مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده در ذخیره سازی انرژی حرارتی: کاربردها و مزایا

جزئیات پرونده

مقدمه

در چشم انداز صنعتی معاصر، مدیریت کارآمد انرژی حرارتی به یک نگرانی اساسی تبدیل شده است که ناشی از الزامات دوگانه بهینه سازی اقتصادی و حفاظت از محیط زیست است. سیستم های ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES) در خط مقدم فناوری هایی قرار دارند که به این نگرانی می پردازند و پتانسیل پل زدن شکاف زمانی بین عرضه و تقاضای انرژی، افزایش بهره برداری از منابع انرژی تجدیدپذیر و بازیابی گرمای اتلافی را که در غیر این صورت به محیط زیست از دست می رود، ارائه می دهند. در قلب اثربخشی و قابلیت اطمینان این سیستم ها، مبدل حرارتی قرار دارد، جزئی که مسئول انتقال انرژی حرارتی بین رسانه ذخیره سازی و سیال عامل است. در میان انواع مختلف فناوری های مبدل حرارتی موجود، مبدل حرارتی صفحه ای کاملاً جوش داده شده به عنوان یک راه حل قوی و کارآمد، به ویژه مناسب برای شرایط چالش برانگیز که اغلب در کاربردهای TES و فرآیندهای صنعتی گسترده تر با آن روبرو می شویم، متمایز شده است.

این مقاله مروری جامع بر مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده ارائه می دهد، به طراحی اساسی آنها، طیف وسیع کاربردهای آنها - با تمرکز ویژه بر ذخیره سازی انرژی حرارتی و زمینه های مرتبط - و مزایای ذاتی که آنها را به عنوان یک فناوری اصلی برای استفاده پایدار از انرژی قرار می دهد، می پردازد. با بررسی ویژگی های فنی و عملکرد اثبات شده آنها در تاسیسات واقعی، این تحلیل با هدف روشن کردن اینکه چرا مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده به طور فزاینده ای فناوری انتخابی برای مهندسان و اپراتورانی هستند که به دنبال بهینه سازی سیستم های حرارتی برای قابلیت اطمینان، کارایی و طول عمر هستند.

اصول طراحی و ساخت

مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده، همانطور که از نامشان پیداست، با اتصال دائمی صفحات انتقال حرارت آنها با استفاده از فرآیندهای جوشکاری مانند جوش لیزری یا جوش آرگون، که نیاز به واشرهای الاستومری استاندارد در مبدل های حرارتی صفحه ای معمولی را کاملاً از بین می برد، مشخص می شوند. این انتخاب طراحی اساسی پیامدهای عمیقی برای دامنه عملیاتی و دوام واحد دارد. سطح انتقال حرارت معمولاً از مجموعه ای از صفحات نازک و موج دار تشکیل شده است که از موادی مانند فولاد ضد زنگ (مانند AISI 304، 316L)، تیتانیوم، یا آلیاژهای با درجه بالاتر مانند فولاد ضد زنگ دوفازی یا آلیاژهای نیکل ساخته شده اند که بر اساس خورندگی و دمای سیالات عامل انتخاب می شوند.

این صفحات در یک بسته صفحه ای مونتاژ می شوند که سپس برای تشکیل یک هسته یکپارچه جوش داده می شود. این هسته اغلب در یک قاب فولادی کربنی یا فولاد ضد زنگ قوی یا پوسته فشار محصور می شود که برای تحمل فشارهای عملیاتی و ایجاد یکپارچگی ساختاری طراحی شده است. الگوی موج دار روی صفحات هدف دوگانه ای را دنبال می کند: نقاط تماس متعددی بین صفحات مجاور ایجاد می کند و بسته صفحه را در برابر اختلاف فشار تقویت می کند، و سیالات را مجبور می کند مسیری پر پیچ و خم را دنبال کنند که جریان آشفته را حتی در سرعت های پایین ترویج می دهد. تلاطم در انتقال حرارت بسیار مطلوب است زیرا لایه مرزی حرارتی را در سطح صفحه مختل می کند و منجر به ضرایب انتقال حرارت به طور قابل توجهی بالاتر در مقایسه با جریان آرام که اغلب در انواع دیگر مبدل های حرارتی یافت می شود، می شود.

