Ponte energetico e nucleo tecnico del sistema generatore ORC per lo scambiatore di calore a recupero di calore

Le caratteristiche della sorgente di calore di bassa-grado del sistema ORC e ​​le proprietà fisiche del fluido di lavoro organico impongono severi requisiti di progettazione personalizzati sullo scambiatore di calore a recupero di calore e le sue caratteristiche tecniche si riflettono principalmente nei seguenti quattro aspetti:

(1) Progettazione efficiente dello scambio di calore: bilanciamento dell'utilizzo del calore di scarto e della compattezza del sistema

Le fonti di calore di bassa qualità hanno gradienti di temperatura ridotti e densità di energia basse, richiedendo che gli scambiatori di calore a recupero di calore abbiano un'efficienza di trasferimento del calore ultra-elevata. In ingegneria, viene solitamente adottata la progettazione della struttura "tubo alettato+flusso incrociato/controflusso": i tubi alettati ad alta-frequenza vengono utilizzati per migliorare il trasferimento di calore nel canale del lato caldo, aumentando l'area di contatto con il mezzo di calore di scarto; Il canale del fluido di lavoro del lato freddo adotta un'allocazione ragionevole dei canali per ottenere un trasferimento di calore in controcorrente con il mezzo del lato caldo, massimizzando la differenza di temperatura di trasferimento del calore. Allo stesso tempo, i sistemi ORC vengono spesso utilizzati in siti industriali o dispositivi mobili (come i camion pesanti-della nuova generazione di energia) e gli scambiatori di calore devono raggiungere la massima area di trasferimento del calore in uno spazio limitato. Pertanto, i design compatti (come le strutture ad alette piatte e a microcanali) sono diventati la scelta principale e il loro coefficiente di trasferimento di calore volumetrico può raggiungere 3-5 volte quello degli scambiatori di calore a fascio tubiero tradizionali.

(2) Adattabilità dei fluidi di lavoro: affrontare le proprietà fisiche e chimiche uniche dei fluidi di lavoro organici

Esistono differenze significative nel punto di ebollizione, nella viscosità e nella corrosività tra i fluidi di lavoro organici e l'acqua, che richiedono requisiti speciali per la selezione dei materiali e la progettazione strutturale degli scambiatori di calore. Ad esempio, alcuni fluidi di lavoro organici (come l'R134a) possono subire un'espansione di volume significativa durante la transizione di fase ed è necessario progettare un'area di sezione trasversale del canale di flusso ragionevole per evitare un'eccessiva perdita di pressione; I fluidi di lavoro contenenti cloro possono decomporsi e produrre gas corrosivi ad alte temperature, pertanto il materiale dello scambiatore di calore deve essere acciaio inossidabile 316L o lega Hastelloy con forte resistenza alla corrosione; Le caratteristiche di transizione di fase dei fluidi secchi (come l'R245fa) e dei fluidi umidi (come il n-pentano) sono diverse ed è necessario progettare un processo di scambio termico mirato per evitare la generazione di goccioline all'uscita dei fluidi umidi, che possono causare danni alla turbina a causa dell'impatto del liquido.

(3) Controllo della temperatura e della pressione: garantire il funzionamento stabile del sistema

La temperatura di evaporazione del fluido di lavoro organico nel sistema ORC è solitamente compresa tra 60 gradi -180 gradi e la pressione di esercizio può raggiungere 2-4 MPa. Lo scambiatore di calore a recupero di calore deve controllare accuratamente la temperatura di uscita e il grado di secchezza del fluido di lavoro: un surriscaldamento eccessivo aumenterà il consumo energetico del sistema, mentre un surriscaldamento insufficiente potrebbe portare al guasto della turbina. Per questo motivo, gli scambiatori di calore adottano solitamente un design segmentato, suddiviso in sezione di preriscaldamento, sezione di evaporazione e sezione di surriscaldamento. Ottimizzando la lunghezza di ciascun canale di flusso e la distribuzione dell'area di trasferimento del calore, si garantisce che il grado di secchezza dell'uscita del fluido di lavoro sia stabile a 0,95 o superiore. Allo stesso tempo, lo scambiatore di calore deve avere sufficiente resistenza alla pressione e prestazioni di tenuta per far fronte alle fluttuazioni di pressione dei fluidi di lavoro organici durante la transizione di fase e prevenire rischi per la sicurezza e perdite di energia causate da perdite di fluido.