Aplicación del intercambiador de calor de recuperación de calor en el sistema de generación de energía ORC

1, el papel principal del intercambiador de calor de recuperación de calor en el sistema de generación de energía ORC
El principio básico del sistema ORC es que el calor de fuentes de calor de bajo-grado (como gases de combustión industriales, agua de refrigeración y vapor de escape) se transfiere al fluido de trabajo orgánico a través de un intercambiador de calor de recuperación de calor. El fluido de trabajo orgánico, debido a su bajo punto de ebullición, puede evaporarse en vapor de alta-presión a temperaturas más bajas, lo que hace que la turbina gire y genere electricidad. El fluido de trabajo, después de realizar el trabajo, se enfría y se licua mediante un condensador, se presuriza mediante una bomba de fluido de trabajo y luego ingresa nuevamente al intercambiador de calor de recuperación de calor para completar el ciclo.
Las funciones principales de un intercambiador de calor con recuperación de calor se pueden resumir en tres puntos:
Captura de calor eficiente: maximice la recuperación de calor residual de bajo-grado, reduzca la pérdida de calor en el lado de la fuente de calor y mejore la eficiencia en la utilización del calor residual;
Calentamiento preciso del fluido de trabajo: calentar el fluido de trabajo orgánico al estado de evaporación (vapor saturado/vapor sobrecalentado), proporcionando parámetros del fluido de trabajo (temperatura, presión) que cumplan con los requisitos para el trabajo de la turbina;
Regulación de coincidencia del sistema: adáptese a las fluctuaciones de flujo y temperatura en el lado de la fuente de calor (como las características de carga intermitente y variable del calor residual industrial), estabilice los parámetros de salida en el lado del fluido de trabajo y garantice el funcionamiento continuo y seguro del sistema ORC.
En pocas palabras, el intercambiador de calor de recuperación de calor es el puente de intercambio de calor entre la "fuente de calor" y el "fluido de trabajo" en el sistema ORC, y su rendimiento de intercambio de calor determina directamente la eficiencia de generación de energía del sistema ORC (generalmente, la eficiencia total del sistema ORC es de aproximadamente 10% ~ 25%, y la eficiencia de intercambio de calor del intercambiador de calor es el factor de influencia principal).

2, requisitos especiales del sistema ORC para intercambiador de calor de recuperación de calor
La fuente de calor del sistema ORC es principalmente de baja-calidad (temperatura generalmente entre 80 y 350 grados), condiciones de funcionamiento variables y calor residual que contiene impurezas (como gases de combustión industriales que contienen polvo y azufre, y agua de refrigeración que contiene incrustaciones), y los fluidos de trabajo orgánicos a menudo tienen puntos de ebullición bajos, fácil volatilidad y algunos fluidos de trabajo son corrosivos/inflamables. Por lo tanto, el diseño, material y estructura de los intercambiadores de calor de recuperación de calor son diferentes de los intercambiadores de calor de energía térmica tradicionales. Los requisitos básicos son los siguientes:
1. Adáptese al intercambio de calor de bajo-grado y mejore el rendimiento de la transferencia de calor
Las fuentes de calor de bajo grado tienen baja temperatura y presión (pequeña diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el fluido de trabajo), una fuerza impulsora de transferencia de calor débil y requieren que los intercambiadores de calor tengan estructuras de transferencia de calor mejoradas de alta-eficiencia para lograr una transferencia de calor rápida dentro de un área de transferencia de calor limitada, evitando el volumen del intercambiador de calor y el alto costo causado por el bajo coeficiente de transferencia de calor.
2. Tolerar condiciones de funcionamiento variables y adaptarse a las fluctuaciones en las fuentes de calor.
El caudal y la temperatura del calor residual industrial (como los gases de combustión/vapor de calor residual de las industrias del acero, la química y el cemento) son propensos a fluctuaciones con la carga de producción (como una caída repentina en la temperatura de los gases de combustión de 150 grados a 100 grados y una disminución en el caudal de 50000 m³/h a 30000 m³/h), lo que requiere que el intercambiador de calor tenga una buena adaptabilidad a las condiciones de trabajo cambiantes. Al ajustar el área de intercambio de calor y optimizar el canal de flujo, se puede garantizar la estabilidad de los parámetros de salida en el lado del fluido de trabajo.
3. Adaptarse a las características de los fluidos de trabajo orgánicos, equilibrando seguridad y compatibilidad.
Compatibilidad de materiales: algunos fluidos de trabajo orgánicos (como fluorocarbonos, cetonas y alcanos) pueden causar una ligera corrosión en los metales a altas temperaturas. El material del intercambiador de calor debe coincidir con el fluido de trabajo (como el acero inoxidable 304/316 de uso común, la aleación de titanio y las condiciones de trabajo especiales que utilizan Hastelloy);
Rendimiento de sellado: el fluido de trabajo orgánico es propenso a la volatilización y el intercambiador de calor debe tener un alto nivel de sellado para evitar fugas del fluido de trabajo (lo que no solo causa pérdida de calor, sino que también puede provocar accidentes de seguridad debido a la inflamabilidad/toxicidad del fluido de trabajo);
Anticoquización/incrustaciones: Los fluidos de trabajo orgánicos son propensos a agrietarse y coquizarse durante el sobrecalentamiento local. El intercambiador de calor necesita optimizar el diseño del canal de flujo para evitar altas temperaturas locales en el lado del fluido de trabajo y garantizar un campo de flujo uniforme.

4. Resistente a las características del medio en el lado de la fuente de calor, mejorando la capacidad de resistir la contaminación y la corrosión.
Si la fuente de calor son gases de combustión industriales: contienen polvo, azufre y gases ácidos, el lado de gases de combustión del intercambiador de calor debe ser resistente al desgaste-, a la corrosión a baja-temperatura y fácil de limpiar (como instalar un dispositivo de limpieza);
Si la fuente de calor es agua de refrigeración/vapor de escape de baja-temperatura: propenso a incrustaciones y condensación, el intercambiador de calor debe ser resistente a incrustaciones y corrosión electroquímica;
Si la fuente de calor es sal fundida/aceite de transferencia de calor de alta-temperatura (sistema ORC de intercambio de calor indirecto): debe resistir el choque térmico de medios de alta-temperatura y el material tiene una buena resistencia a altas-temperaturas.
5. Compacto, de bajo-costo, adecuado para aplicaciones de ingeniería
Los sistemas ORC son en su mayoría generación de energía distribuida (por ejemplo, ubicados cerca de puntos de generación de calor residual industrial), con espacio limitado, que requieren estructuras compactas de intercambiadores de calor, volúmenes pequeños y pesos livianos; Al mismo tiempo, la rentabilidad del sistema ORC depende de la economía de la recuperación del calor residual, y el intercambiador de calor necesita controlar los costos de fabricación y mantenimiento operativo.
6. Cumplir con la adaptación térmica y lograr una transferencia de calor coincidente con la temperatura.
El proceso de calentamiento del fluido de trabajo orgánico en el sistema ORC se divide en sección de precalentamiento, sección de evaporación y sección de sobrecalentamiento (algunos sistemas no tienen sección de sobrecalentamiento). La liberación de calor en el lado de la fuente de calor también se divide en sección de calor sensible y sección de condensación. Se requiere que el diseño del canal de flujo del intercambiador de calor logre una transferencia de calor que coincida con la temperatura, evite la transferencia de calor ineficaz con "gran diferencia de temperatura y pequeño caudal", mejore la eficiencia térmica (tasa efectiva de utilización de energía) y reduzca las pérdidas térmicas.

Para mejorar el rendimiento general del sistema ORC, el diseño del intercambiador de calor de recuperación de calor debe girar en torno a cuatro aspectos centrales: eficiencia de transferencia de calor, adaptabilidad a diferentes condiciones operativas, resistencia a la contaminación y control de costos. Los puntos clave de diseño y optimización son los siguientes:

1. Optimización del canal de flujo y de la estructura de intercambio de calor
Emplear el intercambio de calor en contra-corriente (fuente de calor y flujo de fluido de trabajo en direcciones opuestas) para maximizar la utilización de la temperatura y la presión y mejorar la eficiencia del intercambio de calor (la temperatura y presión promedio del intercambio de calor en contra-corriente es entre un 30 % y un 50 % mayor que la del intercambio de calor en contra-corriente);
Utilice tubos de transferencia de calor reforzados (como tubos roscados, tubos corrugados y tubos con microaletas) en el lado del fluido de trabajo y aletas de alta-eficiencia (como aletas corrugadas y aletas ranuradas) en el lado de la fuente de calor (gases de combustión) para mejorar los coeficientes de transferencia de calor en ambos lados;
Optimice la distribución del canal de flujo para garantizar un campo de flujo uniforme del medio dentro del intercambiador de calor, evitando zonas muertas locales y desviaciones de flujo, y previniendo la coque, la incrustación y el sobrecalentamiento locales.

2. Selección precisa de materiales
Según el medio de la fuente de calor, el fluido de trabajo orgánico y la temperatura/presión de funcionamiento, la referencia para la selección del material del núcleo es la siguiente:
Condiciones de funcionamiento normales (el fluido de trabajo es R245fa o R1233zd, la fuente de calor es gas de combustión/agua de refrigeración limpios, temperatura<200℃):304 stainless steel;
Medios corrosivos (los gases de combustión contienen azufre, el fluido de trabajo son cetonas corrosivas, temperatura 200 ~ 300 grados): ** Acero inoxidable 316L;
Condiciones de funcionamiento altamente corrosivas (gases de combustión ácidos a alta-temperatura, fluido de trabajo especial): aleación de titanio, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 grados, como el calor residual del proceso de alta-temperatura): acero-resistente al calor (como 15CrMoG, P91)

3. Diseño antiincrustaciones y eliminación de polvo
Para las fuentes de calor que contienen polvo e incrustaciones, los intercambiadores de calor deben integrar dispositivos anti-eliminación de polvo/incrustaciones para evitar la acumulación de incrustaciones en la superficie del intercambio de calor, lo que puede reducir el coeficiente de transferencia de calor (el coeficiente de transferencia de calor puede disminuir en más de un 50 % después de la incrustación):
Lado de los gases de combustión: instale sopladores de hollín sónicos, sopladores de hollín por impulsos y removedores de hollín con raspador para optimizar la velocidad de los gases de combustión (generalmente controlada a 10 ~ 15 m/s) para garantizar la transferencia de calor y al mismo tiempo reducir la deposición de polvo;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s) para inhibir la formación de incrustaciones.