پیکربندی جریان در بسیاری از طرح های کاملاً جوش داده شده، جریان کاملاً مخالف است، جایی که سیالات داغ و سرد در جهت مخالف در طول صفحه حرکت می کنند. این چیدمان امکان نزدیک شدن دمایی را فراهم می کند - تفاوت بین دمای خروجی یک سیال و دمای ورودی سیال دیگر - نسبت به آنچه در پیکربندی هایی که کاملاً مخالف نیستند امکان پذیر است. این توانایی دستیابی به نزدیک شدن دمایی بسیار نزدیک برای به حداکثر رساندن راندمان حرارتی در کاربردهایی مانند بازیابی حرارت و چرخه های شارژ/تخلیه TES حیاتی است.

کاربردهای مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده

ترکیب منحصر به فرد عملکرد حرارتی بالا، استحکام ساختاری و انعطاف پذیری مواد، مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده را قادر می سازد تا طیف وسیعی از صنایع و کاربردها را خدمت کنند.

1. سیستم های ذخیره سازی انرژی حرارتی

در سیستم های TES، مبدل حرارتی رابط حیاتی بین رسانه ذخیره سازی و حلقه انرژی خارجی است. مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده برای این نقش در فناوری های مختلف TES بسیار مناسب هستند.

برای ذخیره سازی حرارت محسوس، مانند سیستم های نمک مذاب مورد استفاده در نیروگاه های خورشیدی متمرکز (CSP)، مبدل حرارتی باید دماهای بسیار بالا (اغلب بیش از 500 درجه سانتیگراد) را تحمل کند و به طور قابل اعتماد با سیالات با دمای بالا کار کند. ساختار کاملاً جوش داده شده خطر خرابی واشر را که یک نقطه شکست رایج در دماهای بالا است، از بین می برد. علاوه بر این، توانایی ساخت مبدل حرارتی از آلیاژهای تخصصی، سازگاری با نمک های مذاب بالقوه خورنده را تضمین می کند. در این نیروگاه ها، واحدهای کاملاً جوش داده شده به عنوان ژنراتورهای بخار، پیش گرم کن ها و گرم کن های مجدد عمل می کنند و گرما را از نمک مذاب ذخیره شده به آب منتقل می کنند تا بخار فوق گرم برای عملکرد توربین تولید کنند.در سیستم های ذخیره سازی انرژی حرارتی نهان (LHTES)، که از مواد تغییر فاز (PCMs) استفاده می کنند، طراحی مبدل حرارتی حتی حیاتی تر است. PCMs اغلب رسانایی حرارتی پایینی دارند و مبدل حرارتی باید سطح بزرگی را برای تسهیل انتقال حرارت موثر در طول ذوب (شارژ) و انجماد (تخلیه) فراهم کند. نسبت سطح به حجم بالای مبدل های حرارتی صفحه ای کاملاً جوش داده شده آنها را به کاندیداهای ایده آل برای این کار تبدیل می کند. طراحی فشرده آنها به آنها اجازه می دهد تا مستقیماً در داخل ظروف PCM تعبیه شوند و نرخ انتقال حرارت را به حداکثر می رسانند و چگالی توان کلی سیستم ذخیره سازی را بهبود می بخشند. توانایی مدیریت سیالات با مقداری ذرات یا ویسکوزیته متغیر در طول تغییر فاز نیز یک مزیت قابل توجه است.2. گرمایش و سرمایش فرآیندهای صنعتی

1. عملکرد حرارتی برتردر بخش نفت و گاز، آنها برای گرمایش و سرمایش گاز، گرمایش سوخت نفت و در فرآیندهای پالایشگاهی مانند اصلاح کاتالیزوری استفاده می شوند. توانایی تحمل چرخه حرارتی و تنش های مکانیکی ذاتی این عملیات، آنها را به انتخابی بادوام و قابل اعتماد تبدیل می کند.صنعت غذا و نوشیدنی نیز از این فناوری بهره مند می شود، به ویژه در کاربردهایی که شامل سیالات ویسکوز یا حاوی ذرات هستند. به عنوان مثال، در فرآوری روغن های گیاهی، روغن های خوراکی و سایر محصولات غذایی، سطوح صفحه ای صاف و کاملاً جوش داده شده کمتر مستعد گرفتگی هستند و در مقایسه با اجزای داخلی پیچیده برخی دیگر از انواع مبدل های حرارتی، تمیز کردن آنها آسان تر است.

