Applicazione dello scambiatore di calore a recupero di calore nel sistema di generazione di energia ORC

1, Il ruolo principale dello scambiatore di calore a recupero di calore nel sistema di generazione di energia ORC
Il principio fondamentale del sistema ORC è che il calore proveniente da fonti di calore di bassa-gradazione (come gas di scarico industriali, acqua di raffreddamento e vapore di scarico) viene trasferito al fluido di lavoro organico attraverso uno scambiatore di calore a recupero di calore. Il fluido di lavoro organico, grazie al suo basso punto di ebollizione, può evaporare in vapore ad alta-pressione a temperature più basse, facendo ruotare la turbina e generando elettricità. Il fluido di lavoro, dopo aver eseguito il lavoro, viene raffreddato e liquefatto da un condensatore, pressurizzato da una pompa del fluido di lavoro, quindi entra nuovamente nello scambiatore di calore di recupero del calore per completare il ciclo.
Le funzioni principali di uno scambiatore di calore a recupero di calore possono essere riassunte in tre punti:
Cattura efficiente del calore: massimizza il recupero del calore di scarto di bassa-gradazione, riduce la perdita di calore sul lato della fonte di calore e migliora l'efficienza di utilizzo del calore di scarto;
Riscaldamento preciso del fluido di lavoro: riscaldamento del fluido di lavoro organico allo stato di evaporazione (vapore saturo/vapore surriscaldato), fornendo parametri del fluido di lavoro (temperatura, pressione) che soddisfano i requisiti di lavoro della turbina;
Regolazione dell'adattamento del sistema: adattarsi alle fluttuazioni di flusso e temperatura sul lato della fonte di calore (come le caratteristiche di carico intermittente e variabile del calore di scarto industriale), stabilizzare i parametri di uscita sul lato del fluido di lavoro e garantire il funzionamento continuo e sicuro del sistema ORC.
In parole povere, lo scambiatore di calore a recupero di calore è il ponte di scambio termico tra la "fonte di calore" e il "fluido di lavoro" nel sistema ORC e ​​le sue prestazioni di scambio di calore determinano direttamente l'efficienza di generazione di energia del sistema ORC (generalmente, l'efficienza totale del sistema ORC è di circa il 10%~25% e l'efficienza di scambio di calore dello scambiatore di calore è il fattore principale che influenza).

2, Requisiti speciali del sistema ORC per lo scambiatore di calore a recupero di calore
La fonte di calore del sistema ORC è per lo più di bassa-grado (temperatura generalmente 80-350 gradi), condizioni operative variabili e calore di scarto contenente impurità (come gas di scarico industriali contenenti polvere e zolfo e acqua di raffreddamento contenente incrostazioni) e i fluidi di lavoro organici hanno spesso punti di ebollizione bassi, sono facilmente volatili e alcuni fluidi di lavoro sono corrosivi/infiammabili. Pertanto, il design, il materiale e la struttura degli scambiatori di calore a recupero di calore sono diversi dai tradizionali scambiatori di calore a potenza termica. I requisiti fondamentali sono i seguenti:
1. Adattarsi allo scambio di calore di basso-grado e migliorare le prestazioni di trasferimento di calore
Le fonti di calore di bassa qualità hanno bassa temperatura e pressione (piccola differenza di temperatura tra la fonte di calore e il fluido di lavoro), una debole forza motrice del trasferimento di calore e richiedono che gli scambiatori di calore abbiano strutture di trasferimento di calore migliorate ad alta-efficienza per ottenere un rapido trasferimento di calore all'interno di un'area di trasferimento di calore limitata, evitando il volume dello scambiatore di calore e i costi elevati causati dal basso coefficiente di trasferimento di calore.
2. Tollerare condizioni operative variabili e adattarsi alle fluttuazioni delle fonti di calore
La portata e la temperatura del calore di scarto industriale (come gas di scarico/vapore di calore di scarto delle industrie siderurgiche, chimiche e del cemento) sono soggetti a fluttuazioni con il carico di produzione (come un improvviso calo della temperatura dei gas di scarico da 150 gradi a 100 gradi e una diminuzione della portata da 50.000 m ³/h a 30.000 m ³/h), richiedendo che lo scambiatore di calore abbia una buona adattabilità alle mutevoli condizioni di lavoro. Regolando l'area di scambio termico e ottimizzando il canale di flusso, è possibile garantire la stabilità dei parametri di uscita sul lato del fluido di lavoro.
3. Adattarsi alle caratteristiche dei fluidi di lavoro organici, bilanciando sicurezza e compatibilità
Compatibilità con i materiali: alcuni fluidi di lavoro organici (come fluorocarburi, chetoni e alcani) possono causare una leggera corrosione dei metalli ad alte temperature. Il materiale dello scambiatore di calore deve essere abbinato al fluido di lavoro (come l'acciaio inossidabile 304/316 comunemente utilizzato, la lega di titanio e condizioni di lavoro speciali utilizzando Hastelloy);
Prestazioni di tenuta: il fluido di lavoro organico è soggetto a volatilizzazione e lo scambiatore di calore deve avere un livello di tenuta elevato per evitare perdite del fluido di lavoro (che non solo causa perdita di calore, ma può anche portare a incidenti di sicurezza dovuti all'infiammabilità/tossicità del fluido di lavoro);
Anti-coking/incrostazione: i fluidi di lavoro organici tendono a rompersi e a coking durante il surriscaldamento locale. Lo scambiatore di calore deve ottimizzare la progettazione del canale di flusso per evitare temperature elevate locali sul lato del fluido di lavoro e garantire un campo di flusso uniforme.

