Metoda głębokiego odzysku ciepła ze spalin. Odzysk ciepła ze spalin. Głęboki recykling dla systemów grzewczych
Przeczytaj także
Opis:
Bryansk Heat Networks wraz z instytutem projektowym LLC VKTIstroydormash-Proekt opracowali, wyprodukowali i wdrożyli instalacje do odzyskiwania ciepła ze gazów spalinowych (UUTG) pochodzącego z kotłów ciepłej wody w dwóch kotłowniach w Briańsku
Instalacja odzysku ciepła ze spalin
N. F. Sviridov, R. N. Sviridov, Briańskie sieci cieplne,
I. N. Iwukow, B. L. Turk, LLC „Projekt VKTIstroydormash”
Bryansk Heat Networks wspólnie z instytutem projektowym VKTIstroydormash-Proekt LLC opracowali, wyprodukowali i wdrożyli instalacje do odzyskiwania ciepła ze gazów spalinowych (UHTG) pochodzącego z kotłów ciepłej wody w dwóch kotłowniach w Briańsku.
W wyniku tej realizacji uzyskano:
Dodatkowe inwestycje kapitałowe w przeliczeniu na 1 Gcal/h otrzymanego ciepła są ponad 2 razy mniejsze w porównaniu do sytuacji w przypadku budowy nowej kotłowni i zwracają się w ciągu około 0,6 roku;
Ze względu na to, że stosowane urządzenia są niezwykle łatwe w utrzymaniu i wykorzystują wolny czynnik chłodniczy, czyli spaliny (FG) wyemitowane wcześniej do atmosfery, koszt 1 Gcal ciepła jest 8–10 razy niższy niż koszt wytworzonego ciepła przy kotłowniach;
Sprawność kotłów została zwiększona o 10%.
Tym samym wszystkie koszty w marcu 2002 r. ceny realizacji pierwszego UTG o wydajności 1 Gcal ciepła na godzinę wyniosły 830 tys. rubli, a oczekiwane oszczędności w skali roku wyniosą 1,5 mln rubli.
Tak wysokie wskaźniki techniczne i ekonomiczne są zrozumiałe.
Istnieje opinia, że sprawność najlepszych kotłów domowych o mocy cieplnej 0,5 MW i większej sięga 93%. W rzeczywistości nie przekracza ona 83% i oto dlaczego.
Występują coraz wyższe wartości opałowe spalania paliw. Dolna wartość opałowa jest mniejsza od wyższej o ilość ciepła wydatkowanego na odparowanie wody powstałej podczas spalania paliwa, a także o zawartą w niej wilgoć. Przykład najtańszego paliwa – gazu ziemnego: DG powstałe podczas jego spalania zawierają parę wodną, zajmującą aż 19% ich objętości; wyższe ciepło spalania przewyższa ciepło niższe o około 10%.
Aby poprawić wydajność kominów, przez które generatory diesla emitowane są do atmosfery, konieczne jest, aby para wodna obecna w generatorze diesla nie zaczęła się skraplać w kominach przy najniższych temperaturach otoczenia.
Projekty UUTG ożywiły i udoskonaliły dawno zapomniane rozwiązania techniczne mające na celu recykling ciepła z generatorów diesla.
UUTG zawiera wymienniki ciepła kontaktowe i płytowe z dwoma niezależnymi obiegami wody obiegowej i użytkowej.
Konstrukcja i działanie UTG są jasne na podstawie schematu pokazanego na rysunku i opisu jego położeń.
W kontaktowym wymienniku ciepła DG i rozpylona woda obiegowa poruszają się w pionowym przeciwprądzie, tj. DG i woda stykają się ze sobą bezpośrednio. Aby zachować równomierny natrysk wody obiegowej stosuje się dysze oraz specjalną dyszę ceramiczną.
Podgrzana woda obiegowa, pompowana do obiegu wodnego przez niezależną pompę, przekazuje ciepło pozyskane w kontaktowym wymienniku ciepła wodzie zasilającej w płytowym wymienniku ciepła.
Do wymaganego chłodzenia wody obiegowej należy stosować wyłącznie zimną wodę wodociągową, która po podgrzaniu w UTG jest doprowadzana do wymaganej temperatury w kotłach istniejących kotłowni i następnie wykorzystywana do zasilania mieszkań ciepłą wodą.
W kontaktowym wymienniku ciepła ochłodzone generatory diesla dodatkowo przechodzą przez odkraplacz i po ostatecznej utracie ponad 70% wilgoci w postaci kondensatu pary wodnej, podłączane są do części gorących generatorów diesla (10–20 % objętości generatorów diesla opuszczających kocioł), kierowane bezpośrednio z kotła do komina, tworząc w ten sposób mieszaninę generatorów diesla o niskiej zawartości wilgoci i temperaturze wystarczającej do przejścia komina bez kondensacji pozostałej pary wodnej .
Objętość wody obiegowej stale wzrasta z powodu kondensatu pary wodnej obecnej w generatorze diesla. Powstały nadmiar jest automatycznie odprowadzany przez zawór z napędem elektromechanicznym i może zostać wykorzystany jako dodatkowa woda w instalacji grzewczej kotłowni. Specyficzne zużycie odprowadzanej wody na 1 Gcal odzyskanego ciepła wynosi około 1,2 tony. Odpływ kondensatu jest kontrolowany za pomocą mierników poziomu B i H.
Opisane metody i urządzenia do odzysku ciepła z generatorów diesla pozwalają na pracę z bezpyłowymi produktami spalania paliwa, które mają nieograniczoną temperaturę maksymalną. W tym przypadku im wyższa temperatura spalin, tym wyższa temperatura, do której zostanie podgrzana woda zasilająca. Ponadto w tym przypadku możliwe jest częściowe wykorzystanie wody pochodzącej z recyklingu do podgrzewania wody grzewczej. Biorąc pod uwagę, że kontaktowy wymiennik ciepła pełni jednocześnie funkcję łapacza mokrego pyłu, możliwe jest praktyczne wykorzystanie ciepła zapylonych generatorów diesla poprzez oczyszczenie znanej metody wody obiegowej z pyłu przed wprowadzeniem jej do płytowego wymiennika ciepła. Istnieje możliwość neutralizacji wody obiegowej zanieczyszczonej związkami chemicznymi. Dlatego opisywany UTG może być stosowany do współpracy z DG zajmującymi się procesami technologicznymi podczas wytapiania (na przykład piece martenowskie, piece do topienia szkła), podczas kalcynacji (na przykład cegły, ceramika), podczas wygrzewania (wlewki przed walcowaniem) itp.
Niestety w Rosji nie ma zachęt zachęcających do oszczędzania energii.