3. تولید برق و گرمایش منطقه ای

در نیروگاه های حرارتی معمولی - چه با زغال سنگ، گاز، نفت یا زیست توده - مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده بخشی جدایی ناپذیر از چرخه بخار هستند. آنها به عنوان پیش گرم کن های آب تغذیه، گرم کن های آب گرمایش منطقه ای، خنک کننده های کندانسور و کندانسورهای بخار عمل می کنند. با بازیابی کارآمد گرما از نقاط مختلف چرخه، آنها مستقیماً به بهبود راندمان حرارتی کلی نیروگاه کمک می کنند. به عنوان مثال، استفاده از مبدل حرارتی کاملاً جوش داده شده به عنوان واحد بازیابی حرارت تخلیه مداوم، اجازه می دهد تا انرژی که در غیر این صورت دور ریخته می شود، آب تازه ورودی را پیش گرم کند و سوخت مورد نیاز برای تولید بخار را کاهش دهد.در شبکه های گرمایش منطقه ای، این مبدل ها به عنوان پیوند حیاتی بین نیروگاه مرکزی (که می تواند یک نیروگاه، یک منبع زمین گرمایی یا یک پمپ حرارتی در مقیاس بزرگ باشد) و آب تمیز که به کاربران نهایی توزیع می شود، عمل می کنند. ردپای فشرده یک واحد کاملاً جوش داده شده یک مزیت بزرگ در مناطق پرجمعیت شهری است که فضا در ایستگاه های فرعی گرمایش محدود است. آنها می توانند به طور قابل اعتماد تفاوت های دمایی بزرگ و الزامات فشار سیستم های گرمایش منطقه ای را مدیریت کنند و انتقال حرارت کارآمد را از شبکه اولیه به مدارهای ثانویه ساختمان فراهم کنند.4. انرژی های تجدیدپذیر و فناوری های نوظهور

گذار جهانی به سمت انرژی های تجدیدپذیر، مرزهای کاربردی جدید و هیجان انگیزی را برای مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده باز کرده است. در اقتصاد هیدروژن، آنها نقش حیاتی ایفا می کنند. برای الکترولیز، فرآیند استفاده از الکتریسیته برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن، کنترل دقیق دما برای راندمان و طول عمر غشا ضروری است. مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده خنک کننده لازم را فراهم می کنند، با موادی که برای تحمل آب با خلوص بالا و حضور احتمالی هیدروژن انتخاب شده اند. در سیستم های پیل سوختی، آنها برای خنک کردن خود پشته پیل سوختی و همچنین برای مدیریت تعادل حرارتی در اجزای پشتیبانی استفاده می شوند.بخش ذخیره سازی انرژی باتری، به ویژه برای تاسیسات باتری لیتیوم یون در مقیاس بزرگ، به شدت به مدیریت حرارتی متکی است. عملکرد باتری، ایمنی و طول عمر به شدت به حفظ دمای یکنواخت، معمولاً در محدوده باریک مانند ±2 درجه سانتیگراد بستگی دارد. مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده، با فرم فاکتور فشرده و راندمان بالای خود، برای ادغام در سیستم های خنک کننده مایع رک های باتری، دفع سریع گرما در طول شارژ یا تخلیه با نرخ بالا و تامین گرما در شرایط سرد، ایده آل هستند.در چرخه های قدرت پیشرفته، مانند چرخه های دی اکسید کربن فوق بحرانی (sCO2) و چرخه های رانکین آلی (ORC)، مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده کاربردهای حیاتی پیدا می کنند. چرخه های sCO2، که نویدبخش راندمان بالاتر از چرخه های بخار سنتی هستند، در دماها و فشارهای بسیار بالا (مانند 650 درجه سانتیگراد، 30 مگاپاسکال) کار می کنند. استحکام مکانیکی بسته صفحه کاملاً جوش داده شده، همراه با فشردگی آن، آن را به یک کاندیدای اصلی برای بازیاب ها، پیش گرم کن ها و کندانسورها در این سیستم ها تبدیل می کند. در نیروگاه های ORC، که برق را از منابع حرارتی با دمای پایین تا متوسط مانند آب شور زمین گرمایی یا گرمای اتلافی صنعتی تولید می کنند، این مبدل ها به عنوان تبخیر کننده، کندانسور و بازیاب عمل می کنند و به طور موثر گرما با درجه پایین را به الکتریسیته قابل استفاده تبدیل می کنند.

