Ενεργειακή γέφυρα και τεχνικός πυρήνας συστήματος γεννήτριας ORC για εναλλάκτη θερμότητας ανάκτησης θερμότητας
Τα χαρακτηριστικά χαμηλής-πηγής θερμότητας του συστήματος ORC και οι φυσικές ιδιότητες του οργανικού ρευστού εργασίας επιβάλλουν αυστηρές προσαρμοσμένες απαιτήσεις σχεδιασμού στον εναλλάκτη θερμότητας ανάκτησης θερμότητας και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντικατοπτρίζονται κυρίως στις ακόλουθες τέσσερις πτυχές:
(1) Αποτελεσματικός σχεδιασμός ανταλλαγής θερμότητας: εξισορρόπηση της χρήσης απορριπτόμενης θερμότητας και της συμπαγούς συστήματος
Οι πηγές θερμότητας χαμηλής ποιότητας έχουν μικρές κλίσεις θερμοκρασίας και χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, που απαιτούν οι εναλλάκτες θερμότητας ανάκτησης θερμότητας να έχουν εξαιρετικά-υψηλή απόδοση μεταφοράς θερμότητας. Στη μηχανική, συνήθως υιοθετείται ο σχεδιασμός της δομής της "διατάξεως με πτερύγιο σωλήνα+διασταυρούμενης ροής/αντίθετης ροής": Οι σωλήνες με πτερύγια υψηλής{3}συχνότητας χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας στο θερμό πλευρικό κανάλι, αυξάνοντας την περιοχή επαφής με το μέσο απορριμμάτων θερμότητας. Το κανάλι ρευστού λειτουργίας ψυχρής πλευράς υιοθετεί λογική κατανομή καναλιών για να επιτύχει μεταφορά θερμότητας αντίθετης ροής με το θερμό πλευρικό μέσο, μεγιστοποιώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταφοράς θερμότητας. Ταυτόχρονα, τα συστήματα ORC χρησιμοποιούνται συχνά σε βιομηχανικούς χώρους ή κινητές συσκευές (όπως νέα ενεργειακά βαρέα-φορτηγά) και οι εναλλάκτες θερμότητας πρέπει να επιτυγχάνουν τη μέγιστη περιοχή μεταφοράς θερμότητας σε περιορισμένο χώρο. Ως εκ τούτου, τα συμπαγή σχέδια (όπως πτερύγια πλάκας και δομές μικροκαναλιού) έχουν γίνει η κύρια επιλογή και ο ογκομετρικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μπορεί να φτάσει 3-5 φορές αυτόν των παραδοσιακών εναλλακτών θερμότητας κελύφους και σωλήνων.
(2) Προσαρμοστικότητα σε ρευστό εργασίας: αντιμετώπιση των μοναδικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των οργανικών ρευστών εργασίας
Υπάρχουν σημαντικές διαφορές στο σημείο βρασμού, το ιξώδες και τη διαβρωτικότητα μεταξύ των οργανικών ρευστών εργασίας και του νερού, οι οποίες απαιτούν ειδικές απαιτήσεις για την επιλογή υλικού και τον δομικό σχεδιασμό των εναλλάκτη θερμότητας. Για παράδειγμα, ορισμένα οργανικά λειτουργικά ρευστά (όπως το R134a) ενδέχεται να παρουσιάσουν σημαντική διαστολή όγκου κατά τη μετάβαση φάσης και είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί μια λογική περιοχή διατομής του καναλιού ροής-για να αποφευχθεί η υπερβολική απώλεια πίεσης. Τα υγρά εργασίας που περιέχουν χλώριο μπορεί να αποσυντεθούν και να παράγουν διαβρωτικά αέρια σε υψηλές θερμοκρασίες, επομένως το υλικό του εναλλάκτη θερμότητας πρέπει να είναι ανοξείδωτο ατσάλι 316L ή κράμα Hastelloy με ισχυρή αντοχή στη διάβρωση. Τα χαρακτηριστικά μετάβασης φάσης των ξηρών ρευστών (όπως το R245fa) και των υγρών ρευστών (όπως το n-πεντάνιο) είναι διαφορετικά και πρέπει να σχεδιαστεί μια στοχευμένη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας για να αποφευχθεί η δημιουργία σταγονιδίων στην έξοδο υγρών ρευστών, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν βλάβη στον στρόβιλο λόγω κρούσης υγρού.
(3) Έλεγχος θερμοκρασίας και πίεσης: εξασφάλιση σταθερής λειτουργίας του συστήματος
Η θερμοκρασία εξάτμισης του οργανικού ρευστού εργασίας στο σύστημα ORC είναι συνήθως μεταξύ 60 βαθμών -180 βαθμών και η πίεση εργασίας μπορεί να φτάσει τα 2-4 MPa. Ο εναλλάκτης θερμότητας ανάκτησης θερμότητας πρέπει να ελέγχει με ακρίβεια τη θερμοκρασία εξόδου και την ξηρότητα του ρευστού εργασίας - η υπερβολική υπερθέρμανση θα αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος, ενώ η ανεπαρκής υπερθέρμανση μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του στροβίλου. Για το λόγο αυτό, οι εναλλάκτες θερμότητας υιοθετούν συνήθως μια τμηματοποιημένη σχεδίαση, χωρισμένη σε τμήμα προθέρμανσης, τμήμα εξάτμισης και τμήμα υπερθέρμανσης. Με τη βελτιστοποίηση του μήκους κάθε καναλιού ροής και την κατανομή της περιοχής μεταφοράς θερμότητας, διασφαλίζεται ότι η ξηρότητα της εξόδου του ρευστού εργασίας είναι σταθερή στο 0,95 ή περισσότερο. Ταυτόχρονα, ο εναλλάκτης θερμότητας πρέπει να έχει επαρκή αντίσταση πίεσης και απόδοση στεγανοποίησης για να αντιμετωπίσει τις διακυμάνσεις της πίεσης των οργανικών ρευστών εργασίας κατά τη μετάβαση φάσης και να αποτρέψει τους κινδύνους ασφαλείας και την απώλεια ενέργειας που προκαλείται από διαρροή υγρού.
