Energijski most in tehnično jedro generatorskega sistema ORC za toplotni izmenjevalnik z rekuperacijo toplote
Značilnosti toplotnega vira nizke- stopnje sistema ORC in fizikalne lastnosti organske delovne tekočine postavljajo stroge prilagojene konstrukcijske zahteve za toplotni izmenjevalnik z rekuperacijo toplote, njegove tehnične lastnosti pa se odražajo predvsem v naslednjih štirih vidikih:
(1) Učinkovita zasnova izmenjave toplote: uravnoteženje izrabe odpadne toplote in kompaktnosti sistema
Nizkokakovostni toplotni viri imajo majhne temperaturne gradiente in nizko energijsko gostoto, zato morajo imeti toplotni izmenjevalniki z rekuperacijo toplote ultra-visoko učinkovitost prenosa toplote. V tehniki se običajno uporablja zasnova strukture "rebrasta cev + prečni tok/protitok": visoko{3}}frekvenčne rebraste cevi se uporabljajo za izboljšanje prenosa toplote v kanalu vroče strani, s čimer se poveča kontaktna površina z medijem odpadne toplote; Kanal delovne tekočine na hladni strani sprejme razumno razporeditev kanalov za doseganje protitočnega prenosa toplote z medijem vroče strani, kar poveča temperaturno razliko prenosa toplote. Hkrati se sistemi ORC pogosto uporabljajo v industrijskih krajih ali mobilnih napravah (kot so novi energetski težki-tovornjaki), izmenjevalniki toplote pa morajo doseči največjo površino prenosa toplote v omejenem prostoru. Zato so kompaktne zasnove (kot so ploščate rebraste in mikrokanalne strukture) postale glavna izbira, njihov volumetrični koeficient prenosa toplote pa lahko doseže 3- do 5-krat večji od tradicionalnih lupinastih in cevnih toplotnih izmenjevalnikov.
(2) Prilagodljivost delovne tekočine: obravnavanje edinstvenih fizikalnih in kemijskih lastnosti organskih delovnih tekočin
Med organskimi delovnimi tekočinami in vodo obstajajo pomembne razlike v vrelišču, viskoznosti in jedkosti, kar zahteva posebne zahteve pri izbiri materiala in strukturni zasnovi toplotnih izmenjevalnikov. Na primer, nekatere organske delovne tekočine (kot je R134a) lahko občutno povečajo prostornino med faznim prehodom, zato je treba načrtovati primerno območje preseka pretočnega kanala, da se izognete čezmerni izgubi tlaka; Delovne tekočine, ki vsebujejo klor, se lahko razgradijo in proizvedejo jedke pline pri visokih temperaturah, zato mora biti material toplotnega izmenjevalnika nerjaveče jeklo 316L ali zlitina Hastelloy z močno odpornostjo proti koroziji; Značilnosti faznega prehoda suhih tekočin (kot je R245fa) in mokrih tekočin (kot je n-pentan) so različne, zato je treba načrtovati ciljni proces izmenjave toplote, da se prepreči nastajanje kapljic na izhodu iz mokrih tekočin, ki lahko povzročijo poškodbe turbine zaradi udarca tekočine.
(3) Nadzor temperature in tlaka: zagotavljanje stabilnega delovanja sistema
Temperatura izhlapevanja organske delovne tekočine v sistemu ORC je običajno med 60 stopinj -180 stopinj, delovni tlak pa lahko doseže 2-4MPa. Toplotni izmenjevalnik za rekuperacijo toplote mora natančno nadzorovati izhodno temperaturo in suhost delovne tekočine - čezmerno pregrevanje bo povečalo porabo energije sistema, medtem ko lahko nezadostno pregrevanje povzroči odpoved turbine. Iz tega razloga toplotni izmenjevalniki običajno sprejmejo segmentirano zasnovo, razdeljeno na predgrelni del, izhlapevalni del in pregrevalni del. Z optimizacijo dolžine vsakega pretočnega kanala in porazdelitve območja prenosa toplote je zagotovljena stabilna suhost izhoda delovne tekočine pri 0,95 ali več. Hkrati mora imeti izmenjevalnik toplote zadostno tlačno odpornost in tesnilno zmogljivost, da se spopade s nihanji tlaka organskih delovnih tekočin med faznim prehodom ter prepreči nevarnosti za varnost in izgubo energije zaradi uhajanja tekočine.