7490
.pdf
10
конструктивные элементы, требующие дополнительного обслуживания. С другой стороны, невозможно добиться такой же эффективности использования теплоты дымовых газов как в регенераторе.
Регенератор снабжается поворотным механизмом, через ротор которого попеременно проходят то уходящие газы, то нагреваемый воздух. Насадки в роторе нагреваются после прохождения через них уходящих газов, и эта теплота затем передается воздуху. Регенератор позволяет добиться более высокой эффективности использования теплоты, чем рекуператор, но из-за сложности конструкции (рис. 3) по сравнению с рекуператором, имеет более высокую стоимость и стоимость обслуживания.
Рис. 2. Принцип работы рекуператора.
Рис. 3. Принцип работы регенератора.
11
В качестве насадок могут быть использованы: диски из алюминиевой гофрированной ленты; пакет пластин; различные виды кирпичных насадок; насадки из керамических колец и т.д. Среди керамических колец наибольшее распространение получили кольца Рашига, в качестве альтернативы можно рассмотреть кольца Палля.
Процесс теплообмена в регенераторе происходит посредством прямого контакта уходящих газов и продуктов сгорания (и греющая и нагреваемая среда омывают насадки, передавая им свою теплоту) – такой способ передачи теплоты называется контактным. В рекуператоре теплота от уходящих газов к воздуху осуществляется через стенку (поверхность) отделяющих среды пластин – такой способ передачи теплоты называют поверхностным.
2.3.5. Теплоутилизационное оборудование промышленных установок
Котел-утилизатор представляет собой теплообменник, в котором теплота уходящих газов используется для получения (в данном случае) пара.
Рис. 4. Котел-утилизатор, установленный на ТЭЦ.
Рис. 5. Котел-утилизатор. Общий вид.
12
Особенностью котла-утилизатора является отсутствие топочной камеры – продукты сгорания органического топлива поступают непосредственно в котел.
После котла-утилизатора пар поступает в паровую турбину, далее в конденсатор, где отработанный пар конденсируется и, с помощью циркуляционного насоса, возвращается в котел-утилизатор для повторения цикла.
Если рассматривать паровую котельную малой производительности, то самым часто встречающимся теплообменником будет экономайзер ВТИ чугунно-ребристый (хвостовая поверхность нагрева), который используется для подогрева питательной воды и охлаждения уходящих газов.
Рис. 6. Принцип работы экономайзера.
В качестве контактных теплообменников, которые также могут применяться в котельных, рассмотрим насадочный контактный утилизатор (рис. 8).
Рис. 7. Контактный насадочный утилизатор. 1 – влагоуловитель; 2 – рабочий слой насадки из керамических колец; 3 – газоотводящие трубы; 4 – каскадный дегазатор; 5 – переливная труба с гидравлическим затвором; 6 – корпус экономайзера.
13
Холодная вода через водораспределитель равномерно распространяется по сечению контактной камеры. В качестве насадки в этом теплообменнике используются керамические кольца Рашига, которые были описаны выше. Стекая по кольцам в виде тонкой пленки, вода подогревается восходящим потоком продуктов сгорания и затем собирается в нижней части экономайзера. Для предотвращения выноса капель из контактной камеры, охлажденные уходящие газы проходят нерабочий слой колец, который служит влагоуловителем.
Контактный утилизатор обладает достаточно большими габаритами, однако, в отличие от конденсационного, он может быть установлен вместо хвостовой поверхности нагрева. Насадочные утилизаторы проходили испытания не только в котельных, но и в цехах, где температура уходящих газов от печей достигала 550 ºС и выше.
2.3.6. Схемы комплексного ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания в различных отраслях промышленности
Одним из самых важных моментов в теплотехнических расчетах является выбор теплоты (высшей или низшей), по которой будет вестись весь расчет. Для лучшего понимания данного вопроса приведем уравнение горения метана (основного компонента природного газа) в воздухе:
CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2
Таким образом, при сжигании 1м3 CH4 получается 2м3 водяного пара, или с учетом его плотности (800г/м3) – 1,6 кг. Этот пар в продуктах сгорания начнет конденсироваться, выделяя дополнительную теплоту, при температуре ниже температуры точки росы. Таким образом, вводится два разных понятия, для оценки данного явления:
низшая теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при сжигании 1кг или 1м3 сухого топлива без учёта теплоты конденсации водяных паров;
высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров.
Определение низшей и высшей теплоты сгорания.
Для природного газа определяется по следующим зависимостям:
Q = 358CH4 + 636C2H6 + 913С3H8 + 1189C4H10 + 1465C5H12
CH4, C2H6, … - содержание в природном газе метана, этана, … в % по объёму.
