Soojustagastusega soojusvaheti kasutamine ORC elektritootmissüsteemis
1, soojustagastusega soojusvaheti põhiroll ORC elektritootmissüsteemis
ORC-süsteemi põhiprintsiip seisneb selles, et madala kvaliteediga soojusallikatest (nagu tööstuslikud suitsugaasid, jahutusvesi ja heitgaasid) saadav soojus kantakse soojustagastusega soojusvaheti kaudu orgaanilisele töövedelikule. Orgaaniline töövedelik võib oma madala keemistemperatuuri tõttu madalamal temperatuuril aurustuda kõrgsurveauruks, pannes turbiini pöörlema ja elektrit tootma. Töövedelik jahutatakse ja vedeldatakse pärast töö tegemist kondensaatoriga, survestatakse töövedeliku pumbaga ning seejärel siseneb tsükli lõpetamiseks uuesti soojustagastusega soojusvahetisse.
Soojustagastusega soojusvaheti põhifunktsioonid võib kokku võtta kolme punkti:
Tõhus soojuse püüdmine: maksimeerige madala -kvaliteediga heitsoojuse taaskasutamist, vähendage soojuskadu soojusallika poolel ja parandage heitsoojuse kasutamise tõhusust;
Töövedeliku täpne kuumutamine: Orgaanilise töövedeliku kuumutamine aurustumisolekusse (küllastunud aur/ülekuumendatud aur), andes turbiinile töönõuetele vastavad töövedeliku parameetrid (temperatuur, rõhk);
Süsteemi sobitamise reguleerimine: kohanemine soojusallika poole voolu ja temperatuuri kõikumisega (näiteks tööstusliku heitsoojuse vahelduvad ja muutuva koormuse karakteristikud), stabiliseerige töövedeliku poolel olevad väljundparameetrid ning tagage ORC-süsteemi pidev ja ohutu töö.
Lihtsamalt öeldes on soojustagastusega soojusvaheti soojusvahetussild "soojusallika" ja "töövedeliku" vahel ORC-süsteemis ning selle soojusvahetuse jõudlus määrab otseselt ORC-süsteemi energiatootmise efektiivsuse (üldiselt on ORC-süsteemi koguefektiivsus umbes 10% ~ 25% ja soojusvaheti soojusvahetuse efektiivsus on peamine mõjutav tegur).
2, ORC-süsteemi erinõuded soojustagastusega soojusvahetile
ORC-süsteemi soojusallikas on enamasti madala kvaliteediga (temperatuur on tavaliselt 80–350 kraadi), erinevad töötingimused ja heitsoojust sisaldavad lisandid (nt tolmu ja väävlit sisaldavad tööstuslikud suitsugaasid ja katlakivi sisaldav jahutusvesi) ning orgaanilistel töövedelikel on sageli madal keemistemperatuur, kerge lenduvus ja mõned töövedelikud on söövitavad/süttivad. Seetõttu erinevad soojustagastusega soojusvahetite konstruktsioon, materjal ja struktuur traditsioonilistest soojusenergia soojusvahetitest. Põhinõuded on järgmised:
1. Kohandage madala-soojusvahetusega ja parandage soojusülekande jõudlust
Madala kvaliteediga soojusallikatel on madal temperatuur ja rõhk (väike temperatuurierinevus soojusallika ja töövedeliku vahel), nõrk soojusülekande liikumapanev jõud ja soojusvahetitel peavad olema kõrge -tõhususega soojusülekandestruktuurid, et saavutada kiire soojusülekanne piiratud soojusülekandepiirkonnas, vältides soojusvaheti mahtu ja madalast soojusülekandetegurist tingitud kõrgeid kulusid.
2. taluda muutuvaid töötingimusi ja kohaneda soojusallikate kõikumisega
Tööstusliku heitsoojuse (nagu terase-, keemia- ja tsemenditööstuse heitsoojuse aur) voolukiirus ja temperatuur on altid kõikumisele tootmiskoormusega (nt suitsugaaside temperatuuri järsk langus 150 kraadilt 100 kraadile ja voolukiiruse vähenemine 50 000 m ³ 0/h kuni 30 soojusvahetust 30-ni). kohanemisvõime muutuvate töötingimustega. Soojusvahetusala reguleerimise ja voolukanali optimeerimisega saab tagada väljundparameetrite stabiilsuse töövedeliku poolel.
3. Kohandage orgaaniliste töövedelike omadustega, tasakaalustades ohutust ja ühilduvust
Materjalide ühilduvus: Mõned orgaanilised töövedelikud (nagu fluorosüsivesinikud, ketoonid ja alkaanid) võivad kõrgel temperatuuril põhjustada metallide kerget korrosiooni. Soojusvaheti materjal tuleb sobitada töövedelikuga (nt tavaliselt kasutatav 304/316 roostevaba teras, titaanisulam ja erilised töötingimused, kasutades Hastelloyt);
Tihendusvõime: orgaaniline töövedelik on altid lendumisele ja soojusvahetil peab olema kõrge tihendusaste, et vältida töövedeliku lekkimist (mis mitte ainult ei põhjusta soojuskadu, vaid võib põhjustada ka töövedeliku süttivuse/toksilisuse tõttu ohutusõnnetusi);
Koksimisvastane/katlakivi teke: orgaanilised töövedelikud võivad kohaliku ülekuumenemise ajal praguneda ja koksida. Soojusvaheti peab optimeerima voolukanali konstruktsiooni, et vältida kohalikke kõrgeid temperatuure töövedeliku poolel ja tagada ühtlane vooluväli.
