Часть 1. Теплоутилизирующие устройства
Использование тепла отходящих дымовых газов
технологических печей.
Технологические печи являются крупнейшими потребителями энергии на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, в металлургии, а также во многих других отраслях промышленности. На НПЗ в них сжигается 3 – 4 % от всей перерабатываемой нефти.
Средняя температура дымовых газов на выходе из печи, как правило, превышает 400 °С. Количество теплоты, уносимой с дымовыми газами, составляет 25 –30 % от всей теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Поэтому утилизация тепла уходящих дымовых газов технологических печей приобретает исключительно большое значение.
При температуре дымовых газов выше 500 °С следует применять котлы-утилизаторы – КУ.
При температуре дымовых газов менее 500 °С рекомендуется применять воздухоподогреватели – ВП.
Наибольший экономический эффект достигается при наличии двухагрегатной установки, состоящей из КУ и ВП (в КУ газы охлаждаются до 400 °С и поступают в воздухоподогреватель на дальнейшее охлаждение) – чаще применяется на нефтехимических предприятиях при высокой температуре дымовых газов.
Котлы-утилизаторы.
В КУ теплота дымовых газов используется для получения водяного пара. КПД печи повышается на 10 – 15.
Котлы-утилизаторы могут выполняться встроенными в конвекционную камеру печи, или выносными.
Выносные котлы утилизаторы делятся на два типа:
1) котлы газотрубного типа;
2) котлы пакетно-конвективного типа.
Выбор требуемого типа осуществляется в зависимости от требуемого давления получаемого пара. Первые используют при выработке пара относительно низкого давления – 14 – 16 атм., вторые – для выработки пара давлением до 40 атм. (однако они рассчитаны на начальную температуру дымовых газов около 850 °С).
Давление вырабатываемого пара необходимо выбирать с учетом того, потребляется ли весь пар на самой установке или же имеется избыток, который необходимо выводить в общезаводскую сеть. В последнем случае давление пара в барабане котла необходимо принимать в соответствии с давлением пара в общезаводской сети с тем, чтобы выводить избыток пара в сеть и избегать неэкономичного дросселирования при выводе его в сеть низкого давления.
Котлы-утилизаторы газотрубного типа конструктивно напоминают теплообменники «труба в трубе». Дымовые газы пропускаются через внутреннюю трубу, а водяной пар вырабатывается в межтрубном пространстве. Несколько таких устройств располагается параллельно.
Котлы-утилизаторы пакетно-конвективного типа имеют более сложную конструкцию. Принципиальная схема работы КУ этого типа приведена на рис. 5.4.
Здесь используется естественная циркуляция воды и представлена наиболее полная конфигурация КУ с экономайзером и пароперегревателем.
Принципиальная схема работы котла-утилизатора
пакетно-конвективного типа
Химочищенная вода (ХОВ) поступает в колонну-деаэратор для удаления растворенных в ней газов (главным образом кислорода и диоксида углерода). Вода стекает по тарелкам вниз, а навстречу ей противотоком пропускается небольшое количество водяного пара. Вода нагревается паром до 97 – 99 °С и за счет снижения растворимости газов с повышением температуры основная их часть выделяется и отводится сверху деаэратора в атмосферу. Пар, отдавая свое тепло воде, конденсируется. Деаэрированная вода снизу колонны забирается насосом и им нагнетается необходимое давление. Вода пропускается через змеевик экономайзера, в котором подогревается почти до температуры кипения воды при заданном давлении, и поступает в барабан (паросепаратор). Вода в паросепараторе имеет температуру, равную температуре кипения воды при заданном давлении. Через змеевики выработки пара вода циркулирует за счет разности плотностей (естественная циркуляция). В этих змеевиках часть воды испаряется, и парожидкостная смесь возвращается в барабан. Насыщенный водяной пар отделяется от жидкой фазы и отводится сверху барабана в змеевик пароперегревателя. В пароперегревателе насыщенный пар перегревается до нужной температуры и отводится потребителю. Часть полученного пара используется для деаэрации питательной воды.
Надежность и экономичность работы КУ в значительной степени зависит от правильной организации водного режима. При неправильной эксплуатации интенсивно образуется накипь, протекает коррозия поверхностей нагрева, происходит загрязнение пара.