Rysunek Schemat instalacji odzysku ciepła ze spalin (UHTG) 1 - kontaktowy wymiennik ciepła; 2 - zawór z napędem elektromechanicznym do automatycznego odprowadzania nadmiaru wody obiegowej powstałej podczas kondensacji pary wodnej generatora diesla; 3 - zbiornik magazynujący wodę obiegową podgrzewaną ciepłem odzyskanym z generatora diesla; 4 - DG wystające z kotła; 5 - część generatora diesla przeznaczona do wykorzystania ich ciepła; 6 - komin; 7 - część generatora diesla, który kontynuuje ruch wzdłuż istniejącego wieprza do komina (6); 8 - zawór regulujący przepływ części generatora diesla (5); 9 - zawór regulujący przepływ części generatora diesla (7); 10 - schłodzona i osuszona część generatora diesla opuszczająca stykowy wymiennik ciepła (1); 11 - mieszanina generatorów diesla (7 i 10), mająca różnicę temperatur pomiędzy generatorem diesla a jego punktem rosy równą 15–20°C; 12 - zraszacz wody obiegowej; 13 - specjalna dysza o rozwiniętej powierzchni; 14 - dekarbonizator, w którym usuwa się z niego wcześniej rozpuszczony dwutlenek węgla poprzez przedmuch powietrza przez krążącą wodę; 15 - powietrze oczyszczające; 16 - łapacz kropli; 17 - system zaopatrzenia w zimną wodę; 18 - woda obiegowa podgrzewana ciepłem odzyskanym; 19 - pompa do pompowania wody obiegowej; 20 - płytowy wymiennik ciepła do przenoszenia ciepła odzyskanego z wody obiegowej do wody użytkowej; 21 - schłodzona woda obiegowa kierowana do opryskiwacza (12) i odprowadzająca jej nadmiar poprzez zawór z napędem elektromechanicznym (2); 22 - woda zużywalna, podgrzewana przez ciepło odzyskane z generatora diesla. B i H – czujniki górnego i dolnego poziomu wody obiegowej w zbiorniku (3); |
| Tabela 1 Obliczone wskaźniki jednego z wdrożonych UTG |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Odzysk ciepła ze spalin
Spaliny opuszczające przestrzeń roboczą pieców mają bardzo wysoką temperaturę i dlatego odprowadzają znaczną ilość ciepła. Na przykład w piecach martenowskich około 80% całkowitego ciepła dostarczanego do przestrzeni roboczej jest odprowadzane z przestrzeni roboczej wraz ze spalinami, w piecach grzewczych około 60%. Z przestrzeni roboczej pieców spaliny zabierają ze sobą więcej ciepła, im wyższa jest ich temperatura i tym niższy jest współczynnik wykorzystania ciepła w piecu. W związku z tym wskazane jest zapewnienie odzysku ciepła ze spalin, co można zrealizować na dwa sposoby: poprzez zwrot części ciepła pobranego ze spalin z powrotem do paleniska i bez zawracania tego ciepła do kotła. piec. Aby wdrożyć pierwszą metodę, konieczne jest przeniesienie ciepła pobranego z dymu na gaz i powietrze (lub samo powietrze) trafiające do paleniska. Aby osiągnąć ten cel, powszechnie stosuje się wymienniki ciepła typu rekuperacyjnego i regeneracyjnego, których zastosowanie pozwala zwiększyć wydajność zespołu pieca, zwiększyć temperaturę spalania i zaoszczędzić paliwo. Druga metoda odzysku pozwala na wykorzystanie ciepła gazów spalinowych w kotłowniach ciepłowniczych i turbozespołach, co pozwala na znaczne oszczędności paliwa.
W niektórych przypadkach stosuje się jednocześnie obie opisane metody odzysku ciepła odpadowego. Dzieje się tak, gdy temperatura gazów spalinowych za regeneracyjnymi lub rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła pozostaje wystarczająco wysoka i wskazany jest dalszy odzysk ciepła w elektrowniach cieplnych. Na przykład w piecach martenowskich temperatura gazów spalinowych za regeneratorami wynosi 750-800°C, dlatego są one ponownie wykorzystywane w kotłach na ciepło odzysknicowe.
Rozważmy bardziej szczegółowo kwestię recyklingu ciepła gazów spalinowych z powrotem części ich ciepła do pieca.
Należy przede wszystkim zaznaczyć, że jednostka ciepła pobrana z dymu i wprowadzona do pieca przez powietrze lub gaz (jednostka ciepła fizycznego) okazuje się znacznie cenniejsza niż jednostka ciepła uzyskana w piecu w wyniku spalania paliwa (jednostka ciepła chemicznego), ponieważ ciepło ogrzanego powietrza (gazu) nie powoduje utraty ciepła ze spalinami. Wartość jednostki ciepła jawnego jest tym większa, im niższy jest współczynnik wykorzystania paliwa i im wyższa jest temperatura spalin.
Do normalnej pracy pieca wymagana ilość ciepła musi być dostarczana do przestrzeni roboczej co godzinę. Do tej ilości ciepła zalicza się nie tylko ciepło paliwa, ale także ciepło ogrzanego powietrza czy gazu, czyli tzw.
Jest oczywiste, że w przypadku = const wzrost będzie się zmniejszał. Innymi słowy, wykorzystanie ciepła ze spalin pozwala na osiągnięcie oszczędności paliwa, które zależą od stopnia odzysku ciepła ze spalin
gdzie oznacza odpowiednio entalpię ogrzanego powietrza i gazów spalinowych opuszczających przestrzeń roboczą, kW lub kJ/okres.
Stopień odzysku ciepła można nazwać także efektywnością. rekuperator (regenerator),%
Znając stopień odzysku ciepła, zużycie paliwa można określić za pomocą następującego wyrażenia:
gdzie I"d, Id to odpowiednio entalpia gazów spalinowych w temperaturze spalania i gazów opuszczających piec.
Zmniejszenie zużycia paliwa w wyniku wykorzystania ciepła spalin zwykle daje znaczący efekt ekonomiczny i jest jednym ze sposobów obniżenia kosztów wygrzewania metalu w piecach przemysłowych.
Oprócz oszczędności paliwa, stosowaniu ogrzewania powietrznego (gazowego) towarzyszy wzrost kalorymetrycznej temperatury spalania, co może być głównym celem odzysku przy ogrzewaniu pieców paliwem o niskiej wartości opałowej.
Wzrost at prowadzi do wzrostu temperatury spalania. Jeżeli konieczne jest zapewnienie określonej wartości, wówczas wzrost temperatury ogrzewania powietrza (gazu) prowadzi do zmniejszenia tej wartości, czyli zmniejszenia udziału gazu o dużej wartości opałowej w mieszance paliwowej.
Ponieważ odzysk ciepła pozwala na znaczne oszczędności paliwa, należy dążyć do możliwie najwyższego, ekonomicznie uzasadnionego stopnia jego wykorzystania. Należy jednak od razu zaznaczyć, że recykling nie może być całkowity, czyli zawsze. Tłumaczy się to tym, że zwiększanie powierzchni grzewczej jest racjonalne tylko do pewnych granic, po przekroczeniu których prowadzi już do bardzo nieznacznego przyrostu oszczędności ciepła.
Postępowanie Instorf 11 (64)
UDC 622.73.002.5
Gorfin OS Gorfin OS
Gorfin Oleg Semenowicz, dr, prof. Katedra Maszyn i Urządzeń Torfowych Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Twer (TvGTU). Twer, Akademickaja, 12. [e-mail chroniony] Doktor Gorfin Oleg S., profesor Katedry Maszyn i Urządzeń Torfowych Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Twer. Twer, Akademickaja, 12
Zyuzin B.F. Zyuzin B.F.
Zyuzin Borys Fedorowicz, doktor nauk technicznych, prof., kierownik. Katedra Maszyn i Urządzeń Torfowych TvSTU [e-mail chroniony] Ziuzin Borys F., dr. Sc., profesor, kierownik Katedry Maszyn i Urządzeń Torfowych Państwowego Uniwersytetu Technicznego w Twer
Michajłow A.V. Michajłow A.V.
Michajłow Aleksander Wiktorowicz, doktor nauk technicznych, profesor Wydziału Inżynierii Mechanicznej, Narodowy Uniwersytet Zasobów Mineralnych „Górnictwo”, St. Petersburg, Leninsky Prospect, 55, bldg. 1, pow. 635. [e-mail chroniony] Michajłow Aleksander V., dr. dr hab., profesor Katedry Budowy Maszyn Państwowej Wyższej Szkoły Górniczej, St. Petersburg, Leninsky pr., 55, budynek 1, m. 635
URZĄDZENIE DO GŁĘBOKOŚCI
DO GŁĘBOKIEGO WYKORZYSTANIA CIEPŁA
RECYKLING CIEPŁA GAZÓW SPALINOWYCH
SPALINY POWIERZCHNIOWE
Adnotacja. W artykule omówiono konstrukcję wymiennika ciepła, w którym zmieniono sposób przekazywania odzyskanej energii cieplnej z chłodziwa do środowiska odbierającego ciepło, umożliwiając wykorzystanie ciepła parowania wilgoci paliwa podczas głębokiego chłodzenia spalin i całkowicie wykorzystać ją do podgrzania wody chłodzącej, kierowanej bez dodatkowej obróbki na potrzeby obiegu turbiny parowej. Konstrukcja pozwala w procesie odzysku ciepła na oczyszczanie gazów spalinowych z kwasów siarkowego i siarkowego oraz wykorzystanie oczyszczonego kondensatu jako gorącej wody. Abstrakcyjny. W artykule opisano konstrukcję wymiennika ciepła, w którym zastosowano nową metodę przesyłania ciepła odzyskanego z nośnika ciepła do odbiornika ciepła. Konstrukcja pozwala na wykorzystanie ciepła odparowania wilgoci paliwa podczas głębokiego chłodzenia gazów spalinowych i pełne wykorzystanie go do podgrzewania wody chłodzącej przeznaczonej bez dalszej obróbki na potrzeby obiegu turbiny parowej. Konstrukcja umożliwia oczyszczanie spalin z siarki i kwasu siarkowego oraz wykorzystanie oczyszczonego kondensatu jako gorącej wody.
