In un ciclo Brayton a CO₂ supercritico, un recuperatore trasferisce il calore dai gas di scarico della turbina al fluido di lavoro compresso prima del riscaldamento esterno. Uno scambiatore di calore a piastre e scambiatori di calore (PCHE) può risultare interessante perché combina un nucleo compatto con una configurazione adatta al funzionamento ad alta pressione. Il suo valore deve essere valutato in relazione al bilancio termico complessivo del ciclo e alle perdite di pressione.
Il ciclo comprime, riscalda ed espande un fluido di lavoro a CO₂, recuperando parte del calore residuo prima di raffreddare il fluido per il passaggio successivo. A seconda della configurazione del ciclo, i recuperatori a bassa e alta temperatura si dividono il compito di recupero, mentre un preraffreddatore cede il calore al dissipatore disponibile.
Questi componenti non hanno condizioni operative identiche. Un recuperatore ad alta temperatura, un recuperatore a bassa temperatura e un preraffreddatore richiedono profili termici, condizioni meccaniche e valutazioni dei materiali distinti.
Un'elevata efficienza del recuperatore può ridurre l'apporto di calore esterno necessario per la stessa configurazione del ciclo. Per ottenerla potrebbe essere necessaria una maggiore superficie di scambio termico o una diversa configurazione dei canali. Le perdite di carico associate possono aumentare il lavoro di compressione o ridurre l'espansione utile.
L'obiettivo dovrebbe quindi essere la prestazione netta del ciclo, includendo costi, area e caduta di pressione. Non è sufficiente massimizzare un singolo coefficiente di scambio o applicare un miglioramento fisso dell'efficienza del ciclo a ogni impianto PCHE.
Le proprietà della CO₂ possono variare notevolmente in prossimità della regione critica. Un singolo valore medio del calore specifico potrebbe non rappresentare accuratamente lo scambiatore. Il modello termico dovrebbe valutare le variazioni rilevanti di pressione, temperatura e proprietà lungo il percorso del flusso.
Per un flusso definito, il dovere può essere espresso comeQ = flusso di massa × variazione di entalpiaA titolo puramente illustrativo, si ipotizza che una corrente di 10 kg/s con una variazione di entalpia di 100 kJ/kg trasferisca 1.000 kW. Questo calcolo non rappresenta un risultato di un test SHPHE né un punto di funzionamento specifico del ciclo.
| Decisione | Beneficio richiesto | Compromesso da esaminare |
|---|---|---|
| geometria del canale | Prestazioni di trasferimento termico e area utile | Perdita di pressione, distribuzione e producibilità |
| suddivisione dei compiti di recupero | Recuperare calore nell'intero intervallo di temperatura del ciclo | Approcci locali e interazione tra i componenti |
| Materiale e struttura centrale | Rispettare i limiti meccanici e termici. | Stress termico, carico ciclico e qualificazione |
| Disposizione del preraffreddatore | Raggiungere le condizioni di ingresso del compressore richieste | Condizioni stagionali di dissipazione del calore e domanda ausiliaria |
L'avvio, l'arresto e le rapide variazioni di carico possono generare gradienti di temperatura e pressioni differenziali diversi da quelli che si verificano in condizioni operative normali. Il progettista del ciclo deve fornire i transitori richiesti, il numero di cicli e gli eventuali vincoli di rampa per la valutazione dello scambiatore.
ILscambiatore di calore a circuito stampato (PCHE)I limiti superiori pubblicati per la famiglia di prodotti non dimostrano che ogni lega e geometria proposta possano operare simultaneamente a entrambi gli estremi. L'apparecchiatura fornita richiede un intervallo di pressione-temperatura definito e qualificato.
Fornire lo schema di flusso del ciclo, le composizioni dei flussi, le tabelle dei casi operativi, la base entalpica o delle proprietà, i limiti di caduta di pressione e le prestazioni termiche target. Includere i profili transitori, i requisiti di vita utile del progetto e l'ingombro di spazio e peso disponibili.
SHPHE può utilizzare questi dati per valutare le opzioni relative al canale e al nucleo. La proposta di scambiatore risultante dovrebbe essere valutata all'interno del modello di ciclo, dove il suo carico recuperato e le perdite di pressione possono essere tradotte nella produzione netta e nell'economia del progetto.
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