Zastosowanie wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła w systemie wytwarzania energii ORC
1, Podstawowa rola wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła w systemie wytwarzania energii ORC
Podstawową zasadą systemu ORC jest to, że ciepło z-źródeł ciepła niskiej jakości (takich jak spaliny przemysłowe, woda chłodząca i para wydechowa) jest przekazywane do organicznego płynu roboczego poprzez wymiennik ciepła z odzyskiem ciepła. Organiczny płyn roboczy ze względu na niską temperaturę wrzenia może odparować-do pary pod wysokim ciśnieniem w niższych temperaturach, wprawiając turbinę w ruch obrotowy i wytwarzając energię elektryczną. Płyn roboczy po wykonaniu pracy jest schładzany i skraplany w skraplaczu, pod ciśnieniem przez pompę płynu roboczego, a następnie ponownie wchodzi do wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła, aby zakończyć cykl.
Podstawowe funkcje wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła można podsumować w trzech punktach:
Efektywne wychwytywanie ciepła: zmaksymalizuj odzysk-ciepła odpadowego niskiej jakości, zmniejsz straty ciepła po stronie źródła ciepła i popraw efektywność wykorzystania ciepła odpadowego;
Precyzyjne podgrzewanie płynu roboczego: Podgrzewanie organicznego płynu roboczego do stanu odparowania (para nasycona/para przegrzana), zapewniając parametry płynu roboczego (temperatura, ciśnienie) spełniające wymagania pracy do turbiny;
Regulacja dopasowania systemu: Dopasowuje się do wahań przepływu i temperatury po stronie źródła ciepła (takich jak przerywana i zmienna charakterystyka obciążenia ciepła odpadowego przemysłowego), stabilizuje parametry wyjściowe po stronie płynu roboczego oraz zapewnia ciągłą i bezpieczną pracę systemu ORC.
Mówiąc najprościej, wymiennik ciepła z odzyskiem ciepła jest pomostem wymiany ciepła pomiędzy „źródłem ciepła” a „płynem roboczym” w systemie ORC, a jego wydajność wymiany ciepła bezpośrednio określa efektywność wytwarzania energii w systemie ORC (zazwyczaj całkowita wydajność systemu ORC wynosi około 10% ~ 25%, a wydajność wymiany ciepła wymiennika ciepła jest głównym czynnikiem wpływającym).
2, Specjalne wymagania systemu ORC dla wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła
Źródłem ciepła systemu ORC jest przeważnie nisko-(temperatura zazwyczaj 80-350 stopni), zmienne warunki pracy i ciepło odpadowe zawierające zanieczyszczenia (takie jak przemysłowe gazy spalinowe zawierające pył i siarkę oraz woda chłodząca zawierająca kamień), a organiczne płyny robocze często mają niską temperaturę wrzenia, łatwą lotność, a niektóre płyny robocze są żrące/łatwopalne. Dlatego konstrukcja, materiał i konstrukcja wymienników ciepła do odzysku ciepła różnią się od tradycyjnych wymienników ciepła do wytwarzania energii cieplnej. Podstawowe wymagania są następujące:
1. Dostosuj się do niskiej-wymiany ciepła i zwiększ wydajność wymiany ciepła
Źródła ciepła niskiej jakości charakteryzują się niską temperaturą i ciśnieniem (mała różnica temperatur między źródłem ciepła a płynem roboczym), słabą siłą napędową przenoszenia ciepła i wymagają, aby wymienniki ciepła miały struktury przenoszenia ciepła o wysokiej-zwiększonej wydajności, aby zapewnić szybki transfer ciepła w ograniczonym obszarze wymiany ciepła, unikając objętości wymiennika ciepła i wysokich kosztów spowodowanych niskim współczynnikiem przenikania ciepła.
