ORC Enerji Üretim Sisteminde Isı Geri Kazanım Eşanjörünün Uygulanması

1, ORC enerji üretim sisteminde ısı geri kazanımlı ısı değiştiricinin temel rolü
ORC sisteminin temel prensibi, düşük-dereceli ısı kaynaklarından (endüstriyel baca gazı, soğutma suyu ve egzoz buharı gibi) gelen ısının, bir ısı geri kazanımlı ısı eşanjörü yoluyla organik çalışma akışkanına aktarılmasıdır. Organik çalışma sıvısı, düşük kaynama noktasından dolayı, düşük sıcaklıklarda buharlaşarak yüksek-basınçlı buhara dönüşebilir, bu da türbinin dönmesini ve elektrik üretmesini sağlar. Çalışma sıvısı, iş yapıldıktan sonra bir yoğunlaştırıcı tarafından soğutulur ve sıvılaştırılır, bir çalışma sıvısı pompası tarafından basınçlandırılır ve ardından döngüyü tamamlamak için tekrar ısı geri kazanımlı ısı eşanjörüne girer.
Isı geri kazanımlı ısı eşanjörünün temel fonksiyonları üç noktada özetlenebilir:
Verimli ısı yakalama: Düşük-dereceli atık ısının geri kazanımını en üst düzeye çıkarın, ısı kaynağı tarafındaki ısı kaybını azaltın ve atık ısı kullanım verimliliğini artırın;
Çalışma akışkanının hassas şekilde ısıtılması: Organik çalışma akışkanının buharlaşma durumuna (doymuş buhar/kızgın buhar) ısıtılması, türbinin çalışma gereksinimlerini karşılayan çalışma akışkanı parametrelerinin (sıcaklık, basınç) sağlanması;
Sistem eşleştirme düzenlemesi: Isı kaynağı tarafındaki akış ve sıcaklık dalgalanmalarına uyum sağlayın (endüstriyel atık ısının aralıklı ve değişken yük özellikleri gibi), çalışma akışkanı tarafındaki çıkış parametrelerini stabilize edin ve ORC sisteminin sürekli ve güvenli çalışmasını sağlayın.
Basitçe söylemek gerekirse, ısı geri kazanımlı ısı eşanjörü, ORC sistemindeki "ısı kaynağı" ile "çalışma sıvısı" arasındaki ısı değişim köprüsüdür ve ısı değişim performansı, ORC sisteminin güç üretim verimliliğini doğrudan belirler (genellikle ORC sisteminin toplam verimliliği yaklaşık %10~%25'tir ve ısı eşanjörünün ısı değişim verimliliği temel etkileyen faktördür).

