مانند قرار گرفتن در نزدیکی نقاط تولید گرمای زباله‌های صنعتی)، با فضای سایت محدود، نیاز به ساختارهای مبدل حرارتی فشرده، حجم‌های کوچک و وزن‌های سبک دارند. در عین حال، سودآوری سیستم ORC به صرفه جویی در بازیابی گرمای هدر رفته بستگی دارد و مبدل حرارتی نیاز به کنترل هزینه های ساخت و نگهداری عملیات دارد.
6. مطابقت حرارتی را برآورده کنید و به انتقال حرارت مطابق با دما برسید
فرآیند گرمایش سیال عامل آلی در سیستم ORC به بخش پیش گرمایش، بخش تبخیر و بخش فوق گرم تقسیم می شود (بعضی از سیستم ها بخش فوق گرما ندارند). انتشار گرما در سمت منبع گرما نیز به بخش حرارت محسوس و بخش تراکم تقسیم می شود. لازم است که طراحی کانال جریان مبدل حرارتی به انتقال حرارت منطبق با دما دست یابد، از انتقال حرارت بی اثر با "تفاوت دمای زیاد و سرعت جریان کم" جلوگیری شود، بازده حرارتی (نرخ استفاده موثر انرژی) را بهبود بخشد و تلفات حرارتی را کاهش دهد.

برای بهبود عملکرد کلی سیستم ORC، طراحی مبدل حرارتی بازیافت حرارت باید حول چهار جنبه اصلی باشد: راندمان انتقال حرارت، سازگاری با شرایط عملیاتی مختلف، مقاومت در برابر رسوب‌گیری و کنترل هزینه. نکات کلیدی طراحی و بهینه سازی به شرح زیر است:

1. کانال جریان و ساختار تبادل حرارتی بهینه سازی
برای به حداکثر رساندن استفاده از دما و فشار و بهبود راندمان تبادل حرارت، از تبادل حرارتی شمارنده (منبع گرما و جریان سیال کاری در جهت مخالف) استفاده کنید (متوسط ​​دما و فشار مبادله حرارتی کنونی 30% ~ 50% بیشتر از تبادل حرارتی همزمان است).
برای بهبود ضرایب انتقال حرارت در هر دو طرف، از لوله‌های انتقال حرارت تقویت‌شده (مانند لوله‌های رزوه‌دار، لوله‌های موجدار و لوله‌های میکروپره‌دار) در سمت سیال کار و از{0}پره‌های با کارایی بالا (مانند باله‌های موجدار و باله‌های شکاف‌دار) در سمت منبع گرما (گاز دودکش) استفاده کنید.
توزیع کانال جریان را بهینه کنید تا میدان جریان یکنواخت محیط را در مبدل حرارتی تضمین کنید، از مناطق مرده محلی و انحرافات جریان جلوگیری کنید، و از کک شدن موضعی، پوسته پوسته شدن و گرمای بیش از حد جلوگیری کنید.

2. انتخاب دقیق مواد
بر اساس محیط منبع گرما، سیال عامل آلی و دما/فشار عملیاتی، مرجع انتخاب مواد هسته به شرح زیر است:
شرایط عملیاتی عادی (سیال کار R245fa یا R1233zd است، منبع گرما گاز دودکش تمیز / آب خنک کننده، دما است.<200℃):304 stainless steel;
رسانه های خورنده (گاز دودکش حاوی گوگرد، سیال عامل کتون های خورنده است، دمای 200 ~ 300 درجه):** فولاد ضد زنگ 316 لیتر.
شرایط کاری بسیار خورنده (گاز دودکش اسیدی با دمای بالا، سیال کاری ویژه): آلیاژ تیتانیوم، Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 درجه، مانند-حرارت اتلاف فرآیند با دمای بالا): فولاد مقاوم در برابر حرارت-(مانند 15CrMoG، P91)

3. طراحی ضد رسوب و حذف گرد و غبار
برای منابع گرمایی حاوی گرد و غبار و رسوب، مبدل‌های حرارتی باید دستگاه‌های ضد رسوب‌زدایی/حذف گرد و غبار را برای جلوگیری از تجمع رسوب روی سطح تبادل حرارتی که می‌تواند ضریب انتقال حرارت را کاهش دهد (ضریب انتقال حرارت می‌تواند بیش از ۵۰٪ پس از پوسته‌گیری کاهش یابد) یکپارچه کنند:
سمت گاز دودکش: دمنده های دوده صوتی، دمنده های دوده پالسی و دوده خراش دهنده را نصب کنید تا سرعت گاز دودکش را بهینه کنید (به طور کلی در 10 تا 15 متر بر ثانیه کنترل می شود) تا از انتقال حرارت در حین کاهش رسوب گرد و غبار اطمینان حاصل کنید.
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1.5 متر بر ثانیه) برای جلوگیری از تشکیل رسوب.