余热回收与发电设备结构设计原理

工业余热回收与发电设备，是将废弃热能转化为电能的系统。其核心设计原理是 “温度对口、梯级利用” ，即通过专门的结构设计，将不同品位（温度）的余热资源与合适的热力循环系统相匹配，大化热能利用率。

一、 按热源品位分级设计的技术路径

设备结构完全取决于热源特性，主流技术路线可分为三类：

1. 高温余热（>400℃）：蒸汽动力循环系统
   其核心是 “余热锅炉+蒸汽轮机” 。结构设计围绕 “换热” 与 “蒸汽做功” 展开。

   • 余热锅炉：采用特殊的 “热管式”或“烟道式” 结构，利用翅片管等强化换热技术，在有限空间内大化回收烟气热量。其汽包、蒸发器、过热器的布置必须匹配烟气温度曲线，防止局部低温腐蚀。

   • 汽轮机：根据蒸汽参数（压力、温度、流量）选择 “凝汽式”或“背压式” 。凝汽式机组尾部设计有大型冷凝器，形成高真空以增大蒸汽做功能力，结构复杂但效率高；背压式机组结构相对简单，排汽可供生产使用。

2. 中温可燃废气（如焦炉煤气）：燃气内燃机系统
   针对富含氢气、一氧化碳等成分的废气，其核心是 “燃气净化+内燃发电” 。

   • 前端需集成精细的 “过滤、冷却、稳压” 预处理模块，确保燃气洁净稳定。

   • 内燃机本体需进行 “稀薄燃烧” 等抗爆震结构改造，以适应低热值、高氢气的燃料特性。其缸体、活塞及点火系统都经过特殊设计，确保在恶劣气源下稳定运行。

3. 中低温余热（80℃-300℃）：有机朗肯循环系统
   这是回收低品位热源的关键技术，其原理是用低沸点有机物替代水。

   • 蒸发器：采用 “壳管式”或“板式” 结构，是系统的心脏。其流道设计需精细匹配有机工质（如R245fa）的相变特性，实现蒸发。

   • 透平膨胀机：是能量转换核心，多采用 “向心式” 结构，以适应有机工质小流量、大焓降的特性。其密封系统至关重要，防止工质泄漏。

   • 工质泵与冷凝器：确保工质在闭式循环中稳定回流与冷凝，结构紧凑，常集成于撬装模块内。

二、 结构设计的通用核心原则

无论采用何种技术路径，的设计均遵循以下原则：

1. 大化换热效率：通过优化流道设计、采用传热表面（如翅片管）和合理布置受热面，小化“端差”（即热源出口温度与工质进口温度的差值），榨取每一份热量。

2. 应对严苛工况：高温部分需选用耐热合金，并考虑 “热膨胀应力” 的消除结构（如采用膨胀节）；处理腐蚀性烟气时，换热面需采用防腐涂层或特殊材料。

3. 系统集成与智能化：现代设备趋向撬装模块化设计，便于安装。同时，结构上集成大量温度、压力传感器，与控制系统联动，实现自适应运行，在热源波动时仍保持。

总结而言，余热发电设备的结构是其热力循环原理的物理实现。从高温燃气到低温热水，每一种热源都对应着一种优的结构化能量提取方案。设计的精髓在于深刻理解热源特性，并为之“量身定制”一套从吸热、转化到发电的精密机械系统，终将废弃的热能“无中生有”地转化为宝贵的电力。