Anwendung des Wärmerückgewinnungswärmetauschers im ORC-Stromerzeugungssystem

1, Die Kernrolle des Wärmerückgewinnungswärmetauschers im ORC-Stromerzeugungssystem
Das Kernprinzip des ORC-Systems besteht darin, dass die Wärme von minderwertigen Wärmequellen (wie Industrierauchgas, Kühlwasser und Abdampf) über einen Wärmerückgewinnungswärmetauscher auf das organische Arbeitsmedium übertragen wird. Das organische Arbeitsmedium kann aufgrund seines niedrigen Siedepunkts bei niedrigeren Temperaturen zu Hochdruckdampf verdampfen, der die Turbine in Rotation versetzt und Strom erzeugt. Nach der Arbeitsleistung wird das Arbeitsmedium durch einen Kondensator abgekühlt und verflüssigt, durch eine Arbeitsmediumpumpe unter Druck gesetzt und gelangt dann erneut in den Wärmerückgewinnungswärmetauscher, um den Kreislauf zu vervollständigen.
Die Kernfunktionen eines Wärmerückgewinnungswärmetauschers lassen sich in drei Punkten zusammenfassen:
Effiziente Wärmeerfassung: Maximieren Sie die Rückgewinnung minderwertiger Abwärme, reduzieren Sie den Wärmeverlust auf der Seite der Wärmequelle und verbessern Sie die Effizienz der Abwärmenutzung.
Präzise Erwärmung des Arbeitsmediums: Erhitzen des organischen Arbeitsmediums bis zum Verdampfungszustand (Sättigungsdampf/überhitzter Dampf), wodurch Arbeitsmediumparameter (Temperatur, Druck) bereitgestellt werden, die den Anforderungen für die Arbeit an der Turbine entsprechen;
Systemanpassungsregelung: Anpassung an Durchfluss- und Temperaturschwankungen auf der Seite der Wärmequelle (z. B. intermittierende und variable Lastcharakteristiken industrieller Abwärme), Stabilisierung der Ausgangsparameter auf der Seite des Arbeitsmediums und Gewährleistung des kontinuierlichen und sicheren Betriebs des ORC-Systems.
Einfach ausgedrückt ist der Wärmerückgewinnungswärmetauscher die Wärmeaustauschbrücke zwischen der „Wärmequelle“ und dem „Arbeitsmedium“ im ORC-System, und seine Wärmeaustauschleistung bestimmt direkt den Stromerzeugungswirkungsgrad des ORC-Systems (im Allgemeinen beträgt der Gesamtwirkungsgrad des ORC-Systems etwa 10 % bis 25 %, und der Wärmeaustauschwirkungsgrad des Wärmetauschers ist der zentrale Einflussfaktor).