Słowa kluczowe: CHP; instalacje kotłowe; powierzchniowy wymiennik ciepła; głębokie chłodzenie gazów spalinowych; odzysk ciepła parowania wilgoci paliwa. Słowa kluczowe: Elektrociepłownia; instalacje kotłowe; grzejnik typu powierzchniowego; głębokie chłodzenie gazów spalinowych; wykorzystanie ciepła pary wodnej tworzenie wilgoci paliwa.
Postępowanie Instorf 11 (64)
W kotłowniach elektrowni cieplnych energia odparowania wilgoci i paliwa wraz ze spalinami uwalniana jest do atmosfery.
W kotłowniach zgazowanych straty ciepła ze spalin mogą sięgać 25%. W kotłowniach zasilanych paliwem stałym straty ciepła są jeszcze większe.
Na potrzeby technologiczne TBZ w kotłowniach spalany jest torf mielony o wilgotności do 50%. Oznacza to, że połowę masy paliwa stanowi woda, która podczas spalania zamienia się w parę, a straty energii na skutek odparowania wilgoci paliwa sięgają 50%.
Ograniczenie strat energii cieplnej to nie tylko kwestia oszczędności paliwa, ale także ograniczenia szkodliwych emisji do atmosfery.
Ograniczenie strat energii cieplnej możliwe jest poprzez zastosowanie wymienników ciepła o różnej konstrukcji.
Kondensacyjne wymienniki ciepła, w których spaliny schładzane są poniżej punktu rosy, pozwalają na wykorzystanie ciepła utajonego kondensacji pary wodnej i wilgoci paliwa.
Najbardziej rozpowszechnione są wymienniki ciepła kontaktowe i powierzchniowe. Kontaktowe wymienniki ciepła znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle i energetyce ze względu na prostotę konstrukcji, niskie zużycie metalu i dużą intensywność wymiany ciepła (płuczki, wieże chłodnicze). Mają jednak istotną wadę: woda chłodząca zostaje zanieczyszczona w wyniku kontaktu z produktami spalania - gazami spalinowymi.
Pod tym względem atrakcyjniejsze są powierzchniowe wymienniki ciepła, które nie mają bezpośredniego kontaktu produktów spalania z czynnikiem chłodzącym, których wadą jest stosunkowo niska temperatura jego nagrzewania, równa temperaturze mokrego termometru (50... 60°C).
Zalety i wady istniejących wymienników ciepła są szeroko omówione w literaturze specjalistycznej.
Sprawność powierzchniowych wymienników ciepła można znacznie zwiększyć poprzez zmianę sposobu wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem oddającym ciepło i je odbierającym, co ma miejsce w proponowanej konstrukcji wymiennika ciepła.
Pokazano schemat wymiennika ciepła do głębokiego wykorzystania ciepła ze spalin
na obrazku. Korpus 1 wymiennika ciepła opiera się na podstawie 2. W środkowej części korpusu znajduje się izolowany zbiornik 3 w formie pryzmatu, wypełniony wstępnie oczyszczoną wodą bieżącą. Woda wpływa od góry rurą 4 i jest usuwana na dole obudowy 1 za pomocą pompy 5 przez zasuwę 6.
Na dwóch bokach końcowych zbiornika 3 znajdują się płaszcze 7 i 8, odizolowane od części środkowej, których wnęki poprzez objętość zbiornika 3 są połączone ze sobą rzędami poziomych równoległych rur tworzących wiązki rur 9 w które gazy poruszają się w jednym kierunku. Koszula 7 podzielona jest na sekcje: dolną i górną pojedynczą 10 (wysokość h) oraz pozostałych 11 - podwójną (wysokość 2h); koszula 8 ma tylko podwójną sekcję 11. Dolna pojedyncza sekcja 10 koszuli 7 jest połączona wiązką rurek 9 z dolną częścią podwójnej sekcji 11 koszuli 8. Następnie górna część tej podwójnej sekcji 11 koszuli 8 jest połączona za pomocą wiązka rur 9 jest połączona z dnem następnej podwójnej sekcji 11 koszulki 7 itd. Konsekwentnie, górna część odcinka jednego płaszcza jest połączona z dolną częścią odcinka drugiego płaszcza, a górna część tego odcinka jest połączona wiązką rur 9 z dnem kolejnego odcinka pierwszego płaszcz, tworząc w ten sposób zwój o zmiennym przekroju: wiązki rur 9 okresowo naprzemiennie z objętościami odcinków płaszczy. W dolnej części wężownicy znajduje się rura 12 do doprowadzenia spalin, w górnej części rura 13 do odprowadzania gazów. Rury odgałęźne 12 i 13 są połączone ze sobą przewodem obejściowym 4, w którym zainstalowana jest zasuwa 15, przeznaczona do redystrybucji części gorących gazów spalinowych omijających wymiennik ciepła do komina (niepokazanego na rysunku).
Spaliny wchodzą do wymiennika ciepła i dzielą się na dwa strumienie: główna część (około 80%) produktów spalania wchodzi do dolnej pojedynczej sekcji 10 (wysokość h) płaszcza 7 i jest przesyłana rurami wiązki 9 do wężownicy wymiennika ciepła. Reszta (około 20%) wchodzi do przewodu obejściowego 14. Redystrybucja gazów odbywa się w celu podniesienia temperatury schłodzonych gazów spalinowych za wymiennikiem ciepła do 60-70 ° C, aby zapobiec ewentualnej kondensacji resztkowych oparów wilgoci paliwa w końcowe sekcje systemu.
Gazy spalinowe doprowadzane są do wymiennika ciepła od dołu rurą 12 i usuwane do niego
Postępowanie Instorf 11 (64)
Rysunek. Schemat wymiennika ciepła (typ A - połączenie rur z płaszczami) Rysunek. Schemat grzejnika (wygląd A - połączenie rur z koszulami)
górną częścią instalacji jest rura 13. Przygotowana zimna woda napełnia zbiornik od góry rurą 4 i jest usuwana przez pompę 5 i zasuwę 6 umieszczoną w dolnej części obudowy 1. Zwiększa się przeciwprąd wody i spalin efektywność wymiany ciepła.
Ruch spalin przez wymiennik ciepła odbywa się za pomocą oddymiacza technologicznego kotłowni. Aby pokonać dodatkowy opór wytwarzany przez wymiennik ciepła, można zainstalować mocniejszy oddymiacz. Należy pamiętać, że dodatkowy opór hydrauliczny jest częściowo przezwyciężany poprzez zmniejszenie objętości produktów spalania na skutek kondensacji pary wodnej w spalinach.
Konstrukcja wymiennika ciepła zapewnia nie tylko efektywne wykorzystanie ciepła parowania wilgoci paliwa, ale także usunięcie powstałego kondensatu ze strumienia spalin.
Objętość odcinków płaszczy 7 i 8 jest większa niż objętość łączących je rur, więc prędkość gazów w nich jest zmniejszona.
Gazy spalinowe wchodzące do wymiennika ciepła mają temperaturę 150-160°C. Kwasy siarkowy i siarkowy kondensują w temperaturze 130-140°C, więc kondensacja kwasów zachodzi w początkowej części wężownicy. Gdy prędkość przepływu gazu w rozprężających się częściach wężownicy - odcinkach płaszcza maleje, a gęstość kondensatu kwasu siarkowego i siarkawego w stanie ciekłym wzrasta w stosunku do gęstości w stanie gazowym oraz kierunek ruchu przepływu gazów spalinowych zmienia się wielokrotnie (separacja bezwładnościowa), kwaśny kondensat wytrąca się i jest wypłukiwany z gazów, będący częścią kondensatu pary wodnej, do kolektora kwaśnego kondensatu 16, skąd po uruchomieniu przesłony 17 jest usunięte do ścieków przemysłowych.
Większość kondensatu - kondensatu pary wodnej - jest uwalniana przy dalszym spadku temperatury gazów do 60-70 ° C w górnej części wężownicy i wchodzi do kolektora kondensatu wilgoci 18, skąd może zostać wykorzystana jako gorąca woda bez dodatkowego uzdatniania.
Postępowanie Instorf 11 (64)
Rury wężowe muszą być wykonane z materiału antykorozyjnego lub z wewnętrzną powłoką antykorozyjną. Aby zapobiec korozji, wszystkie powierzchnie wymiennika ciepła i rurociągów łączących należy podgumować.
