Ponte de energia e núcleo técnico do sistema gerador ORC para trocador de calor com recuperação de calor
As características-da fonte de calor de baixo grau do sistema ORC e as propriedades físicas do fluido de trabalho orgânico impõem requisitos rigorosos de projeto personalizado ao trocador de calor de recuperação de calor, e suas características técnicas são refletidas principalmente nos quatro aspectos a seguir:
(1) Projeto eficiente de troca de calor: equilibrando a utilização do calor residual e a compactação do sistema
Fontes de calor de baixo grau têm pequenos gradientes de temperatura e baixas densidades de energia, exigindo que os trocadores de calor de recuperação de calor tenham eficiência de transferência de calor ultra-alta. Na engenharia, o projeto de estrutura de "tubo aletado + arranjo de fluxo cruzado/contrafluxo" é geralmente adotado: tubos aletados de alta-frequência são usados para melhorar a transferência de calor no canal lateral quente, aumentando a área de contato com o meio de calor residual; O canal de fluido de trabalho do lado frio adota uma alocação de canal razoável para obter transferência de calor em contracorrente com o meio do lado quente, maximizando a diferença de temperatura de transferência de calor. Ao mesmo tempo, os sistemas ORC são frequentemente usados em locais industriais ou dispositivos móveis (como novos caminhões pesados-de energia), e os trocadores de calor precisam atingir a área máxima de transferência de calor em um espaço limitado. Portanto, projetos compactos (como estruturas de aletas de placa e microcanais) tornaram-se a escolha principal, e seu coeficiente volumétrico de transferência de calor pode atingir de 3 a 5 vezes o dos trocadores de calor tradicionais de casco e tubo.
(2) Adaptabilidade do fluido de trabalho: abordando as propriedades físicas e químicas únicas dos fluidos de trabalho orgânicos
Existem diferenças significativas no ponto de ebulição, viscosidade e corrosividade entre fluidos de trabalho orgânicos e água, que requerem requisitos especiais para seleção de materiais e projeto estrutural de trocadores de calor. Por exemplo, alguns fluidos de trabalho orgânicos (como R134a) podem sofrer expansão de volume significativa durante a transição de fase, e é necessário projetar uma área de seção transversal-de canal de fluxo razoável para evitar perda excessiva de pressão; Fluidos de trabalho contendo cloro podem se decompor e produzir gases corrosivos em altas temperaturas, portanto o material do trocador de calor deve ser aço inoxidável 316L ou liga Hastelloy com forte resistência à corrosão; As características de transição de fase de fluidos secos (como R245fa) e fluidos úmidos (como n-pentano) são diferentes, e um processo de troca de calor direcionado precisa ser projetado para evitar a geração de gotículas na saída de fluidos úmidos, o que pode causar danos à turbina devido ao impacto do líquido.
(3) Controle de temperatura e pressão: garantindo a operação estável do sistema
A temperatura de evaporação do fluido de trabalho orgânico no sistema ORC é geralmente entre 60 graus -180 graus, e a pressão de trabalho pode atingir 2-4MPa. O trocador de calor de recuperação de calor precisa controlar com precisão a temperatura de saída e a secura do fluido de trabalho - o superaquecimento excessivo aumentará o consumo de energia do sistema, enquanto o superaquecimento insuficiente pode levar à falha da turbina. Por esse motivo, os trocadores de calor costumam adotar um projeto segmentado, dividido em seção de pré-aquecimento, seção de evaporação e seção de superaquecimento. Ao otimizar o comprimento de cada canal de fluxo e a distribuição da área de transferência de calor, a secura da saída do fluido de trabalho é garantida para ser estável em 0,95 ou superior. Ao mesmo tempo, o trocador de calor precisa ter resistência à pressão e desempenho de vedação suficientes para lidar com as flutuações de pressão dos fluidos de trabalho orgânicos durante a transição de fase e evitar riscos de segurança e perda de energia causada por vazamento de fluido.