Most energetyczny i rdzeń techniczny systemu generatora ORC do wymiennika ciepła z odzyskiem ciepła
Charakterystyka źródła ciepła niskiej-systemu ORC oraz właściwości fizyczne organicznego płynu roboczego nakładają rygorystyczne wymagania projektowe na wymiennik ciepła z odzyskiem ciepła, a jego właściwości techniczne odzwierciedlają się głównie w następujących czterech aspektach:
(1) Projekt wydajnej wymiany ciepła: równoważenie wykorzystania ciepła odpadowego i zwartości systemu
Źródła ciepła niskiej jakości charakteryzują się małymi gradientami temperatury i niską gęstością energii, co wymaga, aby wymienniki ciepła z odzyskiem ciepła miały wyjątkowo-wysoką efektywność wymiany ciepła. W inżynierii zwykle przyjmuje się konstrukcję typu „rura żebrowana + przepływ krzyżowy/przeciwprądowy”: rury żebrowane o wysokiej-częstotliwości są stosowane w celu poprawy wymiany ciepła w gorącym kanale bocznym, zwiększając powierzchnię kontaktu z odpadowym nośnikiem ciepła; Kanał płynu roboczego po stronie zimnej przyjmuje rozsądną alokację kanałów, aby uzyskać przeciwprądowy transfer ciepła z czynnikiem po stronie gorącej, maksymalizując różnicę temperatur wymiany ciepła. Jednocześnie systemy ORC są często stosowane w obiektach przemysłowych lub w urządzeniach mobilnych (takich jak nowe, wysokoenergetyczne-ciężarówki o dużej ładowności), a wymienniki ciepła muszą osiągać maksymalną powierzchnię wymiany ciepła na ograniczonej przestrzeni. Dlatego też kompaktowe konstrukcje (takie jak struktury płytowo-żebrowe i mikrokanałowe) stały się głównym wyborem, a ich objętościowy współczynnik przenikania ciepła może osiągnąć 3-5 razy większy niż w przypadku tradycyjnych wymienników płaszczowo-rurowych.
(2) Możliwość dostosowania płynu roboczego: uwzględnienie unikalnych właściwości fizycznych i chemicznych organicznych płynów roboczych
Istnieją znaczne różnice w temperaturze wrzenia, lepkości i korozyjności pomiędzy organicznymi płynami roboczymi a wodą, co wymaga specjalnych wymagań dotyczących doboru materiałów i projektowania konstrukcyjnego wymienników ciepła. Na przykład niektóre organiczne płyny robocze (takie jak R134a) mogą doświadczyć znacznego zwiększenia objętości podczas przejścia fazowego i konieczne jest zaprojektowanie-rozsądnego przekroju poprzecznego kanału przepływowego, aby uniknąć nadmiernej utraty ciśnienia; Płyny robocze zawierające chlor mogą rozkładać się i wytwarzać żrące gazy w wysokich temperaturach, dlatego materiałem wymiennika ciepła powinna być stal nierdzewna 316L lub stop Hastelloy o dużej odporności na korozję; Charakterystyka przejścia fazowego płynów suchych (takich jak R245fa) i płynów mokrych (takich jak n-pentan) jest inna i należy zaprojektować ukierunkowany proces wymiany ciepła, aby uniknąć tworzenia się kropelek na wylocie mokrych płynów, co może spowodować uszkodzenie turbiny w wyniku uderzenia cieczy.
(3) Kontrola temperatury i ciśnienia: zapewnienie stabilnej pracy systemu
Temperatura parowania organicznego płynu roboczego w układzie ORC wynosi zwykle od 60 stopni do -180 stopni, a ciśnienie robocze może osiągnąć 2-4 MPa. Wymiennik ciepła z odzyskiem ciepła musi dokładnie kontrolować temperaturę wylotową i suchość płynu roboczego - nadmierne przegrzanie zwiększy zużycie energii w systemie, natomiast niewystarczające przegrzanie może prowadzić do awarii turbiny. Z tego powodu wymienniki ciepła zwykle mają konstrukcję segmentową, podzieloną na sekcję podgrzewania wstępnego, sekcję odparowania i sekcję przegrzania. Optymalizując długość każdego kanału przepływowego i rozkład powierzchni wymiany ciepła, suchość wylotu płynu roboczego jest zapewniona na stabilnym poziomie 0,95 lub wyższym. Jednocześnie wymiennik ciepła musi mieć wystarczającą odporność na ciśnienie i właściwości uszczelniające, aby poradzić sobie z wahaniami ciśnienia organicznych płynów roboczych podczas przejścia fazowego oraz zapobiec zagrożeniom bezpieczeństwa i stratom energii spowodowanym wyciekiem płynu.