2. Tolerować zmienne warunki pracy i dostosowywać się do wahań źródeł ciepła
Natężenie przepływu i temperatura przemysłowego ciepła odpadowego (takiego jak spaliny/para cieplna odpadowa z przemysłu stalowego, chemicznego i cementowego) są podatne na wahania wraz z obciążeniem produkcyjnym (takie jak nagły spadek temperatury gazów spalinowych ze 150 stopni do 100 stopni i spadek natężenia przepływu z 50 000 m 3/h do 30 000 m 3/h), co wymaga, aby wymiennik ciepła miał dobrą zdolność dostosowywania się do zmieniających się warunków pracy. Dostosowując powierzchnię wymiany ciepła i optymalizując kanał przepływowy, można zapewnić stabilność parametrów wyjściowych po stronie płynu roboczego.
3. Dostosować się do właściwości organicznych płynów roboczych, równoważąc bezpieczeństwo i kompatybilność
Zgodność materiałowa: Niektóre organiczne płyny robocze (takie jak fluorowęglowodory, ketony i alkany) mogą powodować niewielką korozję metali w wysokich temperaturach. Materiał wymiennika ciepła musi być dobrany do płynu roboczego (np. powszechnie stosowana stal nierdzewna 304/316, stop tytanu i specjalne warunki pracy z użyciem Hastelloy);
Skuteczność uszczelniania: Organiczny płyn roboczy jest podatny na ulatnianie się, a wymiennik ciepła musi mieć wysoki poziom uszczelnienia, aby zapobiec wyciekowi płynu roboczego (co nie tylko powoduje utratę ciepła, ale może również prowadzić do wypadków związanych z bezpieczeństwem ze względu na łatwopalność/toksyczność płynu roboczego);
Zapobieganie koksowaniu/kamienieniu: Organiczne płyny robocze są podatne na pękanie i koksowanie podczas lokalnego przegrzania. Wymiennik ciepła musi zoptymalizować konstrukcję kanału przepływowego, aby uniknąć lokalnych wysokich temperatur po stronie płynu roboczego i zapewnić równomierne pole przepływu.
4. Odporny na właściwości medium po stronie źródła ciepła, zwiększający odporność na zanieczyszczenia i korozję
Jeśli źródłem ciepła są spaliny przemysłowe zawierające pył, siarkę i gazy kwaśne, strona spalin wymiennika ciepła musi być-odporna na zużycie, odporna na korozję-w niskich temperaturach i łatwa do czyszczenia (np. poprzez zainstalowanie urządzenia czyszczącego);
Jeśli źródłem ciepła jest woda chłodząca/para wylotowa o niskiej-temperaturze: podatna na osadzanie się kamienia i kondensację, wymiennik ciepła musi być odporny na osadzanie się kamienia i korozję elektrochemiczną;
Jeśli źródłem ciepła jest wysokotemperaturowa-stopiona sól/olej przenoszący ciepło (system ORC z pośrednią wymianą ciepła): musi ono wytrzymać szok termiczny wywołany-mediami o wysokiej temperaturze, a materiał ma dobrą-wytrzymałość temperaturową.
5. Kompaktowy, tani-, odpowiedni do zastosowań inżynieryjnych
Systemy ORC to głównie rozproszone elektrownie (np. zlokalizowane w pobliżu przemysłowych punktów wytwarzania ciepła odpadowego), o ograniczonej przestrzeni, wymagające zwartych konstrukcji wymienników ciepła, małych objętości i niewielkiej masy; Jednocześnie rentowność systemu ORC zależy od ekonomiki odzysku ciepła odpadowego, a wymiennik ciepła musi kontrolować koszty produkcji i utrzymania ruchu.