4. Vastupidav soojusallika poolel oleva keskkonna omadustele, suurendades reostuse ja korrosiooni vastupanuvõimet
Kui soojusallikaks on tööstuslikud suitsugaasid: sisaldab tolmu, väävlit ja happelisi gaase, peab soojusvaheti suitsugaasi pool olema kulumiskindel,-madalatemperatuuri korrosioonikindel ja kergesti puhastatav (nt puhastusseadme paigaldamine);
Kui soojusallikaks on madala-temperatuuriga jahutusvesi/heitgaur: altid katlakivi tekkele ja kondenseerumisele, peab soojusvaheti olema vastupidav katlakivi tekkele ja elektrokeemilisele korrosioonile;
Kui soojusallikaks on kõrgel{0}}temperatuuril sulatatud sool/soojusülekandeõli (kaudne soojusvahetuse ORC-süsteem): see peab vastu pidama kõrgel-temperatuurse kandja termilisele šokile ja materjalil on hea tugevus kõrgel{2}}temperatuuril.
5. Kompaktne, madal-kulu, sobib insenerirakendusteks
ORC-süsteemid on enamasti hajutatud elektritootmine (nt asuvad tööstuslike heitsoojuse tootmispunktide lähedal), piiratud ruumiga, mis nõuavad kompaktseid soojusvaheti struktuure, väikeseid mahtusid ja kerget kaalu; Samas sõltub ORC süsteemi kasumlikkus heitsoojuse taaskasutamise säästlikkusest ning soojusvahetil on vaja kontrollida tootmis- ja ekspluatatsioonihoolduskulusid.
6. Vastake termilisele sobitamisele ja saavutage temperatuuriga sobiv soojusülekanne
ORC-süsteemis on orgaanilise töövedeliku kuumutamisprotsess jagatud eelsoojendussektsiooniks, aurustamise sektsiooniks ja ülekuumenemise sektsiooniks (mõnel süsteemil pole ülekuumenemise sektsiooni). Soojusallika poolne soojuseraldus jaguneb samuti mõistlikuks soojussektsiooniks ja kondensatsioonisektsiooniks. Soojusvaheti voolukanali konstruktsioon peab saavutama temperatuuriga sobiva soojusülekande, vältima ebaefektiivset soojusülekannet "suure temperatuurierinevuse ja väikese voolukiirusega", parandama soojuslikku efektiivsust (efektiivne energiakasutusmäär) ja vähendama soojuskadusid.
ORC-süsteemi üldise jõudluse parandamiseks peaks soojustagastusega soojusvaheti disain keskenduma neljale põhiaspektile: soojusülekande efektiivsus, kohanemisvõime erinevate töötingimustega, saastumiskindlus ja kulude kontroll. Peamised disaini- ja optimeerimispunktid on järgmised:
1. Voolukanali ja soojusvahetuse struktuuri optimeerimine
Kasutage vastu-soojusvahetust (soojusallikas ja töövedeliku vool vastassuundades), et maksimeerida temperatuuri ja rõhu kasutamist ning parandada soojusvahetuse tõhusust (vastuvoolu soojusvahetuse keskmine temperatuur ja rõhk on 30%–50% kõrgem kui kaasvoolu soojusvahetusel);
Kasutage tugevdatud soojusülekandetorusid (nt keermestatud torud, gofreeritud torud ja mikroribidega torud) töövedeliku poolel ja suure{0}}efektiivsusega ribisid (nt gofreeritud ribid ja piludega ribid) soojusallika poolel (suitsugaasid), et parandada mõlema poole soojusülekandekoefitsiente;
Optimeerige voolukanali jaotust, et tagada keskkonna ühtlane vooluväli soojusvaheti sees, vältides kohalikke surnud tsoone ja vooluhälbeid ning vältides lokaalset koksimist, katlakivi teket ja ülekuumenemist.
2. Täpne materjalivalik
Tuginedes soojusallika keskkonnale, orgaanilisele töövedelikule ja töötemperatuurile/rõhule, on südamiku materjali valiku viide järgmine:
Tavalised töötingimused (töövedelik on R245fa või R1233zd, soojusallikas on puhas suitsugaas/jahutusvesi, temperatuur<200℃):304 stainless steel;
Söövitavad ained (suitsugaasid sisaldavad väävlit, töövedelik on söövitavad ketoonid, temperatuur 200-300 kraadi):** 316L roostevaba teras;
Väga söövitavad töötingimused (kõrge{0}}temperatuurilised happelised suitsugaasid, spetsiaalne töövedelik): titaanisulam, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 kraadi, nt kõrge -temperatuuri protsessi heitsoojus): kuumuskindel teras (nt 15CrMoG, P91)
3. Saastevastane-ja tolmueemalduskujundus
Tolmu ja katlakivi sisaldavate soojusallikate puhul peavad soojusvahetid integreerima -määrdumisvastased/tolmueemaldusseadmed, et vältida katlakivi kogunemist soojusvahetuspinnale, mis võib vähendada soojusülekandetegurit (soojusülekandetegur võib pärast katlakivi teket väheneda rohkem kui 50%):
Suitsugaaside pool: paigaldage helitahmapuhurid, impulss-tahmapuhurid ja kaabitsad tahmaeemaldajad, et optimeerida suitsugaaside kiirust (üldiselt reguleeritakse 10–15 m/s), et tagada soojusülekanne, vähendades samal ajal tolmu ladestumist;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s), et takistada katlakivi teket.