W tej konstrukcji wymiennika ciepła gazy spalinowe zawierające parę wodną paliwa przemieszczają się przez wężownice. Współczynnik przenikania ciepła w tym przypadku wynosi nie więcej niż 10 000 W/(m2°C), dzięki czemu efektywność wymiany ciepła gwałtownie wzrasta. Rury wężownicy znajdują się bezpośrednio w objętości chłodziwa, więc wymiana ciepła odbywa się stale poprzez kontakt. Pozwala to na głębokie schłodzenie spalin do temperatury 40-45°C, a całe odzyskane ciepło odparowania wilgoci paliwa oddawane jest do wody chłodzącej. Woda chłodząca nie ma kontaktu ze spalinami, dlatego może być wykorzystywana bez dodatkowego oczyszczania w obiegu turbiny parowej oraz przez odbiorców ciepłej wody (w systemie zaopatrzenia w ciepłą wodę, podgrzewaniu wody sieciowej powrotnej, potrzeb technologicznych przedsiębiorstw, w szklarniach i szklarniowe itp.). Jest to główna zaleta proponowanej konstrukcji wymiennika ciepła.
Zaletą proponowanego urządzenia jest również to, że w wymienniku ciepła czas przekazywania ciepła z ośrodka gorących spalin do chłodziwa, a co za tym idzie jego temperatura, regulowany jest poprzez zmianę natężenia przepływu cieczy za pomocą zasuwy.
W celu sprawdzenia efektów stosowania wymiennika ciepła wykonano obliczenia cieplno-techniczne dla instalacji kotłowej o wydajności pary kotłowej 30 ton pary/h (temperatura 425°C, ciśnienie 3,8 MPa). W palenisku spala się 17,2 t/h torfu mielonego o wilgotności 50%.
Torf o wilgotności 50% zawiera 8,6 t/h wilgoci, która po spaleniu torfu zamienia się w gazy spalinowe.
Zużycie suchego powietrza (spalin).
Gfl. g. = a x dł. x g,^^ = 1,365 x 3,25 x 17 200 = 76 300 kg d.g./h,
gdzie L = 3,25 kg suchego. g/kg torfu – teoretycznie wymagana ilość powietrza do spalania; a =1,365 - średni współczynnik wycieku powietrza.
1. Ciepło odzysku gazów spalinowych Entalpia gazów spalinowych
J = cm x t + 2,5 d, ^zh/kgG. suchy gaz,
gdzie ccm to pojemność cieplna gazów spalinowych (pojemność cieplna mieszaniny), ^l/kg °K, t to temperatura gazów, °K, d to zawartość wilgoci w spalinach, G. wilgoć/ kg. d.g.
Pojemność cieplna mieszaniny
ссМ = сг + 0,001dcn,
gdzie sg, cn to pojemność cieplna odpowiednio suchego gazu (spalin) i pary.
1.1. Spaliny na wlocie do wymiennika ciepła mają temperaturę 150 - 160°C, przyjmujemy C. g = 150°C; cn = 1,93 - pojemność cieplna pary; сг = 1,017 - pojemność cieplna suchych spalin w temperaturze 150°C; d150, G/kg. suchy d - wilgotność w temperaturze 150°C.
d150 = GM./Gfl. g. = 8600 /76 300 x 103 =
112,7 g/kg. suchy G,
gdzie Gvl. = 8600 kg/h – masa wilgoci w paliwie. scm = 1,017 + 0,001 x 112,7 x 1,93 = 1,2345 ^f/kg.
Entalpia spalin J150 = 1,2345 x 150 + 2,5 x 112,7 = 466,9 ^l/kg.
1.2. Spaliny na wylocie wymiennika ciepła o temperaturze 40°C
scm = 1,017 + 0,001 x 50 x 1,93 = 1,103 ^f/kg °C.
d40 =50 G/kg suchego g.
J40 = 1,103 x 40 + 2,5 x 50 = 167,6 ^f/kg.
1.3. W wymienniku ciepła 20% gazów przechodzi przez przewód obejściowy, a 80% przez wężownicę.
Masa gazów przechodzących przez cewkę i biorących udział w wymianie ciepła
GzM = 0,8Gfl. g = 0,8 x 76 300 = 61 040 kg/h.
1.4. Odzysk ciepła
exc = (J150 – J40) x ^m = (466,9 – 167,68) x
61040 = 18,26 x 106, ^f/h.
Ciepło to jest wykorzystywane do podgrzewania wody chłodzącej
Qx™= szer. x szer. x (t2 - t4),
gdzie W to zużycie wody, kg/h; sv = 4,19 ^l/kg °C – pojemność cieplna wody; t 2, t4 - temperatura wody
Postępowanie Instorf 11 (64)
odpowiednio na wylocie i wlocie wymiennika ciepła; przyjmujemy tx = 8°C.
2. Przepływ wody chłodzącej, kg/s
W=Qyra /(st x (t2 - 8) = (18,26 / 4,19) x 106 / (t2 - 8)/3600 = 4,36 x 106/ (t2 -8) x 3600.
Korzystając z otrzymanej zależności można wyznaczyć natężenie przepływu wody chłodzącej w wymaganej temperaturze, np.:
^, °С 25 50 75
W, kg/s 71,1 28,8 18,0
3. Natężenie przepływu kondensatu G^^ wynosi:
^ond = GBM(d150 – d40) = 61,0 x (112,7 – 50) =
4. Sprawdzenie możliwości kondensacji wilgoci resztkowej powstałej w wyniku odparowania paliwa w końcowych elementach układu.
Średnia zawartość wilgoci w spalinach na wylocie wymiennika ciepła
^р = (d150 x 0,2 Gd.g. + d40 x 0,8 Gd.g.) / GA g1 =
112,7 x 0,2 + 50 x 0,8 = 62,5 G/kg suchej masy. G.
Zgodnie z wykresem J-d ta zawartość wilgoci odpowiada temperaturze punktu rosy równej tp. R. = 56°C.
Rzeczywista temperatura gazów spalinowych na wylocie wymiennika ciepła wynosi
tcjmKT = ti50 x 0,2 + t40 x 0,8 = 150 x 0,2 + 40 x 0,8 = 64°C.
Ponieważ rzeczywista temperatura spalin za wymiennikiem ciepła jest wyższa od punktu rosy, nie nastąpi kondensacja par wilgoci paliwa w końcowych elementach układu.
5. Wydajność
5.1. Efektywność wykorzystania ciepła parowania wilgoci paliwa.
Ilość ciepła dostarczonego do wymiennika ciepła
Q^h = J150 x Gft g = 466,9 x 76 300 =
35,6 x 106, M Dj/godz.
Efektywność Q = (18,26/35,6) x 100 = 51,3%,
gdzie 18,26 x 106, МJ/h jest ciepłem wykorzystania parowania wilgoci paliwa.
5.2. Efektywność wykorzystania wilgoci w paliwie
Efektywność W = ^cond / W) x 100 = (3825 / 8600) x 100 = 44,5%.
Tym samym zaproponowany wymiennik ciepła i sposób jego działania zapewniają głębokie schładzanie gazów spalinowych. W wyniku kondensacji par wilgoci paliwa dramatycznie wzrasta efektywność wymiany ciepła pomiędzy spalinami a chłodziwem. W tym przypadku całe odzyskane utajone ciepło parowania jest przekazywane w celu ogrzania chłodziwa, które można wykorzystać w obiegu turbiny parowej bez dodatkowej obróbki.
Podczas pracy wymiennika ciepła gazy spalinowe są oczyszczane z kwasów siarkowego i siarkowego, dzięki czemu kondensat pary można wykorzystać do dostarczania gorącego ciepła.
Z obliczeń wynika, że wydajność wynosi:
Podczas wykorzystywania ciepła parowania
wilgotność paliwa - 51,3%
Wilgotność paliwa - 44,5%.
Bibliografia
1. Aronow, I.Z. Kontaktowe ogrzewanie wody produktami spalania gazu ziemnego. - L.: Nedra, 1990. - 280 s.
2. Kudinov, A.A. Oszczędność energii w energetyce cieplnej i technologiach cieplnych. - M.: Inżynieria mechaniczna, 2011. - 373 s.
3. Pat. 2555919 (RU).(51) IPC F22B 1|18 (20006.01). Wymiennik ciepła do głębokiego odzysku ciepła ze spalin powierzchniowych i sposób jego działania /
OS Gorfin, B.F. Zyuzin // Odkrycia. Wynalazki. - 2015. - nr 19.