2, Isı geri kazanımlı ısı eşanjörü için ORC sisteminin özel gereksinimleri
ORC sisteminin ısı kaynağı çoğunlukla düşük- dereceli (sıcaklık genellikle 80-350 derece), değişken çalışma koşulları ve yabancı maddeler içeren atık ısıdır (toz ve kükürt içeren endüstriyel baca gazı ve kireç içeren soğutma suyu gibi) ve organik çalışma sıvıları genellikle düşük kaynama noktalarına, kolay uçuculuğa sahiptir ve bazı çalışma sıvıları aşındırıcı/yanıcıdır. Bu nedenle ısı geri kazanımlı ısı değiştiricilerin tasarımı, malzemesi ve yapısı geleneksel termal güçlü ısı değiştiricilerden farklıdır. Temel gereksinimler aşağıdaki gibidir:
1. Düşük-dereceli ısı değişimine uyum sağlayın ve ısı transferi performansını artırın
Düşük dereceli ısı kaynakları, düşük sıcaklık ve basınca (ısı kaynağı ile çalışma akışkanı arasında küçük sıcaklık farkı) sahiptir, zayıf ısı transferi itici kuvvetine sahiptir ve sınırlı bir ısı transfer alanı içinde hızlı ısı transferi elde etmek için ısı değiştiricilerin yüksek-verimli, geliştirilmiş ısı transferi yapılarına sahip olmasını gerektirir; böylece ısı değiştirici hacminden ve düşük ısı transfer katsayısının neden olduğu yüksek maliyetten kaçınılır.
2. Değişken çalışma koşullarını tolere edin ve ısı kaynaklarındaki dalgalanmalara uyum sağlayın
Endüstriyel atık ısının akış hızı ve sıcaklığı (çelik, kimya ve çimento endüstrilerinden gelen baca gazı/atık ısı buharı gibi) üretim yüküyle birlikte dalgalanmalara eğilimlidir (baca gazı sıcaklığının 150 dereceden 100 dereceye ani düşüşü ve akış hızının 50000 m³/h'den 30000 m³/h'ye düşmesi gibi), ısı eşanjörünün değişen çalışma koşullarına iyi uyum sağlamasını gerektirir. Isı değişim alanını ayarlayarak ve akış kanalını optimize ederek, çalışma akışkanı tarafındaki çıkış parametrelerinin stabilitesi sağlanabilir.
3. Organik çalışma sıvılarının özelliklerine uyum sağlayın, güvenliği ve uyumluluğu dengeleyin
Malzeme uyumluluğu: Bazı organik çalışma sıvıları (florokarbonlar, ketonlar ve alkanlar gibi) yüksek sıcaklıklarda metallerde hafif korozyona neden olabilir. Isı eşanjörünün malzemesinin çalışma sıvısıyla (yaygın olarak kullanılan 304/316 paslanmaz çelik, titanyum alaşımı ve Hastelloy kullanılarak özel çalışma koşulları gibi) uyumlu olması gerekir;
Sızdırmazlık performansı: Organik çalışma sıvısı buharlaşmaya eğilimlidir ve çalışma sıvısının sızıntısını önlemek için ısı eşanjörünün yüksek bir sızdırmazlık seviyesine sahip olması gerekir (bu sadece ısı kaybına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda çalışma sıvısının yanıcılığı/toksisitesi nedeniyle güvenlik kazalarına da yol açabilir);
Koklaşmayı önleme/tortulaşma: Organik çalışma sıvıları, yerel aşırı ısınma sırasında çatlamaya ve koklaşmaya eğilimlidir. Isı eşanjörünün, çalışma akışkanı tarafında yerel yüksek sıcaklıkları önlemek ve düzgün bir akış alanı sağlamak için akış kanalı tasarımını optimize etmesi gerekir.

4. Isı kaynağı tarafındaki ortamın özelliklerine karşı dayanıklı olup, kirliliğe ve korozyona karşı dayanıklılık yeteneğini arttırır.
Isı kaynağının toz, kükürt ve asidik gazlar içeren endüstriyel baca gazı olması durumunda, ısı eşanjörünün baca gazı tarafının aşınmaya-dayanıklı, düşük-sıcaklık korozyonuna dayanıklı ve temizlenmesi kolay (temizlik cihazı takmak gibi) olması gerekir;
Isı kaynağı düşük-sıcaklıktaki soğutma suyu/egzoz buharıysa: kireçlenmeye ve yoğuşmaya yatkınsa, ısı eşanjörünün kireçlenmeye ve elektrokimyasal korozyona karşı dayanıklı olması gerekir;
Isı kaynağı yüksek-sıcaklıktaki erimiş tuz/ısı transfer yağı (dolaylı ısı değişimi ORC sistemi) ise: yüksek-sıcaklıktaki ortamın termal şokuna dayanması gerekir ve malzemenin iyi bir yüksek-sıcaklık dayanımına sahip olması gerekir.
5. Kompakt, düşük-maliyetli, mühendislik uygulamalarına uygun
ORC sistemleri çoğunlukla dağıtılmış enerji üretimidir (endüstriyel atık ısı üretim noktalarının yakınında bulunması gibi), sınırlı saha alanına sahip, kompakt ısı eşanjörü yapıları gerektiren, küçük hacimli ve hafif; Aynı zamanda ORC sisteminin karlılığı, atık ısı geri kazanımının ekonomisine bağlıdır ve ısı değiştiricinin üretim ve işletme bakım maliyetlerini kontrol etmesi gerekir.
6. Termal eşleşmeyi karşılayın ve sıcaklık uyumlu ısı transferini sağlayın
ORC sisteminde organik çalışma akışkanının ısıtılması işlemi ön ısıtma bölümü, buharlaştırma bölümü ve kızdırma bölümüne bölünmüştür (bazı sistemlerde kızdırma bölümü yoktur). Isı kaynağı tarafındaki ısı çıkışı da duyulur ısı bölümü ve yoğuşma bölümü olarak ikiye ayrılır. Isı değiştiricinin akış kanalı tasarımının, sıcaklığa uygun ısı transferini sağlaması, "büyük sıcaklık farkı ve küçük akış hızı" ile etkisiz ısı transferini önlemesi, termal verimliliği (etkili enerji kullanım oranı) artırması ve termal kayıpları azaltması gerekmektedir.

