Cầu năng lượng và lõi kỹ thuật của hệ thống máy phát điện ORC cho bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt
Các đặc tính nguồn nhiệt cấp thấp của hệ thống ORC và các đặc tính vật lý của chất lỏng hữu cơ đặt ra các yêu cầu thiết kế tùy chỉnh nghiêm ngặt đối với bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt và các đặc tính kỹ thuật của nó chủ yếu được phản ánh ở bốn khía cạnh sau:
(1) Thiết kế trao đổi nhiệt hiệu quả: cân bằng giữa việc sử dụng nhiệt thải và độ nén của hệ thống
Các nguồn nhiệt cấp thấp có độ dốc nhiệt độ nhỏ và mật độ năng lượng thấp, đòi hỏi bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt phải có hiệu suất truyền nhiệt cực cao. Trong kỹ thuật, thiết kế cấu trúc "ống có vây+dòng chảy ngang/sắp xếp dòng ngược" thường được áp dụng: ống có vây tần số cao- được sử dụng để tăng cường truyền nhiệt trong kênh bên nóng, tăng diện tích tiếp xúc với môi trường nhiệt thải; Kênh chất lỏng làm việc phía lạnh áp dụng phân bổ kênh hợp lý để đạt được sự truyền nhiệt ngược dòng với môi trường phía nóng, tối đa hóa chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt. Đồng thời, hệ thống ORC thường được sử dụng trong các khu công nghiệp hoặc thiết bị di động (chẳng hạn như xe tải hạng nặng-năng lượng mới) và bộ trao đổi nhiệt cần đạt được diện tích truyền nhiệt tối đa trong một không gian hạn chế. Do đó, các thiết kế nhỏ gọn (chẳng hạn như cấu trúc dạng tấm và vi kênh) đã trở thành lựa chọn chủ đạo và hệ số truyền nhiệt thể tích của chúng có thể đạt gấp 3-5 lần so với các bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống truyền thống.
(2) Khả năng thích ứng của chất lỏng làm việc: giải quyết các tính chất vật lý và hóa học độc đáo của chất lỏng làm việc hữu cơ
Có sự khác biệt đáng kể về điểm sôi, độ nhớt và độ ăn mòn giữa chất lỏng làm việc hữu cơ và nước, đòi hỏi các yêu cầu đặc biệt để lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc của bộ trao đổi nhiệt. Ví dụ: một số chất lỏng hữu cơ hoạt động (chẳng hạn như R134a) có thể bị giãn nở thể tích đáng kể trong quá trình chuyển pha và cần thiết kế một diện tích mặt cắt ngang kênh dòng chảy hợp lý-để tránh mất áp suất quá mức; Chất lỏng làm việc chứa clo có thể phân hủy và tạo ra khí ăn mòn ở nhiệt độ cao, vì vậy vật liệu của bộ trao đổi nhiệt phải là thép không gỉ 316L hoặc hợp kim Hastelloy có khả năng chống ăn mòn mạnh; Các đặc tính chuyển pha của chất lỏng khô (chẳng hạn như R245fa) và chất lỏng ướt (chẳng hạn như n{5}}pentane) là khác nhau và cần thiết kế quy trình trao đổi nhiệt có mục tiêu để tránh tạo ra các giọt ở đầu ra của chất lỏng ướt, có thể gây hư hỏng cho tuabin do tác động của chất lỏng.
(3) Kiểm soát nhiệt độ và áp suất: đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định
Nhiệt độ bay hơi của chất lỏng làm việc hữu cơ trong hệ thống ORC thường nằm trong khoảng 60 độ -180 độ và áp suất làm việc có thể đạt tới 2-4MPa. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt cần kiểm soát chính xác nhiệt độ đầu ra và độ khô của chất lỏng làm việc - quá nhiệt quá mức sẽ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống, trong khi quá nhiệt không đủ có thể dẫn đến hỏng tuabin. Vì lý do này, bộ trao đổi nhiệt thường áp dụng thiết kế phân đoạn, được chia thành phần làm nóng trước, phần bay hơi và phần quá nhiệt. Bằng cách tối ưu hóa độ dài của từng kênh dòng chảy và phân bổ diện tích truyền nhiệt, độ khô của đầu ra chất lỏng làm việc được đảm bảo ổn định ở mức 0,95 trở lên. Đồng thời, bộ trao đổi nhiệt cần có đủ khả năng chịu áp suất và hiệu suất bịt kín để đối phó với sự biến động áp suất của chất lỏng làm việc hữu cơ trong quá trình chuyển pha, đồng thời ngăn ngừa các mối nguy hiểm về an toàn và tổn thất năng lượng do rò rỉ chất lỏng.