2, Besondere Anforderungen des ORC-Systems für Wärmerückgewinnungswärmetauscher
Die Wärmequelle des ORC-Systems ist größtenteils niedrig (Temperatur im Allgemeinen 80–350 Grad), die Betriebsbedingungen variieren und die Abwärme enthält Verunreinigungen (z. B. industrielles Rauchgas, das Staub und Schwefel enthält, und Kühlwasser, das Ablagerungen enthält). Organische Arbeitsflüssigkeiten haben häufig niedrige Siedepunkte, sind leicht flüchtig und einige Arbeitsflüssigkeiten sind korrosiv/brennbar. Daher unterscheiden sich Design, Material und Struktur von Wärmerückgewinnungswärmetauschern von herkömmlichen Wärmekraftwärmetauschern. Die Kernanforderungen lauten wie folgt:
1. Passen Sie sich an einen Wärmeaustausch mit niedrigem -Grad an und verbessern Sie die Wärmeübertragungsleistung
Niedrigwertige Wärmequellen haben niedrige Temperaturen und Drücke (geringe Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Arbeitsmedium), eine schwache Antriebskraft für die Wärmeübertragung und erfordern, dass Wärmetauscher über hoch-effiziente, verbesserte Wärmeübertragungsstrukturen verfügen, um eine schnelle Wärmeübertragung innerhalb einer begrenzten Wärmeübertragungsfläche zu erreichen, wodurch Wärmetauschervolumen und hohe Kosten aufgrund eines niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten vermieden werden.
2. Tolerieren Sie variable Betriebsbedingungen und passen Sie sich an Schwankungen der Wärmequellen an
Die Durchflussrate und Temperatur industrieller Abwärme (z. B. Rauchgas/Abwärmedampf aus der Stahl-, Chemie- und Zementindustrie) unterliegen Schwankungen mit der Produktionslast (z. B. einem plötzlichen Abfall der Rauchgastemperatur von 150 Grad auf 100 Grad und einem Rückgang der Durchflussrate von 50.000 m³/h auf 30.000 m³/h), was eine gute Anpassungsfähigkeit des Wärmetauschers an sich ändernde Arbeitsbedingungen erfordert. Durch die Anpassung der Wärmeaustauschfläche und die Optimierung des Strömungskanals kann die Stabilität der Leistungsparameter auf der Seite des Arbeitsmediums sichergestellt werden.
3. Passen Sie sich an die Eigenschaften organischer Arbeitsflüssigkeiten an und achten Sie dabei auf Sicherheit und Kompatibilität
Materialverträglichkeit: Einige organische Arbeitsflüssigkeiten (wie Fluorkohlenwasserstoffe, Ketone und Alkane) können bei hohen Temperaturen leichte Korrosion an Metallen verursachen. Das Material des Wärmetauschers muss auf das Arbeitsmedium abgestimmt sein (z. B. häufig verwendeter Edelstahl 304/316, Titanlegierung und besondere Arbeitsbedingungen mit Hastelloy);
Dichtungsleistung: Organische Arbeitsflüssigkeit neigt zur Verflüchtigung, und der Wärmetauscher muss über einen hohen Dichtungsgrad verfügen, um ein Austreten der Arbeitsflüssigkeit zu verhindern (was nicht nur zu Wärmeverlusten führt, sondern aufgrund der Entflammbarkeit/Toxizität der Arbeitsflüssigkeit auch zu Sicherheitsunfällen führen kann);
Anti-Verkokung/Skalierung: Organische Arbeitsflüssigkeiten neigen bei lokaler Überhitzung zur Rissbildung und Verkokung. Der Wärmetauscher muss das Strömungskanaldesign optimieren, um lokal hohe Temperaturen auf der Seite des Arbeitsmediums zu vermeiden und ein gleichmäßiges Strömungsfeld sicherzustellen.

4. Beständig gegen die Eigenschaften des Mediums auf der Seite der Wärmequelle, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzung und Korrosion verbessert wird
Wenn es sich bei der Wärmequelle um industrielles Rauchgas handelt, das Staub, Schwefel und saure Gase enthält, muss die Rauchgasseite des Wärmetauschers verschleißfest, beständig gegen Korrosion bei niedrigen Temperaturen und leicht zu reinigen sein (z. B. durch Installation einer Reinigungsvorrichtung).
Wenn es sich bei der Wärmequelle um Kühlwasser/Abdampf mit niedriger{0}}Temperatur handelt: neigt es zu Ablagerungen und Kondensation; der Wärmetauscher muss beständig gegen Ablagerungen und elektrochemische Korrosion sein;
Wenn es sich bei der Wärmequelle um geschmolzenes Hochtemperatursalz/Wärmeübertragungsöl (ORC-System mit indirektem Wärmeaustausch) handelt, muss es dem Temperaturschock von Hochtemperaturmedien standhalten und das Material weist eine gute Hochtemperaturfestigkeit auf.
5. Kompakt, kostengünstig, geeignet für technische Anwendungen
Bei ORC-Systemen handelt es sich meist um dezentrale Stromerzeugungssysteme (z. B. in der Nähe von industriellen Abwärmeerzeugungspunkten), mit begrenztem Standortraum, der kompakte Wärmetauscherstrukturen, kleine Volumina und geringes Gewicht erfordert; Gleichzeitig hängt die Rentabilität des ORC-Systems von der Wirtschaftlichkeit der Abwärmerückgewinnung ab, und der Wärmetauscher muss die Herstellungs- und Betriebswartungskosten kontrollieren.
6. Treffen Sie die thermische Anpassung und erreichen Sie eine temperaturangepasste Wärmeübertragung
Der Erhitzungsprozess des organischen Arbeitsmediums im ORC-System ist in einen Vorwärmabschnitt, einen Verdampfungsabschnitt und einen Überhitzungsabschnitt unterteilt (einige Systeme verfügen nicht über einen Überhitzungsabschnitt). Die Wärmeabgabe auf der Wärmequellenseite wird ebenfalls in den sensiblen Wärmebereich und den Kondensationsbereich unterteilt. Es ist erforderlich, dass das Strömungskanaldesign des Wärmetauschers eine temperaturangepasste Wärmeübertragung erreicht, eine ineffektive Wärmeübertragung mit „großer Temperaturdifferenz und kleiner Durchflussrate“ vermeidet, den thermischen Wirkungsgrad (effektive Energienutzungsrate) verbessert und Wärmeverluste reduziert.

