Uporaba izmenjevalnika toplote z rekuperacijo toplote v sistemu za proizvodnjo električne energije ORC

1, Glavna vloga toplotnega izmenjevalnika z rekuperacijo toplote v sistemu za proizvodnjo električne energije ORC
Osnovno načelo sistema ORC je, da se toplota iz toplotnih virov nizke-kacije (kot so industrijski dimni plini, hladilna voda in izpušna para) prenese na organsko delovno tekočino prek toplotnega izmenjevalnika za rekuperacijo toplote. Organska delovna tekočina lahko zaradi nizkega vrelišča pri nižjih temperaturah izhlapi v paro pod visokim{2}}tlakom, kar poganja turbino, da se vrti in proizvaja elektriko. Delovna tekočina se po opravljenem delu ohladi in utekočini s kondenzatorjem, pod pritiskom črpalke delovne tekočine, nato pa ponovno vstopi v toplotni izmenjevalnik za rekuperacijo toplote, da zaključi cikel.
Glavne funkcije izmenjevalnika toplote z rekuperacijo toplote lahko povzamemo v tri točke:
Učinkovito zajemanje toplote: Povečajte predelavo nizko{0}}odpadne toplote, zmanjšajte toplotne izgube na strani vira toplote in izboljšajte učinkovitost izrabe odpadne toplote;
Natančno segrevanje delovne tekočine: Segrevanje organske delovne tekočine do stanja izhlapevanja (nasičena para/pregreta para), ki zagotavlja parametre delovne tekočine (temperatura, tlak), ki ustrezajo zahtevam za delo turbini;
Regulacija ujemanja sistema: Prilagodite se nihanjem pretoka in temperature na strani vira toplote (kot so občasne in spremenljive značilnosti obremenitve industrijske odpadne toplote), stabilizirajte izhodne parametre na strani delovne tekočine in zagotovite neprekinjeno in varno delovanje sistema ORC.
Preprosto povedano, toplotni izmenjevalnik z rekuperacijo toplote je most za izmenjavo toplote med "virom toplote" in "delovno tekočino" v sistemu ORC, njegova zmogljivost izmenjave toplote pa neposredno določa učinkovitost proizvodnje električne energije sistema ORC (na splošno je skupna učinkovitost sistema ORC približno 10 % ~ 25 % in učinkovitost izmenjave toplote izmenjevalnika toplote je ključni dejavnik vpliva).

2, Posebne zahteve sistema ORC za toplotni izmenjevalnik z rekuperacijo toplote
Vir toplote sistema ORC je večinoma nizko-razred (temperatura na splošno 80-350 stopinj), spremenljivi delovni pogoji in odpadna toplota, ki vsebuje nečistoče (kot so industrijski dimni plini, ki vsebujejo prah in žveplo, in hladilna voda, ki vsebuje vodni kamen), organske delovne tekočine pa imajo pogosto nizka vrelišča, lahko hlapnost in nekatere delovne tekočine so jedke/vnetljive. Zato se zasnova, material in struktura toplotnih izmenjevalnikov toplote razlikujejo od tradicionalnih toplotnih izmenjevalnikov toplote. Glavne zahteve so naslednje:
1. Prilagodite se nizko{1}}stopenjski izmenjavi toplote in izboljšajte učinkovitost prenosa toplote
Nizkokakovostni viri toplote imajo nizko temperaturo in tlak (majhna temperaturna razlika med virom toplote in delovno tekočino), šibko gonilno silo prenosa toplote in zahtevajo, da imajo izmenjevalniki toplote visoko-učinkovite strukture za prenos toplote, da dosežejo hiter prenos toplote znotraj omejenega območja prenosa toplote, pri čemer se izognejo prostornini izmenjevalnika toplote in visokim stroškom zaradi nizkega koeficienta prenosa toplote.
2. Prenašajo spremenljive pogoje delovanja in se prilagajajo nihanjem virov toplote
Hitrost pretoka in temperatura industrijske odpadne toplote (kot je dimni plin/odpadna toplotna para iz jeklarske, kemične in cementne industrije) sta nagnjena k nihanjem s proizvodno obremenitvijo (kot je nenaden padec temperature dimnih plinov s 150 stopinj na 100 stopinj in zmanjšanje hitrosti pretoka s 50000 m ³/h na 30000 m ³/h), zaradi česar mora imeti izmenjevalnik toplote dobro prilagodljivost spreminjajočim se delovnim razmeram. S prilagajanjem območja izmenjave toplote in optimizacijo pretočnega kanala je mogoče zagotoviti stabilnost izhodnih parametrov na strani delovne tekočine.
3. Prilagoditev značilnostim organskih delovnih tekočin, uravnoteženje varnosti in združljivosti
Združljivost materialov: Nekatere organske delovne tekočine (kot so fluoroogljikovodiki, ketoni in alkani) lahko povzročijo rahlo korozijo kovin pri visokih temperaturah. Material toplotnega izmenjevalnika se mora ujemati z delovno tekočino (kot je običajno uporabljeno nerjavno jeklo 304/316, titanova zlitina in posebni delovni pogoji z uporabo Hastelloy);
Učinkovitost tesnjenja: Organska delovna tekočina je nagnjena k izhlapevanju, toplotni izmenjevalnik pa mora imeti visoko stopnjo tesnjenja, da se prepreči uhajanje delovne tekočine (kar ne povzroča le izgube toplote, ampak lahko povzroči tudi varnostne nesreče zaradi vnetljivosti/strupenosti delovne tekočine);
Proti koksanju/nabiranju vodnega kamna: Organske delovne tekočine so nagnjene k pokanju in koksanju med lokalnim pregrevanjem. Toplotni izmenjevalnik mora optimizirati zasnovo pretočnega kanala, da se izogne ​​lokalnim visokim temperaturam na strani delovne tekočine in zagotovi enotno pretočno polje.