4. Gorfin, O.S., Michajłow, A.V. Maszyny i urządzenia do przeróbki torfu. Część 1. Produkcja brykietów torfowych. - Twer: TvSTU 2013. - 250 s.
Instalacja kondensacji spalin dla kotłów zakładowych “ AprotechInżynieriaAB” (Szwecja)System kondensacji spalin umożliwia wychwytywanie i odzyskiwanie dużej ilości energii cieplnej zawartej w wilgotnych spalinach kotłowych, która najczęściej jest odprowadzana kominem do atmosfery.
Instalacja odzysku ciepła/kondensacji spalin pozwala na zwiększenie dostaw ciepła do odbiorców o 6–35% (w zależności od rodzaju spalanego paliwa i parametrów instalacji) lub zmniejszenie zużycia gazu ziemnego o 6–35%.
Główne zalety:
- Oszczędność paliwa (gaz ziemny) - takie samo lub zwiększone obciążenie cieplne kotła przy mniejszym spalaniu paliwa
- Redukcja emisji CO2, NOx i SOx (przy spalaniu węgla lub paliw płynnych)
- Pozyskanie kondensatu do układu uzupełniania kotła
Zasada działania:
Układ odzysku ciepła/kondensacji spalin może działać dwustopniowo: z wykorzystaniem lub bez zastosowania układu nawilżania powietrza zasilanego palnikami kotła. W razie potrzeby przed układem kondensacyjnym instaluje się płuczkę.
W skraplaczu spaliny są chłodzone wodą powrotną z sieci ciepłowniczej. Gdy temperatura spalin spada, następuje kondensacja dużej ilości pary wodnej zawartej w spalinach. Energia cieplna kondensacji pary wykorzystywana jest do ogrzewania powrotnej sieci ciepłowniczej.
W nawilżaczu następuje dalsze schładzanie gazu i kondensacja pary wodnej. Czynnikiem chłodzącym w nawilżaczu jest powietrze nadmuchowe dostarczane do palników kotła. Ponieważ powietrze podmuchowe jest podgrzewane w nawilżaczu, a ciepły kondensat wtryskiwany jest do strumienia powietrza przed palnikami, w spalinach kotła zachodzi dodatkowy proces parowania.
Powietrze nawiewane do palników kotła zawiera zwiększoną ilość energii cieplnej na skutek podwyższonej temperatury i wilgotności.
Prowadzi to do wzrostu ilości energii w spalinach trafiających do skraplacza, co w efekcie prowadzi do bardziej efektywnego wykorzystania ciepła przez system ciepłowniczy.
Jednostka kondensacji spalin wytwarza również kondensat, który w zależności od składu gazów spalinowych będzie dalej oczyszczany przed wprowadzeniem do kotła.
Efekt ekonomiczny.
Porównanie mocy cieplnej w następujących warunkach:
- Brak kondensacji
- Kondensacja gazów spalinowych
- Kondensacja wraz z nawilżaniem powietrza dostarczanego do spalania
Instalacja kondensacji spalin pozwala istniejącej kotłowni na:
- Zwiększ produkcję ciepła o 6,8% lub
- Zmniejszenie zużycia gazu o 6,8% oraz zwiększenie przychodów ze sprzedaży kwot CO,NO
- Wielkość inwestycji to około 1 milion euro (dla kotłowni o mocy 20 MW)
- Okres zwrotu wynosi 1-2 lata.
Oszczędności w zależności od temperatury płynu chłodzącego w rurze powrotnej:
Wykorzystanie ciepła gazów spalinowych w kotłowniach przemysłowych opalanych gazem
Wykorzystanie ciepła gazów spalinowych w kotłowniach przemysłowych opalanych gazem
Kandydat nauk technicznych Sizov V.P., Doktor nauk technicznych Yuzhakov A.A., Kandydat nauk technicznych Kapger I.V.,
Permavtomatika LLC,
sizowperm@ Poczta .ru
Streszczenie: Ceny gazu ziemnego na świecie znacznie się różnią. Zależy to od członkostwa kraju w WTO, tego, czy kraj eksportuje, czy importuje swój gaz, kosztów wydobycia gazu, stanu przemysłu, decyzji politycznych itp. Cena gazu w Federacji Rosyjskiej w związku z przystąpieniem naszego kraju do WTO będzie tylko rosła, a rząd planuje wyrównywanie cen gazu ziemnego zarówno w kraju, jak i za granicą. Porównajmy z grubsza ceny gazu w Europie i Rosji.
Rosja – 3 ruble/m3.
Niemcy - 25 rubli/m3.
Dania - 42 ruble/m3.
Ukraina, Białoruś – 10 rubli/m3.
Ceny są całkiem rozsądne. W krajach europejskich powszechnie stosowane są kotły kondensacyjne, których łączny udział w procesie wytwarzania ciepła sięga 90%. W Rosji kotły te nie są używane głównie ze względu na wysoki koszt kotłów, niski koszt gazu i scentralizowane sieci wysokotemperaturowe. A także poprzez utrzymanie systemu ograniczania spalania gazu w kotłowniach.
Obecnie kwestia pełniejszego wykorzystania energii chłodziwa staje się coraz bardziej istotna. Uwalnianie ciepła do atmosfery nie tylko powoduje dodatkową presję na środowisko, ale także zwiększa koszty właścicieli kotłowni. Jednocześnie nowoczesne technologie pozwalają na pełniejsze wykorzystanie ciepła gazów spalinowych i zwiększenie sprawności kotła liczonej w oparciu o dolną wartość opałową aż do wartości 111%. Straty ciepła ze spalinami zajmują główne miejsce wśród strat ciepła kotła i wynoszą 5 ¸ 12% wytworzonego ciepła. Dodatkowo można wykorzystać ciepło kondensacji pary wodnej powstałej podczas spalania paliwa. Ilość ciepła wydzielanego podczas kondensacji pary wodnej zależy od rodzaju paliwa i waha się od 3,8% dla paliw ciekłych do 11,2% dla paliw gazowych (dla metanu) i jest określana jako różnica pomiędzy wyższym i niższym ciepłem spalania paliwa (tabela 1).
Tabela 1 - Wartości wyższych i niższych wartości opałowych dla różnych rodzajów paliw
|
Typ paliwa |
szt. (kcal) |
PCI ( Kcal ) |
Różnica (%) |
|
Olej opałowy |
|||
Okazuje się, że spaliny zawierają zarówno ciepło jawne, jak i utajone. Co więcej, ten ostatni może osiągnąć wartość, która w niektórych przypadkach przekracza ciepło jawne. Ciepło jawne to ciepło, w którym zmiana ilości ciepła dostarczonego do ciała powoduje zmianę jego temperatury. Ciepło utajone to ciepło parowania (kondensacji), które nie powoduje zmiany temperatury ciała, lecz służy zmianie stanu skupienia ciała. Stwierdzenie to ilustruje wykres (ryc. 1, na którym na osi odciętych naniesiono entalpię (ilość dostarczonego ciepła), a na osi rzędnych temperaturę).
Ryż. 1 – Zależność zmiany entalpii dla wody
Na odcinku wykresu A-B woda jest podgrzewana od temperatury 0°C do temperatury 100°C. W tym przypadku całe ciepło dostarczane do wody jest wykorzystywane do podniesienia jej temperatury. Następnie zmianę entalpii określa się wzorem (1)
(1)
gdzie c to pojemność cieplna wody, m to masa podgrzanej wody, Dt – różnica temperatur.
Sekcja wykresu B-C przedstawia proces wrzenia wody. W tym przypadku całe ciepło dostarczane do wody jest wydawane na przekształcenie jej w parę, przy czym temperatura pozostaje stała - 100 ° C. Sekcja C-D wykresu pokazuje, że cała woda zamieniła się w parę (odparowaną), po czym ciepło jest zużywane na podniesienie temperatury pary. Następnie zmianę entalpii dla odcinka A-C opisuje wzór (2)
Gdzie r = 2500 kJ/kg – ciepło utajone parowania wody pod ciśnieniem atmosferycznym.
Największa różnica pomiędzy najwyższą i najniższą wartością opałową wynika z tabeli. 1, metan, a więc gaz ziemny (do 99% metanu) daje najwyższą rentowność. Stąd wszelkie dalsze obliczenia i wnioski zostaną podane dla gazu na bazie metanu. Rozważ reakcję spalania metanu (3)
Z równania tej reakcji wynika, że do utlenienia jednej cząsteczki metanu potrzebne są dwie cząsteczki tlenu, tj. Do całkowitego spalenia 1 m 3 metanu potrzebne są 2 m 3 tlenu. Powietrze atmosferyczne, będące mieszaniną gazów, wykorzystywane jest jako utleniacz podczas spalania paliwa w jednostkach kotłowych. Do obliczeń technicznych przyjmuje się, że warunkowy skład powietrza składa się z dwóch składników: tlenu (21% obj.) i azotu (79% obj.). Biorąc pod uwagę skład powietrza, aby przeprowadzić reakcję spalania, całkowite spalanie gazu będzie wymagało objętości powietrza 100/21 = 4,76 razy większej niż tlenu. Zatem do spalenia 1 m 3 metanu potrzeba 2 ×4,76=9,52 powietrza. Jak widać z równania reakcji utleniania, wynikiem jest dwutlenek węgla, para wodna (gazy spalinowe) i ciepło. Ciepło wydzielające się podczas spalania paliwa zgodnie z (3) nazywane jest wartością opałową paliwa (PCI).
Jeśli schłodzimy parę wodną, to w pewnych warunkach zacznie ona ulegać kondensacji (przejście ze stanu gazowego w ciecz) i jednocześnie zostanie wydzielona dodatkowa ilość ciepła (utajone ciepło parowania/kondensacji) Ryc. 2.
Ryż. 2 – Wydzielanie ciepła podczas kondensacji pary wodnej
Należy pamiętać, że para wodna zawarta w spalinach ma nieco inne właściwości niż czysta para wodna. Występują w mieszaninie z innymi gazami i ich parametry odpowiadają parametrom mieszaniny. Dlatego temperatura, w której rozpoczyna się kondensacja, różni się od 100°C. Wartość tej temperatury zależy od składu spalin, co z kolei jest konsekwencją rodzaju i składu paliwa, a także współczynnika nadmiaru powietrza.
Temperatura gazów spalinowych, przy której rozpoczyna się kondensacja pary wodnej w produktach spalania paliwa, nazywana jest punktem rosy i wygląda jak na rys. 3.
Ryż. 3 – Punkt rosy metanu
W konsekwencji dla gazów spalinowych, które są mieszaniną gazów i pary wodnej, entalpia zmienia się według nieco innego prawa (rys. 4).
Rysunek 4 – Wydzielanie ciepła z mieszaniny pary i powietrza
Z wykresu na ryc. 4 można wyciągnąć dwa istotne wnioski. Po pierwsze, temperatura punktu rosy jest równa temperaturze, do której schłodzono spaliny. Po drugie, nie trzeba przechodzić przez to jak na ryc. 2, całą strefę kondensacji, co jest nie tylko praktycznie niemożliwe, ale i niepotrzebne. To z kolei stwarza różne możliwości realizacji bilansu cieplnego. Innymi słowy, do chłodzenia gazów spalinowych można zastosować prawie każdą niewielką ilość chłodziwa.
Z powyższego wynika, że obliczając sprawność kotła na podstawie niższej wartości opałowej i późniejszego wykorzystania ciepła gazów spalinowych i pary wodnej, można znacznie zwiększyć sprawność (ponad 100%). Na pierwszy rzut oka jest to sprzeczne z prawami fizyki, ale w rzeczywistości nie ma tu sprzeczności. Sprawność takich układów należy obliczać w oparciu o wyższą wartość opałową, a wyznaczanie sprawności w oparciu o niższą wartość opałową należy przeprowadzać tylko w przypadku konieczności porównania jej sprawności z sprawnością kotła konwencjonalnego. Tylko w tym kontekście efektywność > 100% ma sens. Uważamy, że dla takich instalacji bardziej poprawne jest podanie dwóch wydajności. Stwierdzenie problemu można sformułować w następujący sposób. Aby pełniej wykorzystać ciepło spalania gazów spalinowych, należy je schłodzić do temperatury poniżej punktu rosy. W takim przypadku para wodna powstająca podczas spalania gazu będzie się skraplać i przekaże utajone ciepło parowania do chłodziwa. W takim przypadku chłodzenie gazów spalinowych musi odbywać się w wymiennikach ciepła o specjalnej konstrukcji, zależnej głównie od temperatury gazów spalinowych i temperatury wody chłodzącej. Najbardziej atrakcyjne jest zastosowanie wody jako chłodziwa pośredniego, gdyż w tym przypadku możliwe jest zastosowanie wody o możliwie najniższej temperaturze. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie temperatury wody na wylocie z wymiennika ciepła np. 54°C, a następnie jej wykorzystanie. Jeśli przewód powrotny jest używany jako czynnik chłodzący, jego temperatura powinna być jak najniższa, a często jest to możliwe tylko wtedy, gdy odbiorcami są niskotemperaturowe systemy grzewcze.
Spaliny z kotłów dużej mocy odprowadzane są najczęściej do rury żelbetowej lub ceglanej. Jeśli nie zostaną podjęte specjalne środki w celu późniejszego podgrzania częściowo wysuszonych gazów spalinowych, rura zamieni się w kondensacyjny wymiennik ciepła ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami. Istnieją dwa sposoby rozwiązania tego problemu. Pierwszy sposób polega na zastosowaniu obejścia, w którym część gazów np. 80% przepuszczana jest przez wymiennik ciepła, a druga część w ilości 20% przepuszczana jest przez obejście i mieszana z częściowo wysuszone gazy. W ten sposób podgrzewając gazy, przesuwamy punkt rosy do wymaganej temperatury, w której rura ma gwarancję pracy w trybie suchym. Drugą metodą jest zastosowanie rekuperatora płytowego. W takim przypadku spaliny przechodzą przez rekuperator kilka razy, nagrzewając się w ten sposób.
Rozważmy przykład obliczenia typowej rury o długości 150 m (ryc. 5-7), która ma budowę trójwarstwową. Obliczenia wykonano w pakiecie oprogramowania Ansys -CFX . Z rysunków jasno wynika, że ruch gazu w rurze ma wyraźnie turbulentny charakter i w efekcie minimalna temperatura na wykładzinie może nie znajdować się w obszarze końcówki, jak wynika z uproszczonej metodologii empirycznej .
Ryż. 7 – pole temperaturowe na powierzchni okładziny
Należy zauważyć, że podczas instalowania wymiennika ciepła w ścieżce gazowej jego opór aerodynamiczny wzrośnie, ale zmniejszy się objętość i temperatura gazów spalinowych. Prowadzi to do zmniejszenia prądu oddymiacza. Powstawanie kondensatu stawia specjalne wymagania elementom ścieżki gazowej w zakresie stosowania materiałów odpornych na korozję. Ilość kondensatu wynosi około 1000-600 kg/godzinę na 1 Gcal użytecznej mocy wymiennika ciepła. Wartość pH kondensatu produktów spalania podczas spalania gazu ziemnego wynosi 4,5-4,7, co odpowiada środowisku kwaśnemu. W przypadku niewielkiej ilości kondensatu istnieje możliwość zastosowania wymiennych bloków neutralizujących kondensat. Jednak w przypadku dużych kotłowni konieczne jest zastosowanie technologii dozowania sody kaustycznej. Jak pokazuje praktyka, niewielkie ilości kondensatu można wykorzystać do uzupełnienia bez jakiejkolwiek neutralizacji.
Należy podkreślić, że głównym problemem w projektowaniu powyższych układów jest zbyt duża różnica entalpii na jednostkę objętości substancji, a wynikającym z tego problemem technicznym jest rozwinięcie się powierzchni wymiany ciepła po stronie gazowej. Przemysł Federacji Rosyjskiej produkuje masowo podobne wymienniki ciepła, takie jak KSK, VNV itp. Rozważmy, jak rozwinięta jest powierzchnia wymiany ciepła po stronie gazowej na istniejącej konstrukcji (rys. 8). Zwykła rurka, w której do środka przepływa woda (ciecz), a z zewnątrz powietrze (spaliny) przepływa wzdłuż żeberek chłodnicy. Obliczony współczynnik grzejnika zostanie wyrażony przez pewną wartość
Ryż. 8 – rysunek rurki grzejnika.
współczynnik
K =S nar /S vn, (4),
Gdzie S nar – zewnętrzna powierzchnia wymiennika ciepła mm 2, oraz S wn – wewnętrzna powierzchnia tuby.
W obliczeniach geometrycznych konstrukcji otrzymujemy K =15. Oznacza to, że zewnętrzna powierzchnia tuby jest 15 razy większa niż powierzchnia wewnętrzna. Wyjaśnia to fakt, że entalpia powietrza na jednostkę objętości jest wielokrotnie mniejsza niż entalpia wody na jednostkę objętości. Obliczmy, ile razy entalpia litra powietrza jest mniejsza od entalpii litra wody. Z
entalpia wody: Ein = 4,183 KJ/l*K.
entalpia powietrza: E powietrze = 0,7864 J/l*K. (w temperaturze 130 0 C).
Stąd entalpia wody jest 5319 razy większa niż entalpia powietrza, a zatem K =S nar /S wn . Idealnie w takim wymienniku współczynnik K powinien wynosić 5319, ale ponieważ powierzchnia zewnętrzna w stosunku do powierzchni wewnętrznej rozwinęła się 15-krotnie, różnica entalpii zasadniczo pomiędzy powietrzem i wodą sprowadza się do wartości K = (5319/15) = 354. Opracuj technicznie stosunek obszarów powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej, aby uzyskać stosunek K =5319 bardzo trudne lub prawie niemożliwe. Aby rozwiązać ten problem, spróbujemy sztucznie zwiększyć entalpię powietrza (gazów spalinowych). W tym celu należy spryskać wodę (kondensat tego samego gazu) z dyszy do spalin. Rozpylajmy go w takiej ilości w stosunku do gazu, aby cała rozpylona woda całkowicie odparowała w gazie, a wilgotność względna gazu osiągnęła 100%. Wilgotność względną gazu można obliczyć na podstawie tabeli 2.
Tabela 2. Wartości bezwzględnej wilgotności gazu przy wilgotności względnej 100% dla wody w różnych temperaturach i ciśnieniach atmosferycznych.
|
T,°C |
A,g/m3 |
T,°C |
A,g/m3 |
T,°C |
A,g/m3 |
|
86,74 |
|||||
Z ryc. 3 jasno wynika, że przy bardzo wysokiej jakości palniku możliwe jest osiągnięcie temperatury punktu rosy w spalinach T dew = 60 0 C. W tym przypadku temperatura tych gazów wynosi 130 0 C. Bezwzględna zawartość wilgoci w gazie (wg tabeli 2) przy T dew = 60 0 C będzie wynosić 129,70 g/m 3 . Jeśli do tego gazu zostanie wtryśnięta woda, jego temperatura gwałtownie spadnie, gęstość wzrośnie, a entalpia gwałtownie wzrośnie. Należy zaznaczyć, że nie ma sensu spryskiwać wodą powyżej 100% wilgotności względnej, gdyż... Gdy próg wilgotności względnej przekroczy 100%, rozpylona woda przestanie parować i przekształci się w gaz. Dokonajmy małego obliczenia wymaganej ilości rozpylonej wody dla następujących warunków: Tg – początkowa temperatura gazu równa 120 0 C, Wzrost T - wymagany punkt rosy gazu 60 0 C (129,70 g/m 3). IT: Tgk – temperatura końcowa gazu i Mv – masa wody rozpylonej w gazie (kg.)
Rozwiązanie. Wszystkie obliczenia przeprowadza się w odniesieniu do 1 m 3 gazu. O złożoności obliczeń decyduje fakt, że w wyniku atomizacji zmienia się zarówno gęstość gazu, jak i jego pojemność cieplna, objętość itp. Ponadto zakłada się, że parowanie zachodzi w absolutnie suchym gazie, i energia potrzebna do podgrzania wody nie jest brana pod uwagę.
Obliczmy ilość energii oddanej przez gaz wodzie podczas jej parowania
gdzie: c – pojemność cieplna gazu (1 KJ/kg.K), M – masa gazu (1 kg/m 3)
Obliczmy ilość energii oddanej przez wodę podczas parowania w gaz
Gdzie: R – ukryta energia parowania (2500 KJ/kg), M – masa odparowanej wody
W wyniku podstawienia otrzymujemy funkcję
(5)
Należy wziąć pod uwagę, że nie ma możliwości rozpylenia większej ilości wody niż podano w tabeli 2, a gaz zawiera już odparowaną wodę. Poprzez selekcję i obliczenia otrzymaliśmy wartość M = 22 g, Tgk = 65 0 C. Obliczmy rzeczywistą entalpię powstałego gazu, biorąc pod uwagę, że jego wilgotność względna wynosi 100%, a po ochłodzeniu zostanie uwolniona zarówno energia utajona, jak i jawna. Następnie według otrzymamy sumę dwóch entalpii. Entalpia gazu i entalpia skroplonej wody.
E voz = Np. + Evod
Np znajdujemy w literaturze przedmiotu 1.1 (KJ/m 3 *K)
EwodObliczamy względem tabeli. 2. Nasz gaz schładzając się z 65 0 C do 64 0 C uwalnia 6,58 grama wody. Entalpia kondensacji wynosi Evod=2500 J/g lub w naszym przypadku Evod=16,45 KJ/m3
Podsumujmy entalpię skroplonej wody i entalpię gazu.
E voz =17,55 (J/l*K)
Jak widać rozpylając wodę, udało nam się zwiększyć entalpię gazu 22,3 razy. Jeżeli przed rozpyleniem wody entalpia gazu wynosiła E powietrze = 0,7864 J/l*K. (w temperaturze 130 0 C). Następnie po rozpylaniu entalpia jest Evoz = 17,55 (J/l*K). Oznacza to, że aby uzyskać tę samą energię cieplną na tym samym standardowym wymienniku ciepła typu KSK, VNV, powierzchnię wymiennika ciepła można zmniejszyć 22,3 razy. Przeliczony współczynnik K (wartość była równa 5319) staje się równy 16. Dzięki temu współczynnikowi wymiennik ciepła uzyskuje całkiem realne wymiary.
Kolejną ważną kwestią przy tworzeniu takich systemów jest analiza procesu natryskiwania, tj. jaka średnica kropli jest potrzebna, aby woda odparowała w gazie. Jeśli kropelka jest wystarczająco mała (na przykład 5 μM), wówczas czas życia tej kropelki w gazie przed całkowitym odparowaniem jest dość krótki. A jeśli kropelka ma wielkość np. 600 µM, to naturalnie pozostaje w gazie znacznie dłużej, zanim całkowicie odparuje. Rozwiązanie tego problemu fizycznego jest dość skomplikowane ze względu na fakt, że proces parowania zachodzi przy stale zmieniających się charakterystykach: temperaturze, wilgotności, średnicy kropel itp. Dla tego procesu przedstawiono rozwiązanie oraz wzór na obliczenie czasu całkowitego parowanie ( ) wyglądają krople
(6)
Gdzie: ρ I - gęstość cieczy (1 kg/dm 3), R – energia parowania (2500 kJ/kg), λ g – przewodność cieplna gazu (0,026 J/m 2 K), D 2 – średnica kropli (m), Δ T – średnia różnica temperatur pomiędzy gazem i wodą (K).
Następnie, zgodnie z (6), czas życia kropli o średnicy 100 µM. (1*10 -4 m) wynosi τ = 2*10 -3 godzin lub 1,8 sekundy, a czas życia kropli o średnicy 50 µM. (5*10 -5 m) równa się τ = 5*10 -4 godzin lub 0,072 sekundy. Odpowiednio, znając czas życia kropli, jej prędkość lotu w przestrzeni, natężenie przepływu gazu i wymiary geometryczne przewodu gazowego, można łatwo obliczyć system nawadniania przewodu gazowego.
Poniżej rozważymy realizację projektu systemu, biorąc pod uwagę otrzymane powyżej zależności. Uważa się, że wymiennik ciepła spalin musi działać w zależności od temperatury zewnętrznej, w przeciwnym razie rura domowa zostanie zniszczona, gdy utworzy się w niej kondensacja. Można jednak wyprodukować wymiennik ciepła, który działa niezależnie od temperatury panującej na ulicy i lepiej odprowadza ciepło ze spalin, nawet do temperatur ujemnych, pomimo tego, że temperatura spalin będzie wynosić np. +10 0 C (punkt rosy tych gazów wyniesie 0 0 C). Zapewnia to fakt, że podczas wymiany ciepła sterownik oblicza punkt rosy, energię wymiany ciepła i inne parametry. Rozważmy schemat technologiczny proponowanego systemu (ryc. 9).