Накипь – это плотные отложения, образующиеся при нагреве и испарении воды. Вода содержит гидрокарбонаты, сульфаты и другие соли кальция и магния (соли жесткости), которые при нагревании преобразуются в бикарбонаты и выпадают в осадок. Накипь, имеющая на несколько порядков меньшую, чем металл, теплопроводность, приводит к снижению коэффициента теплопередачи. За счет этого снижается мощность теплового потока через поверхность теплообмена и, естественно, снижается эффективность работы КУ (уменьшается количество вырабатываемого пара). Температура отводимых из КУ дымовых газов возрастает. Кроме того, происходит перегрев змеевиков и их повреждение вследствие снижения несущей способности стали.
Для предупреждения образования накипи в качестве питательной воды используют предварительно химочищенную воду (можно брать на ТЭС). Помимо этого производится непрерывная и периодическая продувка системы (удаление части воды). Продувка предупреждает рост концентрации солей в системе (вода постоянно испаряется, а содержащиеся в ней соли – нет, поэтому концентрация солей растет). Непрерывная продувка котла составляет обычно 3 – 5 % и зависит от качества питательной воды (не должна превышать 10 %, так как с продувкой связана потеря тепла). При эксплуатации КУ высокого давления, работающих с принудительной циркуляцией воды, дополнительно применяют внутрикотловое фосфатирование. При этом катионы кальция и магния, входящие в состав образующих накипь сульфатов, связываются с фосфатными анионами, образуя соединения малорастворимые в воде и выпадающие в толще водяного объема котла, в виде легко удаляемого при продувке шлама.
Растворенные в питательной воде кислород и углекислый газ вызывают коррозию внутренних стенок котла, причем скорость коррозии возрастает с повышением давления и температуры. Для удаления газов из воды применяют термическую деаэрацию. Также мерой защиты против коррозии является поддержание такой скорости в трубах, при которой пузырьки воздуха не могут удерживаться на их поверхности (выше 0,3 м/с) .
В связи с повышением гидравлического сопротивления газового тракта и снижением силы естественной тяги возникает необходимость установки дымососа (искусственная тяга). При этом температура дымовых газов не должна превышать 250 °С во избежание разрушения этого аппарата. Но чем ниже температура отводимых дымовых газов, тем более мощный необходимо иметь дымосос (растет потребление электроэнергии).
Срок окупаемости КУ обычно не превышает одного года.
Воздухоподогреватели. Используются для подогрева воздуха, подаваемого в печь на сжигание топлива. Подогрев воздуха позволяет снизить расход топлива в печь (КПД повышается на 10 – 15 %).
Температура воздуха после воздухоподогревателя может достигать 300 – 350 °С. Это способствует улучшению процесса горения, повышению полноты сгорания топлива, что является очень важным преимуществом при использовании высоковязких жидких топлив.
Также преимуществами воздухоподогревателей по сравнению с КУ является простота их конструкции, безопасность эксплуатации, отсутствие необходимости устанавливать дополнительное оборудование (деаэраторы, насосы, теплообменники и т. д.). Однако воздухоподогреватели при действующем соотношении цен на топливо и на водяной пар оказываются менее экономичными, чем КУ (цена на пар у нас очень высокая – в 6 раз выше за 1 ГДж). Поэтому выбирать способ утилизации тепла дымовых газов нужно, исходя из конкретной ситуации на данной установке, предприятии и т. д.
Применяются воздухоподогреватели двух типов: 1) рекуперативные (передача тепла через стенку); 2) регенеративные (аккумулирование тепла).
Часть 2. Утилизация тепла вентиляционных выбросов
На отопление и вентиляцию производственных и коммунально-бытовых зданий и сооружений расходуется большое количество теплоты. Для отдельных отраслей промышленности (в основном легкая промышленность) эти расходы достигают 70 – 80 % и более от общей потребности в тепловой энергии. На большинстве предприятий и организаций теплота удаляемого воздуха от систем вентиляции и кондиционирования не используется.
Вообще, вентиляция используется очень широко. Системы вентиляции сооружаются в квартирах, общественных заведениях (школах, больницах, спортклубах, бассейнах, ресторанах), производственных помещениях и т. д. Для различных целей могут применяться различные типы вентиляционных систем. Обычно, если объем воздуха, который должен заменяться в помещении в единицу времени (м 3 /ч), невелик, то применяется естественная вентиляция . Такие системы реализованы в каждой квартире и большинстве общественных учреждений и организаций. При этом используется явление конвекции – нагретый воздух (имеет пониженную плотность) уходит через вентиляционные отверстия и отводится в атмосферу, а на его место, через неплотности в окнах, дверях и т. д., подсасывается свежий холодный (более высокой плотности) воздух с улицы. При этом неизбежны потери тепла, так как на подогрев поступающего в помещение холодного воздуха необходим дополнительный расход теплоносителя. Поэтому применение даже самых современных теплоизоляционных конструкций и материалов при строительстве не может полностью устранить тепловые потери. В наших квартирах 25 – 30 % тепловых потерь связано именно с работой вентиляции, во всех остальных случаях эта величина гораздо выше.
Системы принудительной (искусственной) вентиляции применяются при необходимости интенсивного обмена больших объемов воздуха, что обычно связано с предупреждением роста концентрации опасных веществ (вредных, токсичных, пожаровзрывоопасных, имеющих неприятный запах) в помещении. Принудительная вентиляция реализуется в производственных помещениях, на складах, в хранилищах с/х продуктов и т. д.
Используются системы принудительной вентиляции трех типов :
Приточная система состоит из воздуходувки, нагнетающей свежий воздух в помещение, приточного воздуховода и системы равномерного распределения воздуха в объеме помещения. Избыточный объем воздуха при этом вытесняется через неплотности в окнах, дверях и т. д.
Вытяжная система состоит из воздуходувки, откачивающей воздух из помещения в атмосферу, вытяжного воздуховода и системы для равномерного отвода воздуха из объема помещения. Свежий воздух в этом случае подсасывается в помещение сквозь различные неплотности или специальные системы подвода.
Комбинированные системы представляют собой совмещенные приточно-вытяжные системы вентиляции. Используются, как правило, при необходимости очень интенсивного обмена воздуха в крупных помещениях; при этом потребление тепла на подогрев свежего воздуха максимально.
Применение систем естественной вентиляции и отдельных систем вытяжной и приточной вентиляции не позволяет использовать тепло отводимого воздуха для подогрева свежего воздуха, поступающего в помещение. При эксплуатации же комбинированных систем существует возможность утилизации тепла вентиляционных выбросов для частичного подогрева приточного воздуха и снижения потребления тепловой энергии. В зависимости от разности температур воздуха в помещении и на улице расход тепла на подогрев свежего воздуха может быть снижен на 40 – 60 %. Подогрев может осуществляться в регенеративных и рекуперативных теплообменниках. Первые предпочтительнее, так как имеют меньшие габариты, металлоемкость и гидравлическое сопротивление, обладают большей эффективностью и продолжительным сроком службы (20 – 25 лет).
Воздуховоды подводятся к теплообменным аппаратам, и тепло передается напрямую от воздуха к воздуху через разделяющую стенку или аккумулирующую насадку. Но в некоторых случаях существует необходимость в разносе приточного и вытяжного воздуховодов на значительное расстояние. В таком случае может быть реализована схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем. Пример работы такой системы при температуре в помещении 25 °С и температуре окружающей среды – 20 °С показан на рис. 5.5.
Схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем:
1 – вытяжной воздуховод; 2 – приточный воздуховод; 3,4 – оребренные
трубчатые змеевики; 5 – трубопроводы циркуляции промежуточного теплоносителя
(в качестве промежуточного теплоносителя в таких системах обычно используются концентрированные водные растворы солей – рассолы); 6 – насос; 7 – змеевик для
дополнительного подогрева свежего воздуха водяным паром или горячей водой
Система работает следующим образом. Теплый воздух (+ 25 °С) из помещения выводится по вытяжному воздуховоду 1 через камеру, в которой установлен оребренный змеевик 3 . Воздух омывает наружную поверхность змеевика и передает тепло холодному промежуточному теплоносителю (рассолу), протекающему внутри змеевика. Воздух охлаждается до 0 °С и выбрасывается в атмосферу, а подогретый до 15 °С рассол по трубопроводам циркуляции 5 поступает в камеру подогрева свежего воздуха на приточном воздуховоде 2 . Здесь промежуточный теплоноситель отдает тепло свежему воздуху, подогревая его от – 20 °С до + 5 °С. Сам промежуточный теплоноситель при этом охлаждается от + 15 °С до – 10 °С. Охлажденный рассол поступает на прием насоса и снова возвращается в систему на рециркуляцию.
