Em um ciclo Brayton de CO₂ supercrítico, um recuperador transfere calor dos gases de escape da turbina para o fluido de trabalho comprimido antes do aquecimento externo. Um trocador de calor de placas (PCHE) pode ser atraente por combinar um núcleo compacto com um projeto adequado para operação em alta pressão. Seu valor deve ser avaliado considerando o balanço térmico e as perdas de pressão de todo o ciclo.
O ciclo comprime, aquece e expande um fluido de trabalho de CO₂, recuperando parte do calor restante antes de resfriar o fluido para a próxima passagem. Dependendo da configuração do ciclo, recuperadores de baixa e alta temperatura compartilham a tarefa de recuperação, enquanto um pré-resfriador rejeita calor para o dissipador disponível.
Esses componentes não possuem condições de operação idênticas. Um recuperador de alta temperatura, um recuperador de baixa temperatura e um pré-resfriador requerem perfis térmicos, condições mecânicas e avaliações de materiais distintos.
Uma alta eficiência do recuperador pode reduzir a entrada de calor externa necessária para a mesma configuração de ciclo. Para atingir esse objetivo, pode ser necessário aumentar a área de superfície ou projetar os canais de forma diferente. As perdas de pressão associadas podem aumentar o trabalho de compressão ou reduzir a expansão útil.
O objetivo deve, portanto, ser o desempenho líquido do ciclo, incluindo custo, área e perda de carga. Não basta maximizar um único coeficiente de trocador de calor ou aplicar uma melhoria fixa na eficiência do ciclo a todas as instalações de trocadores de calor de placas.
As propriedades do CO₂ podem variar substancialmente perto da região crítica. Um único valor médio de calor específico pode não representar o trocador com precisão. O modelo térmico deve avaliar a variação relevante de pressão, temperatura e propriedades ao longo do percurso do fluxo.
Para um fluxo definido, o tempo de serviço pode ser expresso comoQ = fluxo de massa × variação de entalpiaA título de exemplo, um fluxo de 10 kg/s com uma variação de entalpia de 100 kJ/kg transfere 1.000 kW. Este cálculo não representa um resultado de teste SHPHE nem um ponto de operação específico do ciclo.
| Decisão | Benefício solicitado | Análise da relação custo-benefício |
|---|---|---|
| Geometria do canal | Desempenho de transferência de calor e área útil | Perda de pressão, distribuição e capacidade de fabricação |
| Divisão de serviço do recuperador | Recuperar calor em toda a faixa de temperatura do ciclo. | Abordagens locais e interação entre componentes |
| Material e estrutura central | Atenda aos requisitos mecânicos e de temperatura. | Estresse térmico, carregamento cíclico e qualificação |
| Configuração do pré-resfriador | Atingir a condição de entrada do compressor necessária | Condições sazonais de dissipação de calor e demanda auxiliar |
A partida, a parada e as rápidas variações de carga podem gerar gradientes de temperatura e pressões diferenciais diferentes do ponto de operação normal e estável. O projetista do ciclo deve fornecer os transientes necessários, o número de ciclos e quaisquer restrições de rampa para a avaliação do trocador de calor.
Otrocador de calor de circuito impresso (PCHE)Os limites superiores publicados para a família de produtos não comprovam que todas as ligas e geometrias propostas possam operar simultaneamente em ambos os extremos. O equipamento fornecido requer uma faixa de pressão e temperatura definida e qualificada.
Forneça o esquema de fluxo do ciclo, as composições das correntes, as tabelas de casos operacionais, a base de entalpia ou propriedade, os limites de perda de carga e o desempenho térmico alvo. Inclua perfis transientes, requisitos de vida útil do projeto e o envelope de espaço e peso disponíveis.
A SHPHE pode usar esses dados para avaliar as opções de canal e núcleo. A proposta de trocador de calor resultante deve ser avaliada dentro do modelo de ciclo, onde sua capacidade recuperada e as perdas de pressão podem ser convertidas na produção líquida e na viabilidade econômica do projeto.
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