Утилизация теплоты продуктов сгорания. Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи Для утилизации сбросной теплоты

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский Государственный Технический Университет»

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Выполнил: Студент Рябинина Е.А.

ЗФ курс III группа 19

Проверил: Консультант Чуркина А.Ю.

Самара 2010 г.

Введение

На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). К ним относятся уходящие газы различных котлов и технологических печей, охлаждаемые потоки, охлаждающая вода и отработанный пар.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности за счет ВЭР удовлетворяется боле 26 % потребности в тепле, в содовой промышленности – более 11 %.

Количество использованных ВЭР зависит от трех факторов: температуры ВЭР, их тепловой мощности и непрерывности выхода.

В настоящее время наибольшее распространение получила утилизация тепла отходящих производственных газов, которые почти для всех огнетехнических процессов имеют высокий температурный потенциал и в большинстве производств могут использоваться непрерывно. Тепло отходящих газов является основной состовляющей энергетического баланса. Его используют преимущественно для технологических, а в некоторых случаях – и для энергетических целей (в котлах-утилизаторах).

Однако широкое использование высокотемпературных тепловых ВЭР связано с разработкой методов утилизации, в том числе тепла раскаленных шлаков, продуктов и т. д., новых способов утилизации тепла отходящих газов, а также с совершенствованием конструкций существующего утилизационного оборудования.

1. Описание технологической схемы

В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высокую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходящих газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большему расходу топлива. Поэтому необходимо использовать тепло отходящих газов. Этого можно достигнуть либо применением воздухоподогревателя, нагревающего воздух, поступающий в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар, необходимый для технологических нужд.

Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемый двигателем воздуходувки.

Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важно предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура поверхности теплообмена ниже температуры точки росы; при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухоподогревателя, значительно охлаждается, содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует агрессивную слабую кислоту.

Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Одним из наиболее надежных способов защиты от коррозии является предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.

Источником теплоты, для повышения температуры насыщенного пара, является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвекционной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь и поступают в котел-утилизатор. На выходе из КУ насыщенный водяной пар поступает обратно на подачу в печь перегрева пара, а дымовые газы, охлаждаясь питательной водой, поступают в воздухоподогреватель. Из воздухопо-догревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы – в атмосферу.

2. Расчет печи

2.1 Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q р н. Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q р н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, но правилу аддитивности:

где Q pi н - теплота сгорания i-гo компонента топлива;

y i - концентрация i-гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q р н см = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м 3 .

Молярную масса топлива:

M m = Σ M i ∙ y i ,

где M i – молярная масса i-гo компонента топлива, отсюда:

M m =16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/моль.

кг/м 3 ,

тогда Q р н см, выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты расчета сводим в табл. 1:

Состав топлива Таблица 1

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

,

где n i C , n i H , n i N , n i O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

Содержание каждого компонента топлива, масс. %;

M i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М m - молярная масса топлива.

Проверка состава:

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L 0 , кг/кг, вычисляется по формуле:

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:

где L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент избытка воздуха,

L=1,25∙17,0 = 21,25 кг/кг.

Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

где ρ в = 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях,

м 3 /кг.

Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

где m CO2 , m H2O , m N2 , m O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m п. с = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2 ,

m п. с = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

где W ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W ф = 0),

Поскольку топливо – газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

где m i - масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м 3 ;

М i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный объем, м 3 /кмоль,

м 3 /кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; м 3 /кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:

V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2 ,

V = 1,38 + 2,75+ 13,06 + 0,70 = 17,89 м 3 /кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

кг/м 3 .

Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Средние удельные теплоемкости газов с р, кДж/(кг∙К) Таблица 2

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

где с CO2 , с H2O , с N2 , с О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t, кДж/(кг · К);

с t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

при 100 °С: кДж/(кг∙К);

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

Результаты расчетов сводим в табл. 3.

Энтальпия продуктов сгорания Таблица 3

Введение

Литература

Введение

В настоящее время в использовании вторичных энергетических ресурсов имеются значительные резервы.

Задача максимального использования ВЭР имеет не только экономическое, но и социальное значение, поскольку снижение расходов топлива, обеспечиваемое использованием ВЭР, уменьшает вредные выбросы и снижает загрязнение окружающей среды.

ВЭР нельзя рассматривать как даровые дополнительные источники энергии. Они являются результатом энергетического несовершенства технологических производств, поэтому необходимо стремиться к снижению их выхода за счет более полного использования топлива в самом технологическом агрегате. В этом состоит основная задача повышения эффективности теплотехнических производств, наиболее полного использования ВЭР, как неизбежного спутника этих процессов.

Пределом идеальной организации производств является создание безотходная по материалам и энергии технологии.

1. Классификация вторичных энергоресурсов

Предприятие черной металлургии потребляет большое количество топлива, тепловой и электрической энергии. Наряду с этими технологиями металлургического производства характеризуется значительным выходом вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

По виду энергии ВЭР делятся на горючие (топливные), тепловые и избыточного давления.

Горючие ВЭР - побочные газообразные продукты технологических процессов, которые могут быть использованы в качестве энергетического или технологического топлива.

Тепловые ВЭР - физическая теплота основных и побочных продуктов, отходящих газов технологических агрегатов, а так же систем охлаждения их элементов.

ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов, выходящих из технологических агрегатов с избыточным давлением, которое может быть использовано других видов энергии.

2. Виды ВЭР и способы их использования

Выход ВЭР - количество ВЭР, образующиеся в технологическом агрегате.

Выход ВЭР для горючих: q гор = m Qр;

для тепловых: qт =mі;

для ВЭР избыточного давления: qи = ml;

где q - выход соответствующих ВЭР, m - удельное или часовое количество энергоносителя, Qр - низшая теплота сгорания, і -

энтальпия энергоносителя, l - работа изоэнтропийного расширения газов.

Характеристика горючих ВЭР черной металлургии:

Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химический состав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса. Доля негорючих компонентов азота и углекислого газа в доменном газе составляет 70%. При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания равна 1487 С. На выходе из печи газ загрязнен колошниковой пылью. Использовать доменный газ в качестве топлива можно только после его очистки.

Ферросплавный газ - образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Суммарное содержание сероводорода и оксида серы (4) в пересчете на оксид серы (4) не должно превышать 1 г\м3 .

Конвертерный газ - образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ в основном состоит из оксида углерода. В качестве топливных ВЭР конвертерный газ используется при отводе без дожигания.

Ценное технологическое и энергетическое топливо.

Коксовый газ - образуется при коксовании угольной шихты. В черной металлургии в качестве топлива используется после извлечения химических продуктов. Компоненты коксового газа: водород, кислород, метан, азот, углекислый и угарный газы.

Характеристика тепловых ВЭР.

Физическая теплота готового продукта из шлаков.

Из печей и агрегатов металлургического производства готовый продукт и шлак выходят с высокой температурой. В некоторых случаях эта теплота ВЭР. Теплота жидкого чугуна используется в последующих переделах (мартеновские печи, кислородные конвертеры).

Теплота жидкой стали используется в прокатном производстве за счет горячего посада слитков. Физическая теплота вторичных газов.

Использование физической теплоты коксового газа возможна после сухой очистки. Наибольшую температуру имеют конверторные газы.

Отходящие газы мартеновских печей состоят из продуктов сгорания топлива и газообразных компонентов химических реакций, протекающих в технологическом процессе. К тепловым ВЭР относятся энергоносители в виде водяного пара, горячей воды и вентиляционных выбросов.

3.Экономия топлива при использовании теплоты отходящих газов

Использование физической теплоты отходящих газов осуществляется по трем схемам: технологической (замкнутой и разомкнутой), энергетической и комбинированной.

Технологическая схема предусматривает использование этой теплоты для технологических процессов, как правило, в той же теплотехнологической установке. По такой схеме нагревают воздух, а также в некоторых случаях и газообразные топлива, предварительно подогревают обрабатываемый в печи материал или производят химико-термическую переработку некоторых шихтовых материалов, используемых в данном процессе. При отоплении печей природным газом к технологической схеме относится также термохимическая регенерация теплоты отходящих газов, используемая для конверсии метана. Описанные схемы являются замкнутыми, они обеспечивают экономию топлива в самом технологическом агрегате (рис.1). Теплоту отходящих газов можно использовать и в другой печной установке с меньшим температурным уровнем процесса. Такая схема является разомкнутой (рис.2). В этом случае экономится топливо в установке, использующей теплоту отходящих газов. Возможно также последовательное использование теплоты в основном и в низкотемпературных агрегатах.

Рис.1. Замкнутые технологические схемы использования теплоты отходящих газов: а - для подогрева воздуха; б - для предварительного нагрева материала; 1 - печь; 2 - отвод газов из печи; 3 - рекуператор; 4 - подвод воздуха в рекуператор; 5 - отвод дыма: 6 - подвод воздуха в печь; 7 - подвод топлива в печь; 8 - выдача материала; 9 - подача подогретого материала в печь; 10 - подача холодного материала.

Рис.2. Разомкнутая технологическая схема использования теплоты отходящих газов: 1 - печь; 2 - подвод топлива; 3 - подвод воздуха; 4 - подача материала; 5 - отвод газов из печи: 6 - технологическая установка второй ступени; 7 - отвод газов установки второй ступени; 8 - выдача материала.

Применение замкнутой технологической схемы повышает эффективность использования топлива в технологическом агрегате, т.е. снижает выход ВЭР.

Энергетическая схема предусматривает использование теплоты отходящих газов в энергетических установках для производства каких-либо энергоносителей (теплоты, электроэнергии, холода и др.). Возможно последовательное размещение нескольких теплоиспользующих установок, например, котлов-утилизаторов и экономайзеров для подогрева сетевой воды. Таким образом, энергетическая схема является разомкнутой и позволяет сэкономить топливо, расходуемое на производство соответствующих видов и количеств энергоносителей за счет использования ВЭР технологического агрегата (рис.3).

Комбинированная схема сочетает технологическую и энергетическую схемы и обеспечивает как уменьшение выхода ВЭР, так и более эффективное их использование (рис.4).

