Dynamika wymienników ciepła i niestabilności w obiegu ORC

Z zagadnieniami odparowania czynników niskowrzących w parowniku mikrosiłowni związane są zagadnienia dynamiki i stabilności hydrodynamiczno-termicznej kanału rekuperatora-parownika, jak też i parownika pary jako całości [1÷4]. Niestabilność przepływu dwufazowego w kanale, w którym odparowuje czynnik wiąże się z wystąpieniem wahań ciśnienia i natężenia przepływu. Zbyt duże wahania ciśnienia są groźne. Mogą powodować deformację ścianek kanału, a w konsekwencji i awarię parownika. Towarzyszące pulsacjom ciśnienia, zmiany natężenia przepływu, mogą z kolei powodować kryzysy form wrzenia, co w rezultacie powoduje obniżenie efektywności wymiany ciepła w rekuperatorze. Niestabilność przepływu pary produkowanej przez parownik może prowadzić do niestabilnej pracy turbiny pracującej na ten czynnik. Stąd też zagadnienie stabilności lokalnej (przepływu w kanale, w którym odparowuje czynnik) jak i ogólnej parownika jako całości, jest ważne dla projektantów parowników mikrosiłowni. Zagadnienie stabilności przepływu dwufazowego w kanale odparowującym czynnik było analizowane w literaturze przedmiotu w aspekcie kotłów parowych. Analiza opierała się o badania charakterystyki hydraulicznej kanału. Stwierdzono, że przyczyną niestabilności przepływu w kanale jest niejednoznaczność charakterystyki spadku ciśnienia w kanale w zależności od zmian natężenia przepływu. Początkowo sądzono, że wystarczy usunąć tę niejednoznaczność, aby zapewnić stabilny przepływ, jednakże jak wykazały późniejsze badania eksperymentalne, tą drogą nie uniknie się niestabilności przepływu typu periodycznego [1÷4]. Niemniej wydaje się, że wstępne rozpatrzenie charakterystyki hydraulicznej kanału będącej źródłem niestabilności, ze względu na prostotę zagadnienia jest uzasadnionym. Takie badanie jest proste i w przypadku stwierdzenia niejednoznaczności charakterystyki hydraulicznej kanału, pozwala na uniknięcie pracochłonnego badania dynamiki układu. Proces wrzenia w przepływie jest złożony. Występuje w nim szereg skomplikowanych zjawisk. Równania dynamiki, jak też i własności czynnika są silnie nieliniowe. W pracy przedstawiono prosty hydrauliczny model pozwalający na analizę niestabilności przepływu. Model taki może służyć do zaprojektowania układu regulacji w mikrosiłowni ORC.

Instability of the twophase flow in a channel where the fluid evaporates is related to occurrence of pressure and flow rate variations. Too excessive variations of pressure may be dangerous as they can lead to deformation of channel walls and in consequence to the breakdown of the evaporator. Changes of mass flow rate, which accompany the pressure pulsations can, on the other hand, lead to boiling crisis, which would reflect in reduced rates of heat exchange in the evaporator. Instabilities of produced in evaporator can lead also to the unstable operation of turbine. Therefore the issue of local and overall stability is of significant importance to the designers of micro CHP systems. The issue of stability of two-phase flow in a channel where reagent evaporates was analyzed in the literature in terms of steam boilers. The analysis was based on studies of hydraulic characteristics of the channel. It was found that the cause of instability of flow in channel is the ambiguity of the characteristics of pressure drop in the channel, depending on changes in flow rate. Initially it was thought that removal this ambiguity would ensure that the flow is stable, however, later experimental studies showed, periodic flow instability cannot be avoided this way. The process of boiling in the flow is complex. It includes a number of complex phenomena. The equations of dynamics, as well as medium properties are highly nonlinear. The paper presents a simple hydraulic model enabling analysis of the system stability and propagation of disturbances induced by a step change of the flow rate. The proposed model can serve in design of the system of control of micro heat exchangers of the micro CHP. The works on implementation of the algorithm and control of operation of the real system are underway.