6. Spełnij dopasowanie termiczne i uzyskaj dopasowanie temperatury do transferu ciepła
Proces nagrzewania organicznego płynu roboczego w układzie ORC dzieli się na sekcję podgrzewania wstępnego, sekcję odparowania i sekcję przegrzania (niektóre systemy nie posiadają sekcji przegrzania). Oddawanie ciepła po stronie źródła ciepła jest również podzielone na sekcję ciepła jawnego i sekcję kondensacji. Wymagane jest, aby konstrukcja kanału przepływowego wymiennika ciepła zapewniała transfer ciepła dostosowany do temperatury, unikała nieefektywnego przenoszenia ciepła przy „dużej różnicy temperatur i małym natężeniu przepływu”, poprawiała sprawność cieplną (efektywny stopień wykorzystania energii) i zmniejszała straty cieplne.
Aby poprawić ogólną wydajność systemu ORC, projekt wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła powinien skupiać się na czterech kluczowych aspektach: wydajności wymiany ciepła, możliwości dostosowania do zmiennych warunków pracy, odporności na zarastanie i kontroli kosztów. Kluczowe punkty projektu i optymalizacji są następujące:
1. Optymalizacja kanałów przepływu i struktury wymiany ciepła
Wykorzystaj przeciwprądową wymianę ciepła (źródło ciepła i przepływ płynu roboczego w przeciwnych kierunkach), aby zmaksymalizować wykorzystanie temperatury i ciśnienia oraz poprawić efektywność wymiany ciepła (średnia temperatura i ciśnienie przeciw-prądowej wymianie ciepła jest o 30% ~ 50% wyższe niż w przypadku współ-współprądowej wymiany ciepła);
Używaj wzmocnionych rur do wymiany ciepła (takich jak rury gwintowane, rury karbowane i rury z mikrożebrami) po stronie płynu roboczego oraz żeberek o wysokiej-wydajności (takich jak żebra karbowane i żebra szczelinowe) po stronie źródła ciepła (spalin), aby poprawić współczynniki przenikania ciepła po obu stronach;
Zoptymalizuj rozkład kanałów przepływowych, aby zapewnić równomierne pole przepływu medium w wymienniku ciepła, unikając lokalnych martwych stref i odchyleń przepływu oraz zapobiegając lokalnemu koksowaniu, osadzaniu się kamienia i przegrzaniu.
2. Precyzyjny dobór materiału
W oparciu o źródło ciepła, organiczny płyn roboczy i temperaturę/ciśnienie robocze, odniesienie do doboru materiału rdzenia jest następujące:
Normalne warunki pracy (czynnikiem roboczym jest R245fa lub R1233zd, źródłem ciepła są czyste spaliny/woda chłodząca, temperatura<200℃):304 stainless steel;
Czynniki korozyjne (spaliny zawierają siarkę, płyn roboczy to korozyjne ketony, temperatura 200 ~ 300 stopni):** stal nierdzewna 316L;
Wysoce korozyjne warunki pracy (kwaśne spaliny o wysokiej-temperaturze, specjalny płyn roboczy):stop tytanu, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 stopni, np. ciepło odpadowe z-procesu o wysokiej temperaturze): stal-odporna na ciepło (taka jak 15CrMoG, P91)
3. Projekt zapobiegający-zabrudzeniom i usuwaniu kurzu
W przypadku źródeł ciepła zawierających pył i kamień wymienniki ciepła muszą być wyposażone w-urządzenia przeciwporostowe/usuwające kurz, aby zapobiec gromadzeniu się kamienia na powierzchni wymiany ciepła, co może zmniejszyć współczynnik przenikania ciepła (współczynnik przenikania ciepła może spaść o ponad 50% po osadzeniu się kamienia):
Strona gazów spalinowych: Zainstaluj dmuchawy dźwiękowe, dmuchawy impulsowe i zgarniaki do usuwania sadzy, aby zoptymalizować prędkość gazów spalinowych (zwykle kontrolowaną na poziomie 10 ~ 15 m/s), aby zapewnić przenoszenie ciepła przy jednoczesnym ograniczeniu osadzania się pyłu;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s), aby zapobiec tworzeniu się kamienia.
