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En un ciclo Brayton de CO₂ supercrítico, un recuperador transfiere el calor de los gases de escape de la turbina al fluido de trabajo comprimido antes del calentamiento externo. Un intercambiador de calor de placas (PCHE) puede resultar atractivo porque combina un núcleo compacto con un diseño apto para servicio a alta presión. Su valor debe evaluarse en función del balance térmico y las pérdidas de presión del ciclo completo.
El ciclo comprime, calienta y expande un fluido de trabajo de CO₂, recuperando parte del calor restante antes de enfriarlo para la siguiente pasada. Dependiendo de la configuración del ciclo, los recuperadores de baja y alta temperatura comparten la tarea de recuperación, mientras que un preenfriador disipa el calor hacia el sumidero disponible.
Estos componentes no tienen condiciones de funcionamiento idénticas. Un recuperador de alta temperatura, un recuperador de baja temperatura y un preenfriador requieren perfiles térmicos, condiciones mecánicas y evaluaciones de materiales diferentes.
Una alta eficacia del recuperador puede reducir el aporte de calor externo necesario para la misma configuración del ciclo. Para lograrlo, puede ser necesario aumentar la superficie o modificar el diseño del canal. Las pérdidas de presión asociadas pueden incrementar el trabajo de compresión o reducir la expansión útil.
Por lo tanto, el objetivo debe ser el rendimiento neto del ciclo, incluyendo el costo, el área y la caída de presión. No basta con maximizar un único coeficiente de intercambiador ni con aplicar una mejora fija de la eficiencia del ciclo a todas las instalaciones de intercambiadores de calor de placas y colectores (PCHE).
Las propiedades del CO₂ pueden variar considerablemente cerca de la región crítica. Un único valor medio de calor específico puede no representar con precisión el comportamiento del intercambiador. El modelo térmico debe evaluar la variación de presión, temperatura y propiedades a lo largo del flujo.
Para un flujo definido, el trabajo se puede expresar comoQ = flujo másico × cambio de entalpíaA modo de ejemplo, se supone que un flujo de 10 kg/s con un cambio de entalpía de 100 kJ/kg transfiere 1000 kW. Este cálculo no corresponde al resultado de una prueba SHPHE ni a un punto de operación del ciclo especificado.
| Decisión | Beneficio solicitado | Compromiso a examinar |
|---|---|---|
| Geometría del canal | Rendimiento de transferencia de calor y área útil | Pérdida de presión, distribución y facilidad de fabricación |
| División de las tareas de recuperación | Recuperar el calor en todo el rango de temperatura del ciclo. | Enfoques locales e interacción entre componentes |
| Material y estructura central | Cumplir con el rango mecánico y de temperatura | Estrés térmico, carga cíclica y cualificación |
| Disposición del preenfriador | Alcanzar la condición de entrada del compresor requerida | Condiciones estacionales de disipación de calor y demanda auxiliar |
El arranque, la parada y los cambios rápidos de carga pueden generar gradientes de temperatura y presiones diferenciales distintas a las del punto de operación estable normal. El diseñador del ciclo debe proporcionar los transitorios necesarios, el número de ciclos y cualquier restricción de rampa para la evaluación del intercambiador.
Elintercambiador de calor de circuito impreso (PCHE)Los límites superiores publicados para la familia de productos no garantizan que todas las aleaciones y geometrías propuestas puedan operar simultáneamente en ambos extremos. El equipo suministrado requiere un rango de presión y temperatura definido y cualificado.
Proporcione el esquema de flujo del ciclo, la composición de las corrientes, las tablas de casos de operación, la base de entalpía o propiedades, los límites de caída de presión y el rendimiento térmico objetivo. Incluya perfiles transitorios, requisitos de vida útil de diseño y el espacio disponible y el peso máximo permitido.
SHPHE puede utilizar estos datos para evaluar las opciones de canal y núcleo. La propuesta de intercambiador resultante debe evaluarse dentro del modelo de ciclo, donde su capacidad recuperada y las pérdidas de presión se pueden traducir en la producción neta y la rentabilidad del proyecto.
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