Um die Gesamtleistung des ORC-Systems zu verbessern, sollte sich die Konstruktion des Wärmerückgewinnungswärmetauschers auf vier Kernaspekte konzentrieren: Wärmeübertragungseffizienz, Anpassungsfähigkeit an wechselnde Betriebsbedingungen, Verschmutzungsbeständigkeit und Kostenkontrolle. Die wichtigsten Design- und Optimierungspunkte sind wie folgt:

1. Optimierung von Strömungskanälen und Wärmeaustauschstrukturen
Nutzen Sie einen Gegenstrom-Wärmeaustausch (Wärmequelle und Arbeitsflüssigkeit fließen in entgegengesetzte Richtungen), um die Temperatur- und Druckausnutzung zu maximieren und die Effizienz des Wärmeaustauschs zu verbessern (die durchschnittliche Temperatur und der durchschnittliche Druck des Gegenstrom-Wärmeaustauschs sind 30–50 % höher als die des Gleichstrom-Wärmeaustauschs).
Verwenden Sie verstärkte Wärmeübertragungsrohre (z. B. Gewinderohre, Wellrohre und Mikrorippenrohre) auf der Seite des Arbeitsmediums und hocheffiziente Rippen (z. B. Wellrippen und Schlitzrippen) auf der Seite der Wärmequelle (Rauchgas), um die Wärmeübertragungskoeffizienten auf beiden Seiten zu verbessern.
Optimieren Sie die Verteilung der Strömungskanäle, um ein gleichmäßiges Strömungsfeld des Mediums innerhalb des Wärmetauschers zu gewährleisten, lokale Totzonen und Strömungsabweichungen zu vermeiden und lokale Verkokung, Ablagerungen und Überhitzung zu verhindern.

2. Präzise Materialauswahl
Basierend auf dem Wärmequellenmedium, dem organischen Arbeitsmedium und der Betriebstemperatur/dem Betriebsdruck lautet die Referenz für die Auswahl des Kernmaterials wie folgt:
Normale Betriebsbedingungen (Arbeitsmedium ist R245fa oder R1233zd, Wärmequelle ist sauberes Rauchgas/Kühlwasser, Temperatur).<200℃):304 stainless steel;
Korrosive Medien (Rauchgas enthält Schwefel, Arbeitsflüssigkeit besteht aus ätzenden Ketonen, Temperatur 200–300 Grad):** Edelstahl 316L;
Stark korrosive Betriebsbedingungen (saures Rauchgas mit hoher Temperatur, spezielles Arbeitsmedium):Titanlegierung, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 Grad, z. B. Hochtemperatur-Prozessabwärme): Hitzebeständiger Stahl (z. B. 15CrMoG, P91)

3. Anti-Fouling- und Staubentfernungsdesign
Bei Wärmequellen, die Staub und Ablagerungen enthalten, müssen Wärmetauscher mit Antifouling-/Staubentfernungsvorrichtungen ausgestattet sein, um Ablagerungen auf der Wärmetauscheroberfläche zu verhindern, die den Wärmeübertragungskoeffizienten verringern können (der Wärmeübertragungskoeffizient kann nach der Ablagerung um mehr als 50 % sinken):
Rauchgasseite: Installieren Sie Schall-Rußgebläse, Impuls-Rußgebläse und Schaber-Rußentferner, um die Rauchgasgeschwindigkeit zu optimieren (im Allgemeinen auf 10–15 m/s geregelt), um die Wärmeübertragung sicherzustellen und gleichzeitig die Staubablagerung zu reduzieren;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5 m/s), um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern.