Лекции 7. Вторичные энергетические ресурсы. Лекция Вторичные энергетические ресурсы
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Теплообменные аппараты для утилизации высокотемпературных ВЭР К высокотемпературным ВЭР в промышленности относят дымовые газы с температурой выше 600 С, которые покидают рабочее пространство огнетехнических агрегатов и по- этому уносят с собой значительное количество тепла. Основными источниками данных ВЭР являются черная и цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, промышленность строительных материалов, стекловаренная промышленность и т.д. Потери тепла с уходящими газами таких агрегатов могут составлять 20 – 80%. Утилизация теплоты уходящих газов принципиально может выполняться двумя способами: с возвратом отобранного тепла у газов на вход в данный агрегат (ВЭР внутреннего использования) и без возврата (ВЭР внешнего использования). Для утилизации этих ВЭР широко используются разнообразные теплообменники рекуперативного и регенеративного типа, использование которых позволяет повысить КПД агрегатов на 15 – 20%, увеличить температуру горения и сэкономить топливо. Теплота ВЭР дымовых газов с возвратом на вход в агрегат оказывается значительноценнее тепла, полученного в результате сгорания топлива, так как вносимое тепло не влечет потерь тепла с дымовыми газами и повышает температуру сгорания топлива. Практически утилизировать все тепло отходящих газов невозможно, из-за значительного нецелесообразного увеличения поверхности нагрева теплообменников. Утилизация тепла отходящих газов осуществляется в теплообменниках регенеративного и рекуперативного типов. Регенеративные работают при нестационарном тепловом режиме, рекуперативные при стационарном. Теплообменники регенеративного типа имеют следующие недостатки: не обеспечивают постоянную температуру подогреваемого теплоносителя (воздуха); на время переключения клапанов прекращается питание агрегата теплом; потери тепла через дымовую трубу; смешение теплоносителей из-за неплотностей; большие размеры и масса регенераторов. Однако, несмотря на недостатки регенеративные теплообменники широко используются на высокотемпературных агрегатах, так как они могут работать при высокой температуре дымовых газов (1300 – 1500 С). При такой высокой температуре рекуператоры не могут работать устойчиво. Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих газов обеспечивает постоянную температуру подогрева нагреваемого теплоносителя, не требуются переключающие клапана, отсутствует унос тепла в дымовую трубу, меньшая металлоемкость и размеры по сравнению с регенераторами. Основным недостатком рекуператоров является низкая огнестойкость металлических теплообменников и низкая газоплотность керамических рекуператоров, а также утечки через неплотности между двумя сторонами теплоносителей из-за перепада давлений. К рекуператорам предъявляют следующие требования: обеспечение максимальной степени утилизации тепла дымовых газов с высокой температурой; максимальная компактность конструкции; максимальная интенсивность теплопередачи; наименьшее гидравлическое со- противление; достаточная герметичность. Рекуператоры изготовляются из металла и керамических материалов. Керамические рекуператоры более громоздки, занимают много места, однако могут устойчиво работать при высоких температурах 1200 – 1350 С и обеспечивают подогрев теплоносителя до 800 С. 15 Рис. 1. Кожухотрубные рекуперативные теплообменники: а, б- с жестким креплением труб; в - с линзовым компенсатором; г, д - с U и W-образными трубами; е - с нижней плавающей камерой; ж - с верхней плавающей камерой; з - с сальниковым уплотнителем: и - с трубами Фильда; к, л - с сегментными поперечными перегородками 16 Рис. 2. Некоторые типы теплообменников: а. - секционный теплообменник: б - теплообменник типа труба в трубе; в - погружной теплообменник: г - рубашечный теплообменник; д -смесительный теплообменник с сопловым смешивающим диффузором 17 Целью расчета рекуператоров является определение размеров теплообменника для обеспечения подогрева необходимого количества нагреваемого теплоносителя (воздуха) до необходимой температуры. Для утилизации теплоты дымовых газов с температурой 800 – 900С часто использутся игольчатые рекуператоры, которые собирают из отдельных труб, на которых имеются иглы. Иглы могут быть как на внутренней, так и на наружной стороне трубы. Иглы увеличивают действительную поверхность нагрева, турбулизируют поток газов, что приводит к существенному увеличению интенсивности теплопередачи и уменьшает габариты теплообменника. Игольчатый рекуператор собирают из отдельных труб с фланцами, соединяемых при помощи болтов. Число ходов рекуператора зависит от температуры подог- рева нагреваемого теплоносителя (воздуха) . Чаще всего применяются двухходовые рекуператоры с подогревом воздуха до 300 – 400 С при температурах дымовых газов 800–900 С. Скорости движения дымовых газов и воздуха принимаются: для металлических рекуператоров скорость движения газов 3 – 5 м/с, скорость воздуха 7 – 10 м/с, для керамических рекуператоров из-за низкой газоплотности скорость газов 0,8–1 м/с, скорость воздуха 0,8–2 м/с для игольчатых рекуператоров скорость дымовых газов 5 – 14 м/с, скорость воздуха 6–10 м/с, что диктуется гидравлическими сопротивлениями по газовой и воздушной стороне теплообменников. Регенеративные теплообменники применяются в нагревательных печах. Они представляют собой цилиндрические камеры, заполненные кирпичной многорядной насадкой, выложенные из огнеупорного кирпича. Сначала через регенератор пропускают дымовые газы, а затем в обратном направлении нагретая добела насадка отдает аккумулированное тепло теплоносителю. Переключение осуществляется при помощи клапанов. Особые требования предъявляют к насадкам регенератора. Они должны обеспечивать эксплуатационные качества, экономичность, минимальное гидравлическое сопротивление, высокую интенсивность теплообмена, строительную устойчивость. Материал насадки должен обладать огнеупорностью, термостойкостью, сопротивлением к деформациям под нагрузкой при повышенных температурах. При внешнем использовании высокотемпературных ВЭР дымовых газов применяются котлы-утилизаторы (КУ), предназначенные для получения водяного пара с давлением от 14 до 45 бар и даже 100 бар с температурой пара 300 – 450 С и даже 550 С (рис. 2.9, III). Исходя из этого котлы-утилизаторы классифицируют по следующим признакам: 1. По температуре отходящих газов на входе в КУ при 750 – 900 С низкотемпературные, при температуре 1100 – 1200 С высокотемпературные. Граница температур в 1000 С, разделяющая эти две группы котлов, выбрана по усло- виям теплоотдачи от газов к стенке трубы. При температурах ниже 900 С преобладает кон- вективный теплообмен, при температурах выше 1000 С – терморадиационный теплообмен. 2. По способу циркуляции воды КУ делят на котлы с принудительной и с естественнойциркуляцией. 3. По конструкции КУ делят на газотрубные, змеевиковые, конвективные и радиационно-конвективные. По компоновке бывают П – образные, башенные и горизонтальные. Газотрубные КУ используются в промышленности строительных материалов (стекловаренные печи, печи обжига керамики, мартеновские печи). Конвективные КУ устанавливают в нефтеперерабатывающей промышленности, в черной металлургии. Радиационно-конвективные КУ используют в цветной металлургии за отражательными печами, в химической промышленности. Все котлы-утилизаторы в отличие от традиционных паровых котлов отличаются только тем, что в КУ отсутствует топочная камера, а все остальные испарительные поверхности 18 нагрева (конвективные пучки труб, пароперегреватели, экономайзеры и т.д.) принципиально не отличаются от обычных котлоагрегатов. В тех случаях, когда используются горючие ВЭР, в котлах-утилизаторах устанавливаются топочное устройство или камеры дожигания. Теплообменные аппараты для утилизации низкопотенциальных ВЭР К низкотемпературным источникам ВЭР относят различные виды тепловых ВЭР от теплотехнологических аппаратов с температурой менее 300 С (охлаждающая вода от различных печей, влажный воздух от сушильных установок, водяной пар вторичного вскипания, теплота конденсата греющего пара, теплота «мятого» пара от силовых установок и т.