با فعال کردن بازیابی کارآمد گرما و پشتیبانی از ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر، مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده ابزارهای قدرتمندی برای بهبود پایداری هستند. آنها به صنایع کمک می کنند تا مصرف انرژی اولیه خود را کاهش دهند و انتشار گازهای گلخانه ای خود را کاهش دهند. علاوه بر این، حذف واشرها یک منبع بالقوه انتشار فرار ترکیبات آلی فرار (VOCs) یا سایر سیالات خطرناک را از بین می برد. طول عمر عملیاتی طولانی آنها نیز با کاهش نیاز به تعویض مکرر تجهیزات و اثرات تولید و دفع مرتبط، به پایداری کمک می کند.در تقریباً تمام بخش های ذکر شده در بالا، یکی از تاثیرگذارترین کاربردها، بازیابی گرمای اتلافی است. فرآیندهای صنعتی ذاتاً ناکارآمد هستند و بخش قابل توجهی از انرژی ورودی به صورت گرمای اتلافی در گازهای خروجی، آب خنک کننده یا جریان های محصول داغ دفع می شود. مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده در جذب این انرژی که در غیر این صورت از دست می رود، بسیار موثر هستند.به عنوان مثال، در یک کارخانه فرآوری مواد غذایی، آب گرم از فرآوری گوشت، که اغلب آلوده و مستعد گرفتگی است، می تواند از طریق یک مبدل حرارتی کاملاً جوش داده شده عبور داده شود تا آب تازه ورودی را پیش گرم کند. یک مطالعه موردی مستند نشان داد که چنین تاسیساتی سالانه 1159 گیگاژول گرما بازیابی کرده است که منجر به کاهش 3 میلیون ین ژاپنی در هزینه سوخت دیگ بخار LPG و کاهش 68 تن در انتشار CO2 در سال شده است. به طور مشابه، در صنعت متالورژی، گرما از فرآیندهای نورد گرم یا ذوب می تواند برای گرمایش فضا یا پیش گرم کردن هوای احتراق بازیابی شود، در حالی که در صنعت شیمیایی، گرما از واکنش های گرمازا می تواند برای تولید بخار کم فشار برای سایر قسمت های کارخانه استفاده شود. یک مثال در مقیاس بزرگ از صنعت آلومینیوم تخمین زد که بازیابی گرمای اتلافی از سلول های الکترولیتی می تواند از طریق صرفه جویی در انرژی، میلیون ها ارزش اضافی سالانه ایجاد کند.

مزایای مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده

پذیرش گسترده مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده در چنین طیف وسیعی از کاربردها ناشی از مجموعه ای قانع کننده از مزایای فنی و اقتصادی نسبت به فناوری های جایگزین، مانند مبدل های حرارتی لوله و پوسته سنتی یا صفحه ای با واشر است.

1. عملکرد حرارتی برترترکیب صفحات موج دار و جریان کاملاً مخالف منجر به ضرایب انتقال حرارت فوق العاده بالا می شود. در بسیاری از موارد، ضریب انتقال حرارت یک مبدل حرارتی صفحه ای کاملاً جوش داده شده دو تا چهار برابر بیشتر از یک مبدل حرارتی لوله و پوسته تحت محدودیت های افت فشار یکسان است. این بدان معنی است که برای یک بار حرارتی معین، مساحت انتقال حرارت مورد نیاز - و در نتیجه اندازه فیزیکی واحد - به طور قابل توجهی کوچکتر است. راندمان بالا همچنین امکان نزدیک شدن دمایی بسیار نزدیک (به اندازه 1-2 درجه سانتیگراد) را فراهم می کند و بازیابی حداکثر انرژی و کنترل دقیق دما را امکان پذیر می سازد که هم در شارژ/تخلیه TES و هم در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی حیاتی است.2. قابلیت دمایی و فشاری استثنایی

با حذف واشرها، که معمولاً ضعیف ترین حلقه در یک مبدل حرارتی صفحه ای معمولی هستند، طراحی کاملاً جوش داده شده می تواند شرایط عملیاتی بسیار شدیدتری را تحمل کند. واحدهای استاندارد با واشر معمولاً به دماهای زیر 150-200 درجه سانتیگراد و فشارهای متوسط محدود می شوند. در مقابل، واحدهای کاملاً جوش داده شده می توانند به طور معمول دماهایی را از شرایط برودتی (-195 درجه سانتیگراد یا کمتر) تا 500 درجه سانتیگراد، 538 درجه سانتیگراد، یا حتی 650 درجه سانتیگراد در طرح های تخصصی، و فشارهایی از خلاء کامل تا 40 بار، 8.2 مگاپاسکال، یا بالاتر را مدیریت کنند. این قابلیت کاربردهایی را در تولید برق، پردازش شیمیایی و سیستم های انرژی نسل بعدی که به سادگی برای فناوری واشر در دسترس نیستند، باز می کند. این دامنه عملکرد به آنها اجازه می دهد تا مستقیماً با مبدل های لوله و پوسته رقابت کنند و اغلب از آنها بهتر عمل کنند، که به طور سنتی استاندارد برای وظایف فشار بالا و دمای بالا بوده است.