Zgodnie ze schematem technologicznym w wymienniku ciepła zamontowane są: regulowane przepustnice a-b-c-d; wymienniki ciepła d-e-zh; czujniki temperatury 1-2-3-4-5-6; o Zraszacz (pompa H i grupa dysz); kontroler kontrolny.
Zastanówmy się nad funkcjonowaniem proponowanego systemu. Pozwolić, aby spaliny wydostały się z kotła. na przykład temperatura 120 0 C i punkt rosy 60 0 C (wskazany na wykresie jako 120/60). Czujnik temperatury (1) mierzy temperaturę gazów spalinowych z kotła. Punkt rosy obliczany jest przez sterownik w odniesieniu do stechiometrii spalania gazu. Na drodze gazu pojawia się bramka (a). To jest migawka awaryjna. która zamyka się w przypadku naprawy, nieprawidłowego działania, remontu, konserwacji itp. W ten sposób klapa (a) jest całkowicie otwarta i bezpośrednio przepuszcza spaliny z kotła do oddymiacza. W tym schemacie odzysk ciepła wynosi zero; w rzeczywistości schemat usuwania spalin zostaje przywrócony tak, jak przed instalacją wymiennika ciepła. W stanie roboczym brama (a) jest całkowicie zamknięta i 100% gazów dostaje się do wymiennika ciepła.
W wymienniku ciepła gazy trafiają do rekuperatora (e), gdzie są schładzane, ale w żadnym wypadku nie poniżej punktu rosy (60 0 C). Przykładowo schładzano je do 90°C. Nie wydzielała się w nich wilgoć. Temperaturę gazu mierzy się czujnikiem temperatury 2. Temperaturę gazów za rekuperatorem można regulować za pomocą bramki (b). Regulacja jest konieczna w celu zwiększenia wydajności wymiennika ciepła. Ponieważ podczas kondensacji wilgoci masa zawarta w gazach maleje w zależności od tego, jak bardzo gazy zostały schłodzone, możliwe jest usunięcie z nich do 2/11 całkowitej masy gazów w postaci wody. Skąd wzięła się ta liczba? Rozważmy wzór chemiczny reakcji utleniania metanu (3).
Do utlenienia 1 m 3 metanu potrzeba 2 m 3 tlenu. Ponieważ jednak powietrze zawiera tylko 20% tlenu, do utlenienia 1 m3 metanu potrzeba 10 m 3 powietrza. Po spaleniu tej mieszaniny otrzymujemy: 1 m 3 dwutlenku węgla, 2 m 3 pary wodnej i 8 m 3 azotu i innych gazów. W drodze kondensacji możemy usunąć ze spalin niecałe 2/11 wszystkich gazów spalinowych w postaci wody. W tym celu należy schłodzić spaliny do temperatury zewnętrznej. Z uwolnieniem odpowiedniej proporcji wody. Powietrze pobierane z ulicy do spalania również zawiera niewielką ilość wilgoci.
Uwolniona woda jest usuwana na dnie wymiennika ciepła. Odpowiednio, jeśli cały skład gazów (11/11 części) przejdzie wzdłuż ścieżki kotła-rekuperatora (e) - jednostki odzysku ciepła (e), wówczas tylko 9/11 części gazów spalinowych może przejść drugą stroną rekuperatora (e). Reszta - do 2/11 części gazu w postaci wilgoci - może wypaść w wymienniku ciepła. Aby zminimalizować opór aerodynamiczny wymiennika ciepła, bramkę (b) można lekko otworzyć. W takim przypadku gazy spalinowe zostaną oddzielone. Część przejdzie przez rekuperator (e), a część przez bramę (b). Gdy bramka (b) zostanie całkowicie otwarta, gazy przejdą przez nią bez chłodzenia, a odczyty czujników temperatury 1 i 2 będą się pokrywać.
Wzdłuż ścieżki gazów zainstalowany jest system nawadniający z pompą H i grupą dysz. Gazy są nawadniane wodą uwalnianą podczas kondensacji. Wtryskiwacze rozpylające wilgoć do gazu gwałtownie podwyższają jego punkt rosy, schładzają go i sprężają adiabatycznie. W rozważanym przykładzie temperatura gazu spada gwałtownie do 62/62, a ponieważ woda rozpylona w gazie całkowicie odparowuje w gazie, punkt rosy i temperatura gazu pokrywają się. Po dotarciu do wymiennika ciepła (e) uwalniana jest na nim ukryta energia cieplna. Ponadto gęstość przepływu gazu gwałtownie wzrasta, a jego prędkość gwałtownie maleje. Wszystkie te zmiany znacząco zmieniają efektywność wymiany ciepła na lepsze. Ilość rozpylanej wody ustalana jest przez sterownik i jest powiązana z temperaturą oraz przepływem gazu. Temperatura gazu przed wymiennikiem ciepła jest monitorowana przez czujnik temperatury 6.
Następnie gazy wchodzą do wymiennika ciepła (e). W wymienniku ciepła gazy schładzają się np. do temperatury 35 0 C. Odpowiednio punkt rosy dla tych gazów również będzie wynosić 35 0 C. Kolejnym wymiennikiem ciepła na drodze spalin jest ciepło wymiennik (g). Służy do podgrzewania powietrza do spalania. Temperatura powietrza nawiewanego do takiego wymiennika ciepła może sięgać -35 0 C. Temperatura ta zależy od minimalnej temperatury powietrza zewnętrznego w danym regionie. Ponieważ część pary wodnej jest usuwana ze spalin, masowy przepływ gazów spalinowych prawie pokrywa się z masowym przepływem powietrza do spalania. Na przykład napełnij wymiennik ciepła środkiem niezamarzającym. Pomiędzy wymiennikami ciepła zainstalowana jest bramka (c). Bramka ta działa również w trybie dyskretnym. Kiedy na zewnątrz robi się ciepło, nie ma sensu odbierać ciepła z wymiennika ciepła (g). Zatrzymuje swoją pracę, a brama (c) otwiera się całkowicie, umożliwiając przejście gazów spalinowych z pominięciem wymiennika ciepła (g).
Temperaturę schłodzonych gazów określa czujnik temperatury (3). Gazy te przesyłane są następnie do rekuperatora (d). Po przejściu przez niego nagrzewają się do określonej temperatury proporcjonalnej do ochłodzenia gazów po drugiej stronie rekuperatora. Brama (g) służy do regulacji wymiany ciepła w rekuperatorze, a stopień jej otwarcia zależny jest od temperatury zewnętrznej (z czujnika 5). Odpowiednio, jeśli na zewnątrz jest bardzo zimno, wówczas zasuwa (d) jest całkowicie zamknięta, a gazy są podgrzewane w rekuperatorze, aby uniknąć punktu rosy w rurze. Jeśli na zewnątrz jest gorąco, brama (d) jest otwarta, podobnie jak bramka (b).
WNIOSKI:
Wzrost wymiany ciepła w wymienniku ciepła ciecz/gaz następuje na skutek gwałtownego skoku entalpii gazu. Jednak proponowane zraszanie wodą powinno odbywać się w ściśle odmierzonych dawkach. Dodatkowo przy dozowaniu wody do spalin uwzględniana jest temperatura zewnętrzna.
Otrzymana metoda obliczeniowa pozwala uniknąć kondensacji wilgoci w kominie i znacznie zwiększyć sprawność zespołu kotłowego. Podobną technikę można zastosować w turbinach gazowych i innych urządzeniach skraplających.
Dzięki proponowanej metodzie konstrukcja kotła nie ulega zmianie, a jedynie ulega modyfikacji. Koszt modyfikacji wynosi około 10% kosztu kotła. Okres zwrotu inwestycji przy obecnych cenach gazu wynosi około 4 miesiące.
Takie podejście może znacznie zmniejszyć zużycie metalu w konstrukcji, a co za tym idzie, jego koszt. Ponadto znacznie spada opór aerodynamiczny wymiennika ciepła i zmniejsza się obciążenie oddymiacza.
LITERATURA:
1.Aronow I.Z. Wykorzystanie ciepła ze spalin z kotłowni zgazowanych. – M.: „Energia”, 1967. – 192 s.
2.Tadeusz Hobler. Przenikanie ciepła i wymienniki ciepła. – Leningrad: Państwowa publikacja naukowa literatury chemicznej, 1961. – 626 s.