Energetický most a technické jádro systému ORC generátoru pro výměník tepla s rekuperací tepla
Nízké-charakteristiky zdroje tepla systému ORC a fyzikální vlastnosti organické pracovní kapaliny kladou na výměník tepla s rekuperací tepla přísné přizpůsobené konstrukční požadavky a jeho technické vlastnosti se odrážejí zejména v následujících čtyřech aspektech:
(1) Návrh efektivní výměny tepla: vyrovnává využití odpadního tepla a kompaktnost systému
Nízké zdroje tepla mají malé teplotní gradienty a nízkou hustotu energie, což vyžaduje, aby výměníky tepla s rekuperací tepla měly mimořádně-vysokou účinnost přenosu tepla. Ve strojírenství se obvykle používá konstrukce „žebrovaná trubka+uspořádání s příčným tokem/protiproudem“: vysokofrekvenční žebrované trubky se používají ke zlepšení přenosu tepla v kanálu horké strany, čímž se zvětšuje plocha kontaktu s odpadním tepelným médiem; Kanál pracovní tekutiny na studené straně využívá přiměřené rozdělení kanálů pro dosažení protiproudého přenosu tepla s médiem na horké straně, čímž se maximalizuje teplotní rozdíl přenosu tepla. Systémy ORC se zároveň často používají v průmyslových areálech nebo mobilních zařízeních (jako jsou nová energetická-nákladní vozidla) a výměníky tepla potřebují dosáhnout maximální plochy pro přenos tepla v omezeném prostoru. Proto se kompaktní konstrukce (jako jsou deskové žebrové a mikrokanálové struktury) staly hlavní volbou a jejich objemový koeficient přenosu tepla může dosáhnout 3-5krát vyššího než u tradičních plášťových a trubkových výměníků tepla.
(2) Adaptabilita pracovních tekutin: řešení jedinečných fyzikálních a chemických vlastností organických pracovních tekutin
Mezi organickými pracovními kapalinami a vodou jsou značné rozdíly v bodu varu, viskozitě a korozivnosti, což vyžaduje speciální požadavky na výběr materiálu a konstrukční řešení výměníků tepla. Například u některých organických pracovních kapalin (jako je R134a) může během fázového přechodu dojít k výraznému roztažení objemu a je nutné navrhnout přiměřenou plochu průřezu průtokového kanálu-, aby se zabránilo nadměrným ztrátám tlaku; Pracovní kapaliny obsahující chlór se mohou při vysokých teplotách rozkládat a produkovat korozivní plyny, takže materiálem výměníku tepla by měla být nerezová ocel 316L nebo slitina Hastelloy se silnou odolností proti korozi; Charakteristiky fázového přechodu suchých kapalin (jako je R245fa) a vlhkých kapalin (jako je n-pentan) se liší a je třeba navrhnout proces cílené výměny tepla, aby se zabránilo tvorbě kapiček na výstupu vlhkých kapalin, které mohou způsobit poškození turbíny v důsledku nárazu kapaliny.
(3) Regulace teploty a tlaku: zajištění stabilního provozu systému
Teplota vypařování organické pracovní tekutiny v systému ORC je obvykle mezi 60 stupni -180 stupňů a pracovní tlak může dosáhnout 2-4 MPa. Rekuperační výměník tepla potřebuje přesně řídit výstupní teplotu a suchost pracovní tekutiny – nadměrné přehřátí zvýší spotřebu energie systému, zatímco nedostatečné přehřátí může vést k poruše turbíny. Z tohoto důvodu mají tepelné výměníky obvykle segmentovanou konstrukci, rozdělenou na předehřívací část, odpařovací část a přehřívací část. Optimalizací délky každého průtokového kanálu a rozložení teplosměnné plochy je zajištěno, že suchost výstupu pracovní tekutiny je stabilní na 0,95 nebo více. Současně musí mít výměník tepla dostatečnou odolnost vůči tlaku a těsnicí výkon, aby se vyrovnal s kolísáním tlaku organických pracovních tekutin během fázového přechodu a zabránil bezpečnostním rizikům a ztrátám energie způsobeným únikem tekutiny.