4. Odporen na značilnosti medija na strani vira toplote, kar povečuje sposobnost odpornosti proti onesnaženju in koroziji
Če je vir toplote industrijski dimni plin: ki vsebuje prah, žveplo in kisle pline, mora biti stran izmenjevalnika toplote z dimnimi plini-odporna na obrabo, odporna na nizko-temperaturno korozijo in enostavna za čiščenje (na primer namestitev čistilne naprave);
Če je vir toplote nizko{0}}temperaturna hladilna voda/izpušna para: nagnjen k nabiranju vodnega kamna in kondenzaciji, mora biti izmenjevalnik toplote odporen na nabiranje vodnega kamna in elektrokemično korozijo;
Če je vir toplote visoko-staljena sol/olje za prenos toplote (sistem s posredno izmenjavo toplote ORC): prenesti mora toplotni udar visoko-temperaturnega medija in material ima dobro visoko-temperaturno trdnost.
5. Kompakten, poceni-, primeren za inženirske aplikacije
Sistemi ORC so večinoma porazdeljena proizvodnja električne energije (kot so nameščeni v bližini točk za generiranje industrijske odpadne toplote), z omejenim prostorom na lokaciji, ki zahteva kompaktne strukture izmenjevalnika toplote, majhne prostornine in majhno težo; Hkrati je dobičkonosnost sistema ORC odvisna od ekonomičnosti rekuperacije odpadne toplote, toplotni izmenjevalnik pa mora nadzorovati stroške proizvodnje in obratovanja.
6. Spoznajte toplotno ujemanje in dosežete temperaturno ujemanje prenosa toplote
Postopek segrevanja organske delovne tekočine v sistemu ORC je razdeljen na odsek za predgretje, odsek za izhlapevanje in odsek za pregrevanje (nekateri sistemi nimajo odseka za pregrevanje). Oddajanje toplote na strani vira toplote je prav tako razdeljeno na odsek zaznavne toplote in odsek kondenzacije. Zahteva se, da zasnova pretočnega kanala toplotnega izmenjevalnika doseže temperaturno ujemanje prenosa toplote, prepreči neučinkovit prenos toplote z "veliko temperaturno razliko in majhnim pretokom", izboljša toplotno učinkovitost (učinkovito stopnjo izkoriščenosti energije) in zmanjša toplotne izgube.

Za izboljšanje splošne učinkovitosti sistema ORC bi se morala zasnova izmenjevalnika toplote vrteti okoli štirih ključnih vidikov: učinkovitost prenosa toplote, prilagodljivost različnim pogojem delovanja, odpornost proti obraščanju in nadzor stroškov. Ključne točke oblikovanja in optimizacije so naslednje:

1. Pretočni kanal in optimizacija strukture izmenjave toplote
Uporabite protitočno izmenjavo toplote (vir toplote in delovna tekočina tečeta v nasprotnih smereh), da povečate izkoristek temperature in tlaka ter izboljšate učinkovitost izmenjave toplote (povprečna temperatura in tlak proti{1}}točne izmenjave toplote sta 30 %~50 % višja kot pri so-točni izmenjavi toplote);
Uporabite ojačane cevi za prenos toplote (kot so cevi z navojem, valovite cevi in ​​cevi z mikrorebri) na strani delovne tekočine in visoko{0}}učinkovita rebra (kot so valovita rebra in rebra z režami) na strani vira toplote (dimni plin), da izboljšate koeficiente prenosa toplote na obeh straneh;
Optimizirajte porazdelitev kanala pretoka, da zagotovite enakomerno polje pretoka medija v izmenjevalniku toplote, izogibajte se lokalnim mrtvim conam in odstopanjem pretoka ter preprečite lokalno koksanje, nabiranje vodnega kamna in pregrevanje.

2. Natančna izbira materiala
Glede na medij vira toplote, organsko delovno tekočino in delovno temperaturo/tlak je referenčna izbira materiala jedra naslednja:
Normalni pogoji delovanja (delovna tekočina je R245fa ali R1233zd, vir toplote čisti dimni plin/hladilna voda, temp.<200℃):304 stainless steel;
Korozivni mediji (dimni plin vsebuje žveplo, delovna tekočina so jedki ketoni, temperatura 200~300 stopinj):** nerjaveče jeklo 316L;
Močno korozivni delovni pogoji (visoko-temperaturni kisli dimni plini, posebna delovna tekočina): titanova zlitina, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 stopinj, kot je visoko-temperaturna odpadna toplota procesa): Toplotno-odporno jeklo (kot je 15CrMoG, P91)

3. Zasnova proti -obraščanju in odstranjevanju prahu
Pri toplotnih virih, ki vsebujejo prah in vodni kamen, morajo izmenjevalniki toplote vključevati naprave za-proti obraščanju/odstranjevanje prahu, da preprečijo nabiranje vodnega kamna na površini za izmenjavo toplote, kar lahko zmanjša koeficient prenosa toplote (koeficient prenosa toplote se lahko po odstranjevanju vodnega kamna zmanjša za več kot 50 %):
Stran dimnih plinov: Namestite zvočne puhalnike saj, pulzne puhalnike saj in odstranjevalce saj s strgalom, da optimizirate hitrost dimnih plinov (običajno nadzorovana pri 10~15 m/s), da zagotovite prenos toplote in hkrati zmanjšate odlaganje prahu;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s), da se prepreči nastajanje vodnega kamna.