การประยุกต์ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับคืนในระบบผลิตไฟฟ้า ORC

1 บทบาทหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ในระบบผลิตไฟฟ้า ORC
หลักการสำคัญของระบบ ORC คือความร้อนจากแหล่งความร้อนเกรดต่ำ- (เช่น ก๊าซไอเสียทางอุตสาหกรรม น้ำหล่อเย็น และไอน้ำเสีย) จะถูกถ่ายโอนไปยังสารทำงานอินทรีย์ผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ สารอินทรีย์ทำงานเนื่องจากมีจุดเดือดต่ำ จึงสามารถระเหยเป็นไอน้ำแรงดันสูง-ที่อุณหภูมิต่ำลง ส่งผลให้กังหันหมุนและผลิตกระแสไฟฟ้า หลังจากทำงานแล้ว สารทำงานจะถูกทำให้เย็นและทำให้เป็นของเหลวโดยคอนเดนเซอร์ เพิ่มแรงดันโดยปั๊มของเหลวทำงาน จากนั้นจะเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำความร้อนกลับคืนมาอีกครั้งเพื่อทำให้วงจรสมบูรณ์
หน้าที่หลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับคืนสามารถสรุปได้เป็น 3 ประเด็น:
การดักจับความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ: เพิ่มการนำความร้อนทิ้งเกรดต่ำ-กลับมาใช้ใหม่ ลดการสูญเสียความร้อนที่ด้านแหล่งความร้อน และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้ความร้อนเหลือทิ้ง
การทำความร้อนที่แม่นยำของสารทำงาน: การทำความร้อนสารทำงานอินทรีย์ให้อยู่ในสถานะระเหย (ไอน้ำอิ่มตัว/ไอน้ำร้อนยวดยิ่ง) โดยให้พารามิเตอร์ของของไหลทำงาน (อุณหภูมิ ความดัน) ที่ตรงตามข้อกำหนดในการทำงานกับกังหัน
กฎระเบียบการจับคู่ระบบ: ปรับให้เข้ากับการไหลและความผันผวนของอุณหภูมิในด้านแหล่งความร้อน (เช่น ลักษณะการโหลดที่ไม่ต่อเนื่องและแปรผันของความร้อนทิ้งจากอุตสาหกรรม) ทำให้พารามิเตอร์เอาต์พุตคงที่ในด้านของไหลทำงาน และรับประกันการทำงานที่ต่อเนื่องและปลอดภัยของระบบ ORC
พูดง่ายๆ ก็คือ ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่คือสะพานแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่าง "แหล่งความร้อน" และ "สารทำงาน" ในระบบ ORC และประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนจะกำหนดประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของระบบ ORC โดยตรง (โดยทั่วไป ประสิทธิภาพรวมของระบบ ORC อยู่ที่ประมาณ 10%~25% และประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลหลัก)

2 ข้อกำหนดพิเศษของระบบ ORC สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับคืน
แหล่งความร้อนของระบบ ORC ส่วนใหญ่จะมีเกรดต่ำ- (อุณหภูมิโดยทั่วไป 80-350 องศา ) สภาพการทำงานที่แปรผัน และความร้อนทิ้งที่มีสิ่งสกปรก (เช่น ก๊าซหุงต้มทางอุตสาหกรรมที่มีฝุ่นและกำมะถัน และน้ำหล่อเย็นที่มีตะกรัน) และสารทำงานอินทรีย์มักจะมีจุดเดือดต่ำ มีความผันผวนได้ง่าย และสารทำงานบางชนิดมีฤทธิ์กัดกร่อน/ไวไฟ ดังนั้นการออกแบบ วัสดุ และโครงสร้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับมาจึงแตกต่างจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพลังงานความร้อนแบบดั้งเดิม ข้อกำหนดหลักมีดังนี้:
1. ปรับให้เข้ากับการแลกเปลี่ยนความร้อนเกรดต่ำ-และเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน
แหล่งความร้อนเกรดต่ำมีอุณหภูมิและความดันต่ำ (ความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อยระหว่างแหล่งความร้อนและของไหลทำงาน) แรงผลักดันการถ่ายเทความร้อนที่อ่อนแอ และต้องการให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีโครงสร้างการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มประสิทธิภาพ-สูงเพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วภายในพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่จำกัด โดยหลีกเลี่ยงปริมาณตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและต้นทุนสูงที่เกิดจากค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนต่ำ
2. ทนต่อสภาวะการทำงานที่แปรผันและปรับให้เข้ากับความผันผวนของแหล่งความร้อน
อัตราการไหลและอุณหภูมิของความร้อนเหลือทิ้งทางอุตสาหกรรม (เช่น ก๊าซไอเสีย/ไอน้ำความร้อนเสียจากอุตสาหกรรมเหล็ก เคมี และซีเมนต์) มีแนวโน้มที่จะผันผวนตามปริมาณการผลิต (เช่น อุณหภูมิก๊าซไอเสียลดลงอย่างกะทันหันจาก 150 องศาเป็น 100 องศา และอัตราการไหลลดลงจาก 50000 ม. ³/ชม. เป็น 30000 ม. 3/ชม.) ทำให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนต้องมีความสามารถในการปรับตัวที่ดีต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพการทำงาน ด้วยการปรับพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนและปรับช่องการไหลให้เหมาะสม จึงสามารถมั่นใจได้ถึงความเสถียรของพารามิเตอร์เอาต์พุตที่ด้านของไหลทำงาน
3. ปรับให้เข้ากับลักษณะของสารทำงานอินทรีย์ ความปลอดภัยและความเข้ากันได้ที่สมดุล
ความเข้ากันได้ของวัสดุ: สารอินทรีย์บางชนิด (เช่น ฟลูออโรคาร์บอน คีโตน และอัลเคน) อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนเล็กน้อยกับโลหะที่อุณหภูมิสูง วัสดุของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้องจับคู่กับของไหลทำงาน (เช่น สแตนเลส 304/316 ที่ใช้กันทั่วไป โลหะผสมไททาเนียม และสภาพการทำงานพิเศษโดยใช้ Hastelloy)
ประสิทธิภาพการซีล: สารทำงานที่เป็นสารอินทรีย์มีแนวโน้มที่จะระเหยได้ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องมีระดับการปิดผนึกสูงเพื่อป้องกันการรั่วไหลของสารทำงาน (ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการสูญเสียความร้อนเท่านั้น แต่ยังอาจนำไปสู่อุบัติเหตุด้านความปลอดภัยเนื่องจากการติดไฟ/ความเป็นพิษของสารทำงานด้วย)
ป้องกันถ่านโค้ก/ตะกรัน: น้ำมันทำงานออร์แกนิกมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวและถ่านโค้กในระหว่างที่เกิดความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องปรับการออกแบบช่องการไหลให้เหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงอุณหภูมิสูงในพื้นที่ด้านของไหลทำงาน และให้แน่ใจว่าสนามการไหลสม่ำเสมอ

4. ทนทานต่อลักษณะของตัวกลางด้านแหล่งความร้อนเพิ่มความสามารถในการต้านทานมลภาวะและการกัดกร่อน
หากแหล่งความร้อนคือก๊าซหุงต้มทางอุตสาหกรรม ซึ่งมีฝุ่น ซัลเฟอร์ และก๊าซที่เป็นกรด ด้านก๊าซหุงต้มของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะต้องมีความทนทานต่อการสึกหรอ- ทนต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิต่ำ- และทำความสะอาดง่าย (เช่น การติดตั้งอุปกรณ์ทำความสะอาด)
หากแหล่งความร้อนมีอุณหภูมิต่ำ-น้ำหล่อเย็น/ไอน้ำเสีย: มีแนวโน้มที่จะเกิดตะกรันและการควบแน่น ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะต้องทนทานต่อตะกรันและการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า
หากแหล่งความร้อนคือเกลือหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง-/น้ำมันถ่ายเทความร้อน (ระบบ ORC แลกเปลี่ยนความร้อนทางอ้อม): แหล่งความร้อนจะต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของตัวกลางที่มีอุณหภูมิสูง- และวัสดุนั้นมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง-ได้ดี
5. ขนาดกะทัดรัด ต้นทุนต่ำ- เหมาะสำหรับการใช้งานด้านวิศวกรรม
ระบบ ORC ส่วนใหญ่จะเป็นการผลิตไฟฟ้าแบบกระจาย (เช่น ตั้งอยู่ใกล้จุดสร้างความร้อนเหลือทิ้งทางอุตสาหกรรม) โดยมีพื้นที่ไซต์จำกัด ซึ่งต้องใช้โครงสร้างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกะทัดรัด ปริมาตรน้อย และน้ำหนักเบา ในขณะเดียวกัน ความสามารถในการทำกำไรของระบบ ORC ขึ้นอยู่กับความประหยัดของการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องควบคุมต้นทุนการบำรุงรักษาการผลิตและการดำเนินงาน
6. พบกับการจับคู่ความร้อนและบรรลุการถ่ายเทความร้อนที่ตรงกับอุณหภูมิ
กระบวนการให้ความร้อนของสารทำงานอินทรีย์ในระบบ ORC แบ่งออกเป็นส่วนการอุ่น ส่วนการระเหย และส่วนการให้ความร้อนยวดยิ่ง (บางระบบไม่มีส่วนการให้ความร้อนยวดยิ่ง) การระบายความร้อนที่ด้านแหล่งความร้อนยังแบ่งออกเป็นส่วนความร้อนสัมผัสและส่วนการควบแน่น การออกแบบช่องการไหลของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องมีการถ่ายเทความร้อนตามอุณหภูมิ หลีกเลี่ยงการถ่ายเทความร้อนที่ไม่มีประสิทธิภาพโดยมี "ความแตกต่างของอุณหภูมิมากและมีอัตราการไหลน้อย" ปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงความร้อน (อัตราการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิผล) และลดการสูญเสียความร้อน