д.). Низкотемпературные тепловые ВЭР могут быть использованы в самых разнообразных технологических процессах, а также для теплоснабжения, системах вентиляции, горячего водоснабжения. Утилизация теплоты низкопотенциальных ВЭР возможна двумя путями: первый предусматривает трансформацию тепла от более высокого уровня теплоносителя ВЭР к более низкому температурному уровню потребителя; второй – трансформация тепла от источника ВЭР с более низкой температурой к более высокому уровню температуры у потребителя. Первый путь реализуется при помощи теплообменников рекуперативного, регенеративного или смесительного типа, второй основывается на использовании тепловых насосов. При утилизации низкотемпературных ВЭР вследствие низких температурных напоров нецелесообразно применять двухступенчатые схемы с промежуточным теплоносителем, так как это приводит к резкому увеличению поверхностей нагрева теплообменников, из-за большого снижения температурного напора в обоих ступенях схемы. При реализации первого пути использования ВЭР оказываются экономичными теплообменники контактного типа, в которых обеспечивается использование всей теплоты ВЭР, в том числе и теплоты парообразования, если теплоносителем является газ. Особенно экономичны и удобны такие теплообменники для установок при тепловлажностной обработке приточного воздуха в системах вентиляции. Конструкции контактных теплообменников очень разнообразны и выбираются в зависимости от производительности и назначения. Например, воздухоподогреватель производительностью по воздуху менее10000 м3/ч используют для местных отопительно-вентиляционных систем, а более 10000 м3/ч применяют для централизованных отопительно-вентиляционных установок. В качестве насадочных материалов в контактных теплообменниках используются кольца Рашига (отопительно-вентиляционные агрегаты), роторные насадки в виде скрученной по спирали ленты из белой жести, волнисто-параллельная насадка в виде пакета асбоцементных листов толщиной 5,5 мм. Контактные теплообменники для утилизации низкопотенциальных ВЭР многообразны по конструкции и по назначению. Поэтому необходимо привести перечень наиболее широко применяемых контактных теплоутилизаторов. Отопительно-вентиляционные системы: роторный вентиляционный агрегат (АРВ) (рис. 3), отопительно-вентиляционный агрегат (ОВА), отопительно-вентиляционный агрегат с волнисто-параллельной насадкой (КВП), отопительно-вентиляционный агрегат (ОВА-15), контактно-поверхностный теплоутилизатор (ТКПП – 10), блочный контактный экономайзер (ЭК-БМ) для нагрева воды уходящими газами, контактный теплоутилизатор с промежуточным теплообменником (конструкции НИИСТ) для утилизации теплоты отходящих газов и нагрева воды, контактный водонагреватель утилизационный газовый (ВУГ-1). Некоторые типы контактных теплоутилизаторов представлены на рисунках 3–6. В текстильной и легкой промышленности применяются регереративные и смесительные аппараты. В качестве насадки в регенеративных аппаратах используют гофрированную 19 металлическую ленту. Так как в них процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит за два периода, то для обеспечения непрерывной подачи теплоносителей в случае неподвижной насадки совмещают два регенеративных аппарата, с двумя перекидными клапанами (рис. 7, 8). а б в Рис. 2.3. Схемы отопительно-вентиляционных агрегатов а- контактная камера отопительно-вентиляционного агрегата (ОВА); б- роторный вентиляционный агрегат (АРВ); в- контактная камера с волнисто-параллельной насадкой (КВП) Рис. 8.4. Отопительно- вентиляционн ый аг регат OBA-15: 1– калорифер, 2– ступень промежуточного нагрева, 3– ступень предварительного нагрева, 4– водораспределитель, 5– дополнительный водораспределитель, 6– опорная решетка, 7– греющая рубашка, 8– каплеуловитель, 9– поддон, 10– вентил ятор, 11– промеж уточн ый теплообменн ик, 12– н асос, 13– патрубок подвода воды, 14– дренажный патрубок, 15– переливной патрубок 20 Преимущества и недостатки регенеративных теплообменников подробно рассмотрены выше. В смесительных теплообменных аппаратах теплообмен осуществляется путем непосредственного смешения теплоносителей. В связи с тем, что в этих аппаратах в теплообмене не участвуют твердые поверхности интенсивность теплообмена в них значительно выше, чем в поверхностных теплообменниках. По