4. Resistente alle caratteristiche del mezzo dal lato della fonte di calore, migliorando la capacità di resistere all'inquinamento e alla corrosione
Se la fonte di calore è un gas di combustione industriale: contenente polvere, zolfo e gas acidi, il lato dei gas di scarico dello scambiatore di calore deve essere resistente all'usura-, alla corrosione a bassa-temperatura e facile da pulire (ad esempio installando un dispositivo di pulizia);
Se la fonte di calore è acqua di raffreddamento/vapore di scarico a bassa-temperatura: soggetto a incrostazioni e condensa, lo scambiatore di calore deve essere resistente alle incrostazioni e alla corrosione elettrochimica;
Se la fonte di calore è sale fuso/olio per il trasferimento di calore ad alta-temperatura (sistema ORC a scambio di calore indiretto): deve resistere allo shock termico dei mezzi ad alta-temperatura e il materiale ha una buona resistenza alle alte-temperature.
5. Compatto, a basso-costo, adatto per applicazioni ingegneristiche
I sistemi ORC sono per lo più sistemi di generazione di energia distribuita (ad esempio posizionati vicino a punti di generazione di calore di scarto industriale), con spazio limitato, che richiedono strutture di scambiatori di calore compatte, piccoli volumi e pesi leggeri; Allo stesso tempo, la redditività del sistema ORC dipende dall’economia del recupero del calore di scarto e lo scambiatore di calore deve controllare i costi di produzione e di manutenzione operativa.
6. Soddisfare la corrispondenza termica e ottenere il trasferimento di calore con corrispondenza della temperatura
Il processo di riscaldamento del fluido di lavoro organico nel sistema ORC è suddiviso in sezione di preriscaldamento, sezione di evaporazione e sezione di surriscaldamento (alcuni sistemi non dispongono di sezione di surriscaldamento). Anche il rilascio di calore lato sorgente di calore è suddiviso in sezione di calore sensibile e sezione di condensazione. È necessario che il design del canale di flusso dello scambiatore di calore raggiunga un trasferimento di calore corrispondente alla temperatura, eviti un trasferimento di calore inefficace con "grande differenza di temperatura e portata ridotta", migliori l'efficienza termica (tasso di utilizzo effettivo dell'energia) e riduca le perdite termiche.

Per migliorare le prestazioni complessive del sistema ORC, la progettazione dello scambiatore di calore a recupero di calore dovrebbe ruotare attorno a quattro aspetti fondamentali: efficienza del trasferimento di calore, adattabilità alle diverse condizioni operative, resistenza alle incrostazioni e controllo dei costi. I punti chiave di progettazione e ottimizzazione sono i seguenti:

1. Ottimizzazione dei canali di flusso e della struttura dello scambio termico
Utilizzare lo scambio di calore contro-corrente (fonte di calore e flusso del fluido di lavoro in direzioni opposte) per massimizzare l'utilizzo della temperatura e della pressione e migliorare l'efficienza dello scambio di calore (la temperatura e la pressione medie dello scambio di calore contro-corrente sono del 30%~50% superiori a quelle dello scambio di calore co-corrente);
Utilizzare tubi rinforzati per il trasferimento di calore (come tubi filettati, tubi corrugati e tubi microalettati) sul lato del fluido di lavoro e alette ad alta-efficienza (come alette corrugate e alette scanalate) sul lato della sorgente di calore (gas di scarico) per migliorare i coefficienti di trasferimento del calore su entrambi i lati;
Ottimizzare la distribuzione dei canali di flusso per garantire un campo di flusso uniforme del mezzo all'interno dello scambiatore di calore, evitando zone morte locali e deviazioni del flusso e prevenendo coking, incrostazioni e surriscaldamento locali.

2. Selezione precisa dei materiali
In base al mezzo della fonte di calore, al fluido di lavoro organico e alla temperatura/pressione di esercizio, il riferimento per la selezione del materiale del nucleo è il seguente:
Condizioni operative normali (il fluido di lavoro è R245fa o R1233zd, la fonte di calore è gas di scarico/acqua di raffreddamento puliti, la temperatura<200℃):304 stainless steel;
Mezzi corrosivi (il gas di scarico contiene zolfo, il fluido di lavoro è costituito da chetoni corrosivi, temperatura 200~300 gradi):** acciaio inossidabile 316L;
Condizioni operative altamente corrosive (gas di scarico acidi ad alta-temperatura, fluido di lavoro speciale): lega di titanio, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 gradi, come il calore di scarto di processo ad alta-temperatura): acciaio-resistente al calore (come 15CrMoG, P91)

3. Progettazione antivegetativa e di rimozione della polvere
Per le fonti di calore contenenti polvere e incrostazioni, gli scambiatori di calore devono integrare dispositivi antivegetativi/di rimozione della polvere per prevenire l'accumulo di incrostazioni sulla superficie di scambio termico, che può ridurre il coefficiente di trasferimento di calore (il coefficiente di trasferimento di calore può diminuire di oltre il 50% dopo l'incrostazione):
Lato fumi: installare soffiatori di fuliggine sonici, soffiatori di fuliggine a impulsi e dispositivi di rimozione della fuliggine a raschietto per ottimizzare la velocità dei fumi (generalmente controllata a 10~15 m/s) per garantire il trasferimento di calore riducendo al contempo la deposizione di polvere;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s) per inibire la formazione di calcare.