Свежий приточный воздух, подогретый до + 5 °С, может сразу вводиться в помещение и подогреваться до требуемой температуры (+ 25 °С) с помощью обычных радиаторов отопления, а может подогреваться непосредственно в вентиляционной системе. Для этого на приточном воздуховоде устанавливается дополнительная секция, в которой размещается оребренный змеевик. Внутри трубок протекает горячий теплоноситель (теплофикационная вода или водяной пар), а воздух омывает наружную поверхность змеевика и нагревается до + 25 °С, после этого теплый свежий воздух распределяется в объеме помещения.
Применение такого способа обладает рядом преимуществ. Во-первых, вследствие высокой скорости воздуха в секции подогрева, значительно (в несколько раз) повышается коэффициент теплопередачи по сравнению с обычными радиаторами отопления. Это приводит к существенному снижению общей металлоемкости системы отопления – снижению капитальных затрат. Во-вторых, помещение не загромождается радиаторами отопления. В-третьих, достигается равномерное распределение температур воздуха в объеме помещения. А при использовании радиаторов отопления в крупных помещениях сложно обеспечить равномерный прогрев воздуха. В локальных областях воздух может иметь температуру существенно выше или ниже нормы.
Единственный недостаток – несколько повышается гидравлическое сопротивление воздушного тракта и расход электроэнергии на привод приточной воздуходувки. Но преимущества настолько значительны и очевидны, что предварительный подогрев воздуха непосредственно в вентиляционной системе можно рекомендовать в подавляющем большинстве случаев.
Для того, чтобы обеспечить возможность утилизации тепла в случае использования систем приточной или вытяжной систем вентиляции в отдельности, необходимо организовать централизованный соответственно отвод или подвод воздуха через специально смонтированные воздуховоды. При этом необходимо устранить все щели и неплотности, чтобы исключить неуправляемый выдув, или подсос воздуха.
Системы теплообмена между удаляемым из помещения воздухом и свежим можно использовать не только для подогрева приточного воздуха в холодное время года, но и для охлаждения его летом, если помещение (офис) оборудовано кондиционерами. Охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды всегда связано с высокими затратами энергии (электроэнергии). Поэтому снизить расход электроэнергии на поддержание комфортной температуры в помещении в жаркое время года можно предварительным охлаждением свежего воздуха, отводимым холодным воздухом.
Тепловые ВЭР.
К тепловым ВЭР относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых ВЭР используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте. Тепловые ВЭР могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41 %, а рассеиваемая теплота – 59 %. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора. Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (с температурой носителя выше 500 °С), среднетемпературные (при температурах от 150 до 500 °С) и низкотемпературные (при температурах ниже 150 °С). При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.
Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.
Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.
Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный - внутри трубок. Движение потоков перекрестное.
Рис. Теплообменники:
а - пластинчатый утилизатор;
б - утилизатор ТКТ;
в - вращающийся;
г - рекуперативный;
1 - корпус; 2 - приточный воздух; 3 - ротор; 4 - сектор продувной; 5 - вытяжной воздух; 6 - привод.
С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха.
Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха.
Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:
- предварительного нагрева приточного воздуха до положительной температуры;
- создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху;
- увеличения расхода теплоносителя в циркуляционном контуре;
- подогрева промежуточного теплоносителя.
Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков.
Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху:
- устраивают обводной канал;
- предварительно подогревают приточный воздух;
- изменяют частоту вращения насадки регенератора.
В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале.
В системе кондиционирования воздуха теплоту удаляемого воздуха из помещений можно утилизировать двумя способами:
· Применяя схемы с рециркуляцией воздуха;
· Устанавливая утилизаторы теплоты.
Последний способ, как правило, применяют в прямоточных схемах систем кондиционирования воздуха. Однако использование утилизаторов теплоты на исключается и в схемах с рециркуляцией воздуха.
В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяется самое разнообразное оборудование: нагреватели, увлажнители, различные виды фильтров, регулируемые решетки и многое другое. Все это необходимо для достижения требуемых параметров воздуха, поддержания или создания комфортных условий для работы в помещении. На обслуживание всего этого оборудования требуется достаточно много энергии. Эффективным решением сбережения энергии в системах вентиляции становятся теплоутилизаторы. Основной принцип их работы – нагрев потока воздуха, подаваемого в помещение, с использованием теплоты потока, удаляемого из помещения. При использовании теплоутилизатора требуется меньшая мощность калорифера на подогрев приточного воздуха, тем самым уменьшается количество энергии, необходимое для его работы.
Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть произведена посредством утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации. При этом можно отметить четыре типа систем утилизации, о которых уже упоминалось: вращающиеся регенераторы; теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники. Вращающийся регенератор в системе кондиционирования воздуха может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4-8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.
Теплообменник с промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.
Простой воздушный теплообменник представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность. Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теплоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором - их надежность. Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.
При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы:
· Среда- источник тепловой энергии;
· Среда- потребитель тепловой энергии;
· Теплоприемник- теплообменник, воспринимающий тепло от источника;
· Теплопередатчик- теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю;
· Рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю.
В регенеративных и воздуховоздушных (воздухожидкостных) рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.
Примеры применения.
1. Подогрев воздуха в системах воздушного отопления.
Калориферы предназначены для быстрого нагрева воздуха с помощью водяного теплоносителя и равномерного его распределения с помощью вентилятора и направляющих жалюзи. Это хорошее решение для строительства и производственных цехов, где требуется быстрый нагрев и поддержание комфортной температуры только в рабочее время (в это же время, как правило, работают и печи).
2. Нагрев воды в системе горячего водоснабжения.
Применение теплоутилизаторов позволяет сгладить пики потребления энергии, так как максимальное потребление воды приходится на начало и конец смены.
3. Подогрев воды в системе отопления.
Закрытая система
Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. Таким образом, отсутствует риск его загрязнения.
Открытая система. Теплоноситель нагревается горячим газом, а затем отдает тепло потребителю.
4. Подогрев дутьевого воздуха, идущего на горение. Позволяет сократить потребление топлива на 10%–15%.
Подсчитано, что основным резервом экономии топлива при работе горелок для котлов, печей и сушилок является утилизация теплоты отходящих газов путем нагрева воздухом сжигаемого топлива. Рекуперация тепла отходящих дымовых газов имеет большое значение в технологических процессах, поскольку тепло, возвращенное в печь или котел в виде подогретого дутьевого воздуха, позволяет сократить потребление топливного природного газа до 30 %.
5. Подогрев топлива, идущего на горение с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев мазута до 100˚–120˚ С.)
6. Подогрев технологической жидкости с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев гальванического раствора.)
Таким образом, теплоутилизатор – это:
Решение проблемы энергоэффективности производства;
Нормализация экологической обстановки;
Наличие комфортных условий на вашем производстве – тепла, горячей воды в административно-бытовых помещениях;
Уменьшение затрат на энергоресурсы.
Рисунок 1.
Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение
Список использованной литературы.
1. Караджи В. Г., Московко Ю.Г.Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования. Руководство - М., 2004
2. Еремкин А.И, Бызеев В.В. Экономика энергоснабжения в системах отопления, венталиции и кондиционирования воздаха. Издателество Ассоциации строительных вузов М., 2008.
3. Сканави А. В., Махов. Л. М. Отопление. Издательство АСВ М., 2008
Предыстория развития
Тепло воздуха, который удаляется в атмосферу, является источником экономии энергоресурсов. Не секрет, что на подогрев воздуха, который поступает в здание расходуется 40…80% теплозатрат. Поэтому идея подогрева свежего воздуха за счет отработанного не нова. Еще в Советском Союзе непрерывно велись работы по созданию установок, которые бы позволяли использовать тепловую энергию вытяжного воздуха. Но к сожалению результаты этих исследований использовались только в специальных проектах (промышленного, оборонного назначения, научного значения).
За границей причиной применения, обуславливающей начало применения подобных установок, стал первый энергетический кризис. При этом, устройства утилизации тепловой энергии удаляемого воздуха, изначально проектировались для использования в многоквартирных жилых домах и коттеджах. Как следствие этого, сегодня воздушное отопление повсеместно применяется в Канаде и ближайших к ней штатах США. Так в Канаде не применяются вовсе водяные системы отопления.
В России утилизаторы тепла массово начали применяться с началом активного малоэтажного строительства, когда у частных застройщиков начал появляться интерес к энергоэффективному, энергосберегающему оборудованию.