конструкции различают следующие виды смесительных аппаратов (рис. 8). Безнасадочные камеры (колонны), в которых жидкость распыляется форсунками в газовую среду и контакт между жидкостью и газом происходит на поверхности капель жидкости. Насадочные камеры (колонны) – соприкосновение газа с жидкостью происходит на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке (кольца Рашига, куски кокса, деревянные рейки). Рис. 5. Контактно-поверхностный теплоутилизатор ТКЛП-10: 1– контактная часть, 2– тепловой модуль, 3 – поворотная камера, 4– промежуточный теплообменник,5– узел очистки, 6– насос, 7– патрубок, 8 – перегородка, 9– заслонка поворотная, 10– козырек (направляющий, 11– водораспределитель дополнительный, 12– водораспределитель основной Насадочные аппараты более компактны, чем безнасадочные, но имеют повышенное гидравлическое сопротивление. Каскадные аппараты имеют внутри корпуса горизонтальные и наклонные полки, жидкость стекает с полки на полку сверху вниз, образуя пленку. Струйные смесительные аппараты – вода нагревается эжектируемым паром. Пленочные смешивающие теплообменные аппараты – нагрев воды водяным паром. Преимущества таких подогревателей по сравнению с поверхностными теплообменниками простота конструкции, компактность, меньшая металлоемкость. 21 Пенные аппараты – применяются для улавливания из газов или запыленных потоков плохо смачиваемой пыли. Применяется барботаж газа через слой жидкости. Широко применяется нагрев жидкостей и растворов острым паром барботированием пара через перфорированную трубу (труба с отверстиями). Главным недостатком смесительных аппаратов является загрязнение нагреваемого теплоносителя, преимущество простота конструкции, компактность. Наиболее целесообразно в системах утилизации низкопотенциальных тепловых ВЭР применять теплообменники на тепловых трубах, которые обладают рядом уникальных свойств. Возможности применения теплообменников на тепловых трубах определяются их технико-экономическими показателями стоимостью. Тепловая труба (ТТ) (рис. 9, IV)– устройство обладающее очень высокой эффективностью передачи теплоты. Принцип работы – на внутренней стенке трубы укрепляется фитиль, выполненный из тонкой сетки. Труба заполняется небольшим количеством теплоносителя (рабочая жидкость), откачивается воздух и плотно закрывается. Один конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь пар конденсируется и возвращается к горячему концу трубы под воздействием капиллярных сил. Чем больше теплота парообразования рабочего теплоносителя, тем больший тепловой поток может передавать тепловая труба даже при малой разности температур на концах трубы. В ТТ различают три участника: зону подвода тепла, или участок испарения, зону переноса тепла (адиабатный участок), зону отвода тепла (участок конденсации). Рис. 8.7. Схемы регенеративных теплообменников: а- левый корпус –период нагрева, б- правый- период охлаждения. 1- корпуса, 2- насадки, 3- перекидные клапа на, 4- клапанные коробки Теплопередающая способность ТТ может быть очень большой. Так, если в ТТ используется в качестве рабочего вещества литий при температуре 1500 С в осевом направлении передается тепловой поток 10–20 кВт/см2. В качестве теплоносителей используются ацетон, аммиак, фреоны, вода, цезий, калий, натрий, литий, свинец, различные неорганические соли. Наибольшее применение теплообменники на тепловых трубах получили при утилизации низкопотенциальных ВЭР (температурах 50 – 200 С), так как при таких температурах не требуется применения дорогостоящих материалов и теплоносителей а б Рис 6. Схема водонагревателяВУГ-1 (а): 1- дренажный патрубок, 2- патрубок для отвода воды, 3- узел подпитки, 4- ороситель, 5- взрывной клапан. 6- штуцер водоуказательного прибора, 7- заслонка, 8- патрубок подвода газов, 9- рабочий насадной слой, 10- каплеулавливающий насадочный слой, 11- люк, 12 окно отвода газов, 13- опорная решетка; (б) контактный теплоутилизатор с промежуточным теплообменником: 1- контактные камеры, 2- дымовая труба, 3- вентилятор. 