3. طراحی فشرده و ردپای کمراندمان حرارتی بالای طراحی صفحه مستقیماً به اندازه فیزیکی فشرده ترجمه می شود. برای بار حرارتی قابل مقایسه، یک مبدل حرارتی صفحه ای کاملاً جوش داده شده معمولاً تنها 25% تا 50% از فضای مورد نیاز یک مبدل حرارتی لوله و پوسته را اشغال می کند. این ویژگی صرفه جویی در فضا در سناریوهای متعددی ارزشمند است: نوسازی کارخانه های موجود که فضا محدود است، ساخت ایستگاه های مبدل حرارتی کوچکتر و ارزان تر، ادغام در واحدهای فرآیند مدولار نصب شده روی اسکی، و نصب در فضاهای محدود سکوهای فراساحلی یا کشتی ها. وزن کمتر مرتبط با طراحی فشرده نیز الزامات پشتیبانی سازه را ساده می کند و هزینه های نصب را کاهش می دهد.4. قابلیت اطمینان بالا و نگهداری کمساختار جوش داده شده ذاتاً سطح بالایی از یکپارچگی مکانیکی را فراهم می کند و خطر نشت واشر، منبع رایج خرابی و خرابی برنامه ریزی نشده در مبدل های حرارتی صفحه ای سنتی را از بین می برد. این منجر به یک قطعه تجهیزات بسیار قابل اعتماد می شود که می تواند برای مدت طولانی بدون مداخله کار کند. در کاربردهایی با سیالات تمیز، الزامات نگهداری حداقل است. حتی در خدمات گرفتگی، سطوح صفحه صاف و تلاطم بالا تمایل به مهار رسوب رسوب و زباله دارند. هنگامی که در نهایت تمیز کردن لازم است، بسیاری از طرح های کاملاً جوش داده شده هنوز برای تمیز کردن مکانیکی یا شیمیایی قابل دسترسی هستند، یا اندازه فشرده آنها باعث می شود جداسازی و جابجایی آنها آسان تر باشد. یک مطالعه موردی در یک کارخانه مواد غذایی نشان داد که تغییر به یک طرح کاملاً جوش داده شده، فرکانس نگهداری مورد نیاز را از تقریباً یک بار در هفته به حدود یک بار در ماه کاهش داد و هزینه های نیروی کار و اختلالات عملیاتی را به طور قابل توجهی کاهش داد.5. انعطاف پذیری مواد و مقاومت در برابر خوردگیتوانایی ساخت صفحات انتقال حرارت از طیف گسترده ای از مواد - از فولادهای ضد زنگ استاندارد تا آلیاژهای نیکل بالا، تیتانیوم و سایر فلزات تخصصی - به مهندسان اجازه می دهد تا مواد مبدل حرارتی را به طور دقیق با ماهیت خورنده سیالات فرآیند مطابقت دهند. این عمر عملیاتی تجهیزات را در محیط های شیمیایی، دریایی یا دمای بالا سخت افزایش می دهد و آلودگی محصول را در کاربردهای حساس مانند پردازش مواد غذایی و دارویی جلوگیری می کند. این تطبیق پذیری مواد کلید کاربرد آنها در زمینه هایی مانند انرژی خورشیدی نمک مذاب و تولید هیدروژن است.6. مزایای زیست محیطی و پایداری

با تشدید تمرکز جهان بر بهره وری انرژی، کربن زدایی صنعتی و گسترش انرژی های تجدیدپذیر، نقش مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده تنها اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد. آنها صرفاً اجزا نیستند، بلکه فناوری های توانمندساز برای سیستم های انرژی پیشرفته هستند - از انرژی خورشیدی متمرکز با ذخیره سازی حرارتی و پمپ های حرارتی با راندمان بالا گرفته تا اقتصاد هیدروژن نوظهور و شبکه های بازیابی گرمای اتلافی که می توانند پارک های صنعتی را به مدل هایی از همزیستی انرژی تبدیل کنند. مزایای اثبات شده آنها در قابلیت اطمینان، عملکرد و پایداری تضمین می کند که مبدل های حرارتی کاملاً جوش داده شده همچنان ستون فقرات نوآوری صنعتی و ابزاری حیاتی در گذار جهانی به سمت آینده انرژی کارآمدتر و پایدارتر خواهند بود.