358, 636, … - низшая теплота сгорания каждого компонента формулы, пересчитанная на 1% горючего компонента, содержащегося в природном газе.
Q = 398CH4 + 699C2H6 + 992С3H8 + 1285C4H10 + 1578C5H12 QCB = 1,11QCH
Конденсация продуктов сгорания природного газа наступает при снижении t ух. газов ниже 55-65° С. Когда t ух. газов выше t т. росы, весь расчёт ведётся по низшей теплоте сгорания, и наоборот, при t ух. газов ниже t т. росы по высшей теплоте сгорания (даже когда происходит только на выходе из самой последней ступени).
В топливоиспользующем оборудовании выделяют следующие потери теплоты: q1 – КПД
q2 – потери с уходящими газами
q3 – потери с химическим недожогом q4 – потери с механическим недожогом q5 – потери в окружающую среду
q6 – потери со шлакообразованием q1 = КПД =100 – (q 2 + q3 + q5)
Для оценки эффективности использования топлива вводят величину – коэффициент использования топлива.
КИТ (коэффициент использования топлива) = 100 – (q 2 + q3)
14
Для того чтобы определить неполное сгорание топлива, нужно искать в составе продуктов сгорания CH4 и CO.
В случае полного сгорания топлива:
КИТ = 100 – q 2
Таким образом, повышение эффективности использования топлива во многом зависит от величины потерь теплоты с уходящими газами – чем эта величина меньше, тем выше значение коэффициента использования топлива.
В целом все схемы по использованию теплоты уходящих газов можно классифицировать следующим образом (рис 8).
Схема 1. Замкнутая. Используется для нужд топливоиспользующей установки.
I 
II
Схема 2. Разомкнутая. Используется для нужд предприятия.
I 
II
Схема 3. Замкнуто-разомкнутая. Используется для нужд предприятия и для нужд топливоиспользующей установки.
I 
II 
III 
Cхема 4. Энерго-технологическая. Использование продуктов сгорания в качестве сырья.
I 
IV
Рис 8: Классификация схем использования теплоты уходящих газов. Примечание к схемам: I – топливоиспользующий агрегат (печь, котел); II, III - теплоутилизатор (экономайзер, рекуператор, регенератор); IV – устройство, в котором продукты сгорания используются в качестве сырья.
15
2.3.7. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения
Тепловая энергия солнечного излучения может быть использована для нагрева теплоносителя (воды или воды с добавлением незамерзающих жидкостей, например этиленгликоля), который впоследствии используется для нужд горячего водоснабжения, отопления и.т.д.
Устройство для сбора теплоты от видимого солнечного света и его инфракрасного излучения называют солнечным коллектором.
Различают коллекторы плоского типа и вакуумного типа.
Плоский коллектор - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемый в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя.
Рис. 9. Схема плоского коллектора.
Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.
Основным элементом вакуумного коллектора является вакуумная трубка. Она состоит из двух стеклянных труб (одна трубка вставлена в другую с большим диаметром). Внешняя труба выполнена из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла. Внутренняя труба также сделана из прозрачного боросиликатного стекла, покрытого специальным селективным нанопокрытием, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание кондуктивных и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубами выкачан воздух и создан вакуум. Для поддержания
16
вакуума между двумя стеклянными трубами используется бариевый газопоглотитель (такой же, как в телевизионных трубках).
Рис. 10. Устройство вакуумной трубки.
Наибольшее распространение получили три типа вакуумных коллекторов:
1)трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде;
2)вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообмен-
ником;
3)вакуумный коллектор с термотрубками.
Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.
Примеры рассматриваемых на занятиях схем:
Рис. 11. Схема работы компрессионного теплового насоса.
17
Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Наряду с солнечными коллекторами тепловые насосы все чаще появляются на страницах русифицированных каталогов компаний по производству различного теплотехнического оборудования. Более того – есть уже весьма успешные реализованные проекты по применению тепловых насосов на территории нашей страны. Определенно эта технология имеет огромные перспективы, несмотря на достаточно высокую базовую стоимость оборудования, во многом за счет индивидуальных потребителей, которые хотят создавать энергоэффективные и независимые системы энергоснабжения для своих сооружений.
Примерный перечень вопросов:
1.Актуальность энергосбережения, нормативно-техническая база энергосбережения
2.Основные нормативные документы, государственные стандарты, технологические регламенты, методические документы в области энергосбережения.
3.Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов.
4.Основы энергоаудита. Цели и задачи энергетического обследования. Оценка энергоэффективности предприятия.
5.Разработка основных мероприятий и рекомендаций по энергосбережению.
6.Топливно-энергетический баланс промпредприятий.
7.Вторичные энергоресурсы, их виды.
8.Выявление ВЭР и целесообразность их использования.
9.Способы утилизации ВЭР.
10.Конструкции котлов-утилизаторов.
11.Расчет котлов-утилизаторов.
12.Контактные экономайзеры, принцип действия и конструкция.
13.Конструктивный расчет контактных экономайзеров.
14.Контактно-поверхностные теплоутилизаторы, конструкции, расчет.
15.Конденсационные теплоутилизаторы, конструкции, расчет.
16.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в машиностроении.
17.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в промышленности строительных материалов.
18.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в химической промышленности.
19.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в котельных установках.
20.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в газовой промышленности.
21.Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в металлургической промышленности.
22.Снижение расчетных потерь теплоты зданиями.
23.Системы газовоздушного лучистого отопления.
24.Комбинированные системы лучистого отопления и вентиляции.
25.Тепловые насосы, тепловые трубы, конструкции, расчет, области применения.
18
3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям
2.1Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям
Входе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.
При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.
Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.
Пример расчета комплексных схем использования теплоты природного газа.
Для успешного выполнения расчёта комплексных рациональных схем использования теплоты уходящих газов по методу обратного баланса необходимо пользоваться следующей методикой.
1. После составления схемы использования теплоты после каждого устройства проставляют состав продуктов сгорания и их температуру.
Рис. 12. Предварительная схема комплексного использования теплоты уходящих газов.
2. Определяем полное или неполное сгорание топлива: при полном сгорании топлива в дымовых газах содержатся CH4, Н2, CO.
Если сгорание полное, то для определения коэффициента избытка воздуха можно воспользоваться опытной таблицей «Состав и теплотехнические характеристики продуктов полного сгорания природного газа» [2,3] фрагмент которой приводится ниже:
Содержание, % |
|
|
h |
α |
CO2 |
O2 |
N2 |
|
|
11,8 |
0 |
88,2 |
1,0 |
1,0 |
9,6 |
3,9 |
86,5 |
1,23 |
1,2 |
h – коэффициент разбавления сухих продуктов сгорания
При неполном сгорании коэффициент избытка воздуха определяется по следующей зависимости:
19
O 2CO 1,5CO 0,5H
α
2 CO CO CH
3. Следует обратить внимание на значение t ух. газов, если t выше tт.р. (55-65° С), то расчёт всей установки осуществляется по низшей теплоте сгорания, если ниже tт.р. – по высшей теплоте сгорания.
Особенности расчётов по низшей теплоте сгорания
Опытным путём был найден коэффициент z, зависящий от t продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. от содержания в сухих продуктах полного сгорания CO2, а в продуктах неполного сгорания – суммы CO2, CO и CH4. Благодаря данному коэффициенту значительно упрощается нахождение потерь теплоты с уходящими газами.
Для всех ступеней, кроме последней, потери теплоты с уходящими газами определяются по следующей зависимости:
q0,01 ∙ z ∙ tух
Вданной формуле z определяется по таблице «Значение величины Z для природ-
ного газа» [2,3] в зависимости от состава продуктов сгорания и их температурного диапазона. Фрагмент этой таблицы приводится ниже:
Содержание в продуктах |
Температурный диапазон |
|
|
сгорания CO2 + CO + CH4 |
0 – 250 |
250 – |
350 |
11,8 |
4,13 |
4,16 |
|
q2 для последней ступени определяется по формуле:
q 0,01z tух 0,85t
Особенности расчётов по высшей теплоте сгорания
Для всех ступеней, кроме последней, необходимо выполнить пересчёт по высшей теплоте сгорания:
q 0,01ztух ∙ 0,9 11
Для того чтобы рассчитать последнюю ступень, необходимо воспользоваться следующей зависимостью:
q zВ tух 0,85t qун
zВ – величина, определяемая в зависимости от состава продуктов сгорания (CO2 + CO + CH4) и t уходящих газов в диапазоне от 0 до 50° С.
qун – потери теплоты, обусловленные содержанием в продуктах сгорания несконденсировавшегося воздушного пара.
Эти величины определяются по таблице «Значения коэффициентов zВ и qун», [1,2] фрагмент которой приводится ниже:
Содержание в продуктах |
zB |
|
|
qун |
|
|
сгорания CO2 + CO + CH4 |
30° С |
35° С |
40° С |
45° С |
||
|
||||||
11,8 |
0,036 |
2,5 |
3,4 |
4,5 |
|
Пример: Комплексная схема использования теплоты уходящих газов представлена 2 агрегатами – промышленной печью с tух = 400° С (после неё) с содержанием в продуктах сгорания CO2=9,2%, и рекуператором с tух=200° С (после него), состав продуктов сгорания: CO2=8%. Определить, как изменились потери теплоты с уходящими газами при установке рекуператора.
Поскольку tух после рекуператора выше tт.р., расчёт производим по низшей теплоте сгорания.