ORC sisteminin genel performansını iyileştirmek için, ısı geri kazanımlı ısı eşanjörünün tasarımının dört temel husus etrafında dönmesi gerekir: ısı transfer verimliliği, değişen çalışma koşullarına uyum sağlama, kirlenme direnci ve maliyet kontrolü. Temel tasarım ve optimizasyon noktaları aşağıdaki gibidir:

1. Akış Kanalı ve Isı Değişim Yapısı Optimizasyonu
Sıcaklık ve basınç kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve ısı değişimi verimliliğini artırmak için karşıt-akımlı ısı değişimini (ısı kaynağı ve çalışma sıvısı zıt yönlerde akışı) kullanın (karşıt-akımlı ısı değişiminin ortalama sıcaklığı ve basıncı, eş-akımlı ısı değişiminden %30~%50 daha yüksektir);
Her iki taraftaki ısı transfer katsayılarını iyileştirmek için çalışma akışkanı tarafında güçlendirilmiş ısı transfer tüpleri (dişli tüpler, oluklu tüpler ve mikro kanatlı tüpler gibi) ve ısı kaynağı tarafında (baca gazı) yüksek-verimli kanatçıklar (oluklu kanatçıklar ve yarıklı kanatçıklar gibi) kullanın;
Isı eşanjörü içindeki ortamın düzgün bir akış alanını sağlamak, yerel ölü bölgeleri ve akış sapmalarını önlemek ve yerel koklaşmayı, kireçlenmeyi ve aşırı ısınmayı önlemek için akış kanalı dağıtımını optimize edin.

2. Hassas Malzeme Seçimi
Isı kaynağı ortamı, organik çalışma sıvısı ve çalışma sıcaklığı/basıncına bağlı olarak çekirdek malzeme seçimi referansı aşağıdaki gibidir:
Normal çalışma koşulları (çalışma sıvısı R245fa veya R1233zd, ısı kaynağı temiz baca gazı/soğutma suyu, sıcaklık<200℃):304 stainless steel;
Aşındırıcı ortam (baca gazı kükürt içerir, çalışma sıvısı aşındırıcı ketonlardır, sıcaklık 200~300 derece):** 316L paslanmaz çelik;
Son derece aşındırıcı çalışma koşulları (yüksek-sıcaklıkta asidik baca gazı, özel çalışma sıvısı):Titanyum alaşımı, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 derece, örneğin yüksek-sıcaklık proses atık ısısı gibi): Isıya-dirençli çelik (15CrMoG, P91 gibi)

3. -Çürüme Önleyici ve Toz Giderme Tasarımı
Toz ve kireç içeren ısı kaynakları için, ısı eşanjörlerinin, ısı değişim yüzeyinde kireç oluşumunu önlemek amacıyla kirlenme önleyici/toz giderme cihazlarını entegre etmesi gerekir; bu da ısı aktarım katsayısını azaltabilir (ısı aktarım katsayısı kireçlenmeden sonra %50'den fazla azalabilir):
Baca gazı tarafı: Toz birikmesini azaltırken ısı transferini sağlamak amacıyla baca gazı hızını (genellikle 10~15 m/s'de kontrol edilir) optimize etmek için sonik kurum üfleyiciler, darbeli kurum üfleyiciler ve kazıyıcı kurum gidericiler takın;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s) kireç oluşumunu engellemek için.