Primena izmenjivača toplote sa povratom toplote u ORC sistemu za proizvodnju energije
1, Osnovna uloga izmjenjivača topline za povrat topline u ORC sistemu za proizvodnju energije
Osnovni princip ORC sistema je da se toplota iz izvora toplote niskog -klasa (kao što su industrijski dimni gas, rashladna voda i izduvna para) prenosi na organski radni fluid kroz izmjenjivač topline za povrat topline. Organski radni fluid, zbog svoje niske tačke ključanja, može ispariti u paru pod visokim-pritiskom na nižim temperaturama, tjerajući turbinu da se okreće i proizvodi električnu energiju. Radni fluid se nakon obavljenog rada hladi i ukapljuje pomoću kondenzatora, pod pritiskom pumpe radnog fluida, a zatim ponovo ulazi u izmjenjivač topline za povrat topline kako bi završio ciklus.
Osnovne funkcije izmjenjivača topline sa povratom topline mogu se sažeti u tri točke:
Efikasno hvatanje topline: Maksimizirajte povrat otpadne topline niske{0}}vrste, smanjite gubitak topline na strani izvora topline i poboljšajte efikasnost korištenja otpadne topline;
Precizno zagrevanje radnog fluida: Zagrevanje organskog radnog fluida do stanja isparavanja (zasićena para/pregrejana para), obezbeđivanje parametara radnog fluida (temperatura, pritisak) koji ispunjavaju uslove za rad turbine;
Regulacija usklađivanja sistema: Prilagodite se fluktuacijama protoka i temperature na strani izvora topline (kao što su karakteristike povremenog i promjenjivog opterećenja industrijske otpadne topline), stabilizirajte izlazne parametre na strani radnog fluida i osigurajte kontinuiran i siguran rad ORC sistema.
Jednostavno rečeno, izmjenjivač topline sa povratom topline je most za izmjenu topline između "izvora topline" i "radnog fluida" u ORC sistemu, a njegove performanse izmjene topline direktno određuju efikasnost proizvodnje energije ORC sistema (generalno, ukupna efikasnost ORC sistema je oko 10%~25%, a efikasnost izmjene topline izmjenjivača topline je ključni faktor koji utiče).
2, Posebni zahtjevi ORC sistema za izmjenjivač topline sa povratom topline
Izvor toplote ORC sistema je uglavnom niskog kvaliteta (temperatura uglavnom 80-350 stepeni), varijabilni radni uslovi i otpadna toplota koja sadrži nečistoće (kao što su industrijski dimni gas koji sadrži prašinu i sumpor, i rashladna voda koja sadrži kamenac), a organski radni fluidi često imaju niske tačke ključanja, laku isparljivost, i neki radni fluidi su štetni. Stoga se dizajn, materijal i struktura izmjenjivača topline za povrat topline razlikuju od tradicionalnih izmjenjivača topline toplinske energije. Osnovni zahtjevi su sljedeći:
1. Prilagodite se niskoj-razmjeni topline i poboljšajte performanse prijenosa topline
Izvori topline niskog kvaliteta imaju nisku temperaturu i pritisak (mala temperaturna razlika između izvora topline i radnog fluida), slabu pokretačku silu prijenosa topline i zahtijevaju od izmjenjivača topline da imaju visoku-učinkovitost poboljšane strukture prijenosa topline kako bi postigli brz prijenos topline unutar ograničenog područja prijenosa topline, izbjegavajući volumen izmjenjivača topline i visoku cijenu uzrokovanu niskim koeficijentom prijenosa topline.
2. Tolerisati promenljive uslove rada i prilagoditi se fluktuacijama u izvorima toplote
Brzina protoka i temperatura industrijske otpadne toplote (kao što je dimni gas/otpadna toplotna para iz industrije čelika, hemijske i cementne industrije) podložni su fluktuacijama sa proizvodnim opterećenjem (kao što je iznenadni pad temperature dimnih gasova sa 150 stepeni na 100 stepeni i smanjenje brzine protoka sa 50000m 30³/h na izmjeni toplote), izmjeni topline imaju dobru prilagodljivost promenljivim uslovima rada. Podešavanjem površine razmjene topline i optimizacijom kanala protoka može se osigurati stabilnost izlaznih parametara na strani radnog fluida.
3. Prilagodite se karakteristikama organskih radnih fluida, balansirajući sigurnost i kompatibilnost
Kompatibilnost materijala: Neki organski radni fluidi (kao što su fluorougljenici, ketoni i alkani) mogu uzrokovati blagu koroziju metala na visokim temperaturama. Materijal izmjenjivača topline mora biti usklađen sa radnim fluidom (kao što je uobičajeno korišćeni nerđajući čelik 304/316, legura titanijuma i posebni uslovi rada koji koriste Hastelloy);
Performanse zaptivanja: Organski radni fluid je sklon isparavanju, a izmjenjivač topline mora imati visok nivo zaptivanja kako bi se spriječilo curenje radnog fluida (što ne samo da uzrokuje gubitak topline, već može dovesti i do sigurnosnih nesreća zbog zapaljivosti/toksičnosti radnog fluida);
Protiv koksovanja/nastajanja kamenca: Organski radni fluidi su skloni pucanju i koksovanju tokom lokalnog pregrijavanja. Izmjenjivač topline treba optimizirati dizajn kanala protoka kako bi se izbjegle lokalne visoke temperature na strani radnog fluida i osiguralo jednolično polje protoka.