Применение электроэнергии для отопления
Использование вентиляционной отопительной техники подразумевает применение электроэнергии для отопления. До недавнего времени применение электроэнергии для отопления было запрещено законодательно. Это связано с политикой экономии энергии, проводимой в Советском Союзе. Со времени распада Советского Союза многое изменилось.
В настоящее время, когда начинают применяться новые материалы и осваиваться новые технологии, мнение специалистов о допустимости применения электроэнергии для отопления начинает меняться. Ввод в действие 2000 года новых норм, которые требуют улучшения теплозащиты жилых зданий, способствует этому. Согласно новых норм, нормируемые потери тепла через наружные стены сокращаются в 2,5–3,0 раза по сравнению с нормами 1995 г.
В будущем нормы по теплозащите и энергоэффективности будут только ужесточаться. В этих условиях исчезнет само понятие инфильтрации воздуха, помещения будут герметичными. В таких условиях применению устройств утилизации тепла откроются самые широкие перспективы.
Существующие виды рекуператоров
Настоящая номенклатура утилизаторов тепла очень разнообразна. Но все разнообразие можно свести к следующим типам: а) кожухотрубные и пластинчатые теплообменники, в том числе, перекрёстноточные; б) роторные (регенеративные); в) тепловые насосы с промежуточным рабочим телом. Возможности большинства современных устройств позволяют утилизировать и использовать для подогрева подаваемого в помещения воздуха только 60% тепла отработанного воздуха. Для объектов с небольшим объемом здания для того, чтобы установка утилизатора тепла окупилась необходимо, чтобы эта цифра составляла 90 %.
Перспективное направление развития утилизаторов тепла
Увеличить КПД утилизаторов тепла позволяет применение описанного ниже метода. Как известно, теплоемкость воды наибольшая по сравнению с другими жидкостями. Теплоёмкость воздуха в 4,5 раза ниже теплоёмкости воды. На использовании воды основана технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде. Для того чтобы увеличить скорость передачи тепла от удаляемого воздуха этот воздух специальным образом пропускают через воду, создавая пузырьки размером с микрон.
Скорость передачи тепла увеличивается так как микронных размеров пузырьки разрушают термическое сопротивления поверхностного слоя воды. Применение технологии технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде позволит использовать 90-95% тепла удаляемого воздуха. Важно, что рекуператор, построенный по указанной технологии, имеет минимальное число деталей, минимальные размеры, он прост в эксплуатации.
Способы применения утилизаторов тепла
- Первый способ – применение теплоутилизатора рекуперативного типа. При этом имеет место частичный подогрев подаваемого в помещение воздуха.
- Второй способ – утилизация теплоты с помощью тепловых насосов.
- Третий способ – использование тепла уходящего воздуха для подогрева поступающей воды. Система включает в себя значительного габарита водонагреватели и аккумуляторы подогретой воды.
Современное положение дел в России по рассматриваемому вопросу
Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» предписано снизить энергоемкость инженерных систем здания. Стоит задача к 2020 году снизить энергоемкость ВВП на 40% к уровню 2007 года. Такая тенденция на увеличение энергоэффективности, улучшение теплозащиты повсеместна.
Постановлением Правительства Москвы № 900 от 5 октября 2010 года «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве…», установлен уровень энергопотребления, обеспечить невозможно без утилизации тепла.
Российская Федерация, вступив в ВТО, обязалась привести цены на энергоносители для внутренних потребителей к уровню мировых цен. Во всем мире вопросы энергоэффективности, а как следствие вопросы утилизации тепла стоят очень остро. Правительства стран вводят в действие и добиваются исполнения программ по улучшению энергоэффективности. Поэтому с ростом внутренних цен на энергоносители неизбежно будет расти интерес к установкам по утилизации тепла
В «русской печи» нагревался приточный воздух, с помощью этого прогревалось жилое помещение. В Европе систему отопления, где как в русской печи предусматривались каналы, называли «русской». Этим признана большая эффективность русской печи в сравнении с европейским отоплением. В настоящее время можно говорить о необходимости вернуться к истокам в вопросах отопления.
Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией
Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.
В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.
Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.
Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .
В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.
Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.
Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.
В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .
Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).
Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.
В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.
При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.
Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.
Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.
В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.
Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.
В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.
Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.
Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.
Выводы
Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:
- на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
- установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
- анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.
Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.