4- промежуточный теплообменник, 5- насос, 6- дымосос. Рис. 8. Типы смесительных теплообменников: а- безнасадочный с форсунками: 1- насос, 2- форсунки, 3- иллюминаторы-сепараторы влаги, 4- подогреватель, 5- центробежный вентилятор, 6- электродвигатель; б- насадочный: 1- насадка, 2- распределительная труба, 3- электродвигатель, 4- осевой вентилятор; в- каскадный: 1- каскады, 2- распределительная труба; г- струйный: 1,2- сопла первой и второй ступени струйного смесителя; д- пленочный: 1- коаксиальные трубы. I III II IV Рис. 8.9. I- теплообменник с промежуточным теплоносителем; II– тепловой насос для утилизации низкопотенциальной теплоты промышленных сточных вод (1- испаритель, 2- компрессор, 3- конденсатор, 4- дроссель); III- схема котла утилизатора (1-парогенератор, 2- испарительные пакеты, 3- барабан-сепаратор, 4- экономайзер); IV– схема тепловой тру- бы (а– продольный разрез: 1- фитиль, 2- стенка трубы, 3- возврат жидкости по фитилю, 4- пар, 5- участок конденсации, 6- адиабатный участок, 7- участок испарения; б– поперечное сечение: 1- стенка, 2- фитиль, 3- паровое пространство) 25 Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) являются разновидностью рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем (рис. 8.9, I). Для достижения высокой экономичности и невысокой стоимости ТТТ необходимы дешевые конструкции тепловых труб, малые габариты и рабочие вещества с хорошими теплотехническими характеристиками. К таким ТТТ относятся гладкостенные фитильные и центробежные, но могут применяться и другие виды тепловых труб. Конструктивно ТТТ выполняются и набора ТТТ. В зависимости от агрегатного состояния теплоносителя ТТТ разделяются на три типа: 1) газ-газ (воздух-воздух); 2) газ- жидкость; 3) жидкость-жидкость. ТТТ первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных агрегатов, в системах отопления и вентиляции, в утилизаторах животноводческих ферм. ТТТ второго типа используются в условиях исключающих взаимодействие газа и жидкости. Эти ТТТ применяются как конденсаторы, нагреватели и охладители жидкостей. ТТТ третьего типа используются в химической промышленности, в атомной энергетике, когда исключается взаимодействия между теплоотдающей и тепловоспринимающей жидкостями в широком диапазоне изменения давлений и температур. Использование ТТТ для утилизации ВЭР дает возможность не только повысить тепловую эффективность энергетических установок, но и уменьшить загрязнение окружающим фактором, препятствующим более широкому использованию ТТТ в промышленности является их стоимость значительно большая, чем стоимость рекуперативных теплообменников. В настоящее время вопросы использования низкотемпературных источников тепла для отопления, горячего водоснабжения нагрева воды для технологических нужд наиболее успешно решаются с помощью тепловых насосов (ТНУ). Наибольшее распространение получили компрессионные теплонасосные установки (рис. 9, II). Рабочими телами в ТНУ служат фреоны – вещества, имеющие низкую температуру кипения при давлениях близких к атмосферному. Коэффициент преобразования тепла φ= Q1/Nэ при температурах сточных вод или воз- духа от вентиляционных систем 20 – 50 С может быть 3 – 6, а тепловая мощность составлять 50 – 5000 кВт. При затрате электрической мощности Nэ=1 кВт потребителю подается через конденсатор тепловая мощность в 3 – 6 кВт. Минимальные значения коэффициента преобразования тепла, при котором достигается экономия энергии 2,3 при электроснабжении от КЭС и 2,8 – от ТЭЦ. Тепловые насосы предназначены для утилизации низкотемпературных ВЭР с температурой 20 – 50 С, с подачей горячей воды 60 – 100 С. Экономическая эффективность использования ТНУ зависят не только от технического совершенства насосов, но и от соотношения цен (тарифов) на электрическую и тепловую энергию. Существует критическое соотношение цен, при котором использование ТНУ становится невыгодным. Годовой фонд времени ТНУ должен быть более 3000 часов. Схемы использования ТНУ для утилизации низкотемпературных ВЭР настолько разнообразны, что рассматривать их даже в ограниченном объеме невозможно. В странах Западной Европы, Японии, США, Канады серийно выпускаются теплонасосные станции (ТНС) миллионами экземпляров различного назначения и тепловой мощности, которые широко используются в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий. |