4. Otporan na karakteristike medija na strani izvora toplote, povećavajući sposobnost otpornosti na zagađenje i koroziju
Ako je izvor topline industrijski dimni plin: koji sadrži prašinu, sumpor i kisele plinove, strana dimnih plinova izmjenjivača topline mora biti-otporna na habanje, otporna na nisko-koroziju i laka za čišćenje (kao što je instaliranje uređaja za čišćenje);
Ako je izvor topline niske{0}}temperature rashladne vode/izduvne pare: sklon kamencu i kondenzaciji, izmjenjivač topline mora biti otporan na kamenac i elektrohemijsku koroziju;
Ako je izvor topline visoko-rastopljena sol/ulje za prijenos topline (indirektni ORC sistem za izmjenu topline): on mora izdržati termički udar visoko-medija na visokoj temperaturi i materijal ima dobru čvrstoću na visokim-temperaturama.
5. Kompaktan, niska-cijena, pogodna za inženjerske aplikacije
ORC sistemi su uglavnom distribuirana proizvodnja električne energije (kao što je lociranje u blizini industrijskih tačaka za proizvodnju otpadne toplote), sa ograničenim prostorom na lokaciji, koji zahtevaju kompaktne strukture izmenjivača toplote, male zapremine i male težine; Istovremeno, profitabilnost ORC sistema zavisi od ekonomičnosti povrata otpadne toplote, a izmenjivač toplote treba da kontroliše troškove proizvodnje i održavanja.
6. Upoznajte termičko usklađivanje i ostvarite prijenos topline u skladu s temperaturom
Proces zagrevanja organskog radnog fluida u ORC sistemu je podeljen na sekciju predgrevanja, sekciju isparavanja i sekciju pregrevanja (neki sistemi nemaju sekciju pregrevanja). Oslobađanje topline na strani izvora topline je također podijeljeno na dio osjetljive topline i dio za kondenzaciju. Potrebno je da dizajn protočnog kanala izmjenjivača topline postigne temperaturno usklađen prijenos topline, izbjegne neefikasan prijenos topline sa "velikom temperaturnom razlikom i malim protokom", poboljša toplinsku efikasnost (efikasna stopa iskorištenja energije) i smanji toplinske gubitke.
Da bi se poboljšale sveukupne performanse ORC sistema, dizajn izmjenjivača topline sa povratom topline trebao bi se vrtjeti oko četiri ključna aspekta: efikasnost prijenosa topline, prilagodljivost različitim radnim uvjetima, otpornost na zagađivanje i kontrolu troškova. Ključne tačke dizajna i optimizacije su sljedeće:
1. Optimizacija kanala protoka i razmjene topline
Upotrijebite protu{0}}razmjenu topline (izvor topline i protok radnog fluida u suprotnim smjerovima) kako biste maksimalno iskoristili temperaturu i pritisak i poboljšali efikasnost izmjene topline (prosječna temperatura i pritisak protu{1}}razmjene toplote je 30%~50% veći od one kod istosmjerne izmjene topline);
Koristite ojačane cijevi za prijenos topline (kao što su cijevi s navojem, valovite cijevi i mikrorebraste cijevi) na strani radnog fluida i rebra visoke{0}}efikasnosti (kao što su valovita rebra i rebra s prorezima) na strani izvora topline (dimni plin) da poboljšate koeficijente prijenosa topline na obje strane;
Optimizirajte distribuciju kanala protoka kako biste osigurali jednolično polje protoka medija unutar izmjenjivača topline, izbjegavajući lokalne mrtve zone i devijacije protoka i sprječavajući lokalno koksovanje, stvaranje kamenca i pregrijavanje.
2. Precizan odabir materijala
Na osnovu medijuma izvora toplote, organskog radnog fluida i radne temperature/pritiska, referentni izbor materijala jezgre je sledeći:
Normalni radni uslovi (radni fluid je R245fa ili R1233zd, izvor toplote je čist dimni gas/rashladna voda, temperatura<200℃):304 stainless steel;
Korozivni mediji (dimni gas sadrži sumpor, radni fluid su korozivni ketoni, temperatura 200~300 stepeni):** nerđajući čelik 316L;
Visoko korozivni radni uslovi (visoko-kiseli dimni gas, specijalni radni fluid): legura titanijuma, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 stepeni, kao što je visoka-otpadna toplota procesa: -čelik otporan na toplotu (kao što je 15CrMoG, P91)
3. Dizajn protiv zarastanja i uklanjanja prašine
Za izvore topline koji sadrže prašinu i kamenac, izmjenjivači topline moraju integrirati uređaje protiv-zabranjivanja/uklanjanja prašine kako bi spriječili nakupljanje kamenca na površini izmjenjivača topline, što može smanjiti koeficijent prijenosa topline (koeficijent prijenosa topline može se smanjiti za više od 50% nakon stvaranja kamenca):
Strana dimnih gasova: Instalirajte zvučne puhače čađi, pulsne puhače čađi i strugače za uklanjanje čađi kako biste optimizirali brzinu dimnih gasova (uglavnom kontrolisano na 10~15m/s) kako biste osigurali prijenos topline uz smanjenje taloženja prašine;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s) za sprečavanje stvaranja kamenca.