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ORC การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบนำความร้อนกลับมาควรหมุนรอบประเด็นหลักสี่ประการ ได้แก่ ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การปรับตัวให้เข้ากับสภาพการทำงานที่แตกต่างกัน ความต้านทานการเปรอะเปื้อน และการควบคุมต้นทุน จุดการออกแบบหลักและการเพิ่มประสิทธิภาพมีดังนี้:

1. การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างช่องทางการไหลและการแลกเปลี่ยนความร้อน
ใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเคาน์เตอร์- (แหล่งความร้อนและการไหลของของเหลวทำงานไปในทิศทางตรงกันข้าม) เพื่อเพิ่มการใช้อุณหภูมิและความดันให้สูงสุด และปรับปรุงประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน (อุณหภูมิและความดันเฉลี่ยของการแลกเปลี่ยนความร้อนในปัจจุบัน-จะสูงกว่าการแลกเปลี่ยนความร้อนร่วม-ในปัจจุบัน 30%~50%)
ใช้ท่อถ่ายเทความร้อนแบบเสริมแรง (เช่น ท่อเกลียว ท่อลูกฟูก และท่อไมโครฟิน) ที่ด้านของไหลใช้งานและครีบประสิทธิภาพสูง- (เช่น ครีบลูกฟูกและครีบเจาะรู) ที่ด้านแหล่งความร้อน (ก๊าซไอเสีย) เพื่อปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนทั้งสองด้าน
ปรับการกระจายช่องการไหลให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าสนามการไหลที่สม่ำเสมอของตัวกลางภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน หลีกเลี่ยงจุดบอดในพื้นที่และความเบี่ยงเบนของการไหล และป้องกันการเกิดถ่านโค้ก การปรับขนาด และความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น

2. การเลือกวัสดุที่แม่นยำ
ขึ้นอยู่กับตัวกลางแหล่งความร้อน น้ำมันทำงานแบบอินทรีย์ และอุณหภูมิ/ความดันในการทำงาน การอ้างอิงการเลือกวัสดุแกนจะเป็นดังนี้:
สภาพการทำงานปกติ (สารทำงานคือ R245fa หรือ R1233zd แหล่งความร้อนคือก๊าซไอเสียที่สะอาด/น้ำหล่อเย็น อุณหภูมิ<200℃):304 stainless steel;
สารกัดกร่อน (ก๊าซไอเสียมีกำมะถัน สารทำงานเป็นคีโตนที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อุณหภูมิ 200~300 องศา):** สแตนเลส 316L;
สภาพการทำงานที่มีการกัดกร่อนสูง (ก๊าซไอเสียที่เป็นกรดอุณหภูมิสูง-, สารทำงานพิเศษ): โลหะผสมไทเทเนียม, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 องศา เช่น-ความร้อนทิ้งจากกระบวนการผลิตที่อุณหภูมิสูง): เหล็กทนความร้อน- (เช่น 15CrMoG, P91)

3. การออกแบบป้องกัน-สิ่งสกปรกและการกำจัดฝุ่น
สำหรับแหล่งความร้อนที่มีฝุ่นและตะกรัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจะต้องรวมอุปกรณ์ป้องกัน-การเปรอะเปื้อน/การกำจัดฝุ่นเพื่อป้องกันการสะสมของตะกรันบนพื้นผิวการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้ (ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสามารถลดลงได้มากกว่า 50% หลังจากการปรับขนาด):
ด้านก๊าซไอเสีย: ติดตั้งเครื่องเป่าเขม่าแบบโซนิค เครื่องเป่าลมเขม่าแบบพัลส์ และเครื่องกำจัดเขม่าแบบขูดเพื่อปรับความเร็วของก๊าซไอเสียให้เหมาะสม (โดยทั่วไปควบคุมที่ 10~15 เมตร/วินาที) เพื่อให้มั่นใจว่ามีการถ่ายเทความร้อนในขณะที่ลดการสะสมของฝุ่น
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1.5 เมตร/วินาที) เพื่อยับยั้งการเกิดตะกรัน