Каждая из схем имеет достоинства и недостатки. Основным критерием для их сравнения является достигаемая экономия топлива. Однако этот критерий еще не дает основания для окончательной оценки схем. Здесь необходим технико-экономический расчет, учитывающий капитальные и эксплуатационные затраты, устойчивость потребления энергоносителей, полученных за счет теплоты отходящих газов, и др.

Рис.3. Энергетические схемы использования теплоты отходящих газов: а - для получения пара; б - для получения пара и горячей воды; 1 - печь; 2 - подвод воздуха; 3 - подвод топлива; 4 - отвод газов из печи; 5 – КУ; 6 - отвод пара из КУ; 7 - отвод дыма из КУ; 8 - подвод питательной воды в КУ; 9 - подогреватель сетевой воды; 10 - подвод воды в подогреватель; 11 - отвод горячей воды.

Рис.4. Комбинированная схема использования теплоты отходящих газов: 1 - печь; 2 - отвод газов из печи; 3 - рекуператор; 4 - подвод воздуха в рекуператор; 5 - отвод дыма из рекуператора; 6 - отвод пара из КУ; 7 - КУ; 8 - подвод питательной воды в КУ; S - подвод воздуха в печь; 10 - подвод топлива в печь.

4. Вторичные энергетические ресурсы топливно-энергетического комплекса

Мировая добыча угля составляет 2025 млн. т в год (4033 шахты). При этом образуется около 6 млрд. т твердых, жидких и газообразных отходов, что составляет около 3 т отходов на 1 т угля (из них отвальной породы 2,5 т). При подземной добыче угля удельный выход породы, выдаваемой из шахт на поверхность составляет около 0,3 т на 1т добываемого угля. Собственно горючая масса в угольной промышленности составляет всего 20% горной массы. Доля угля в производстве электроэнергии составляет 37% (1980 г).

Сланец имеет не меньшее значение, чем уголь. Около 40% сланца добывается открытым способом и 60% из шахт.

Отходы добычи и обогащения сланцев состоят из вскрышных пород, отходов обогащения.

Разработан проект переработки сланцев (Швеция), предусматривающий добычу открытым способом и в шахтах 6 млн. т сланца в год и производство 1300 т урана ежегодно. Схема переработки сланца предусматривает первичное дробление, обогащение в тяжелых средах для удаления известняка, обработку сланца серной кислотой в барабанных аппаратах, выдержку обработанного материала в штабелях, противоточное выщелачивание серной кислотой методом просачивания (удаление урана 79%), фильтрирование раствора, экстракцию из него урана органическим растворителем, реэкстрацию раствором карбоната натрия или аммония и осаждение уранового концентрата. Осадок выщелачивания смешивают с известняком и направляют в отвал.

Дальнейшие этапы усовершенствования технологии переработки сланцев:

энергетическое использование органического материала путем сжигания или газификации;

разработка технологии получения алюминия из сланца;

полное комплексное извлечение цветных металлов.

Газовые выбросы промышленных предприятий как ВЭР.

Развитие энергетики, металлургии, транспорта, химии и нефтехимии приводит к быстро возрастающему потреблению воздуха, используемого в качестве сырья в процессе окисления. Предприятия химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и ряда других отраслей промышленности потребляют большие количества чистого воздуха и выбрасывают огромные объемы отработанных кислородосодержащих газов и загрязненного вентиляционного воздуха.

Перспективным является метод очистки воздуха от микропримесей - объединение энергетических и химических комплексов. Рассмотрим возможности объединения этих процессов путем использования отработанного воздуха промышленных предприятий в качестве окислителя, например дутьевого воздуха в топках котлов. В этом случае обеспечивается дешевая очистка загрязненного воздуха от токсичных примесей и отпадает необходимость в потреблении чистого воздуха для окисления топлива.

Литература

1. Ласкорин Б.Н. Безотходная технология минерального сырья. - М.: " Недра", 2004г. - 334с.

2. Розенгарт Ю.И. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование. - К.: " Высшая школа", 2008г. - 328с.

3. Рихтер Л.А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. Под редакцией Непорожного. - М.: " Энергоиздат", 2001г. - 296с.

4. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: " Недра", 1987г. - 294с.

5. Толочко А.И. Защита окружающей среды от выбросов предприятий черной металлургии. - М.: " Металлургия" 2001г. - 95с.

В системе кондиционирования воздуха теплоту удаляемого воздуха из помещений можно утилизировать двумя способами:

· Применяя схемы с рециркуляцией воздуха;

· Устанавливая утилизаторы теплоты.

Последний способ, как правило, применяют в прямоточных схемах систем кондиционирования воздуха. Однако использование утилизаторов теплоты на исключается и в схемах с рециркуляцией воздуха.

В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяется самое разнообразное оборудование: нагреватели, увлажнители, различные виды фильтров, регулируемые решетки и многое другое. Все это необходимо для достижения требуемых параметров воздуха, поддержания или создания комфортных условий для работы в помещении. На обслуживание всего этого оборудования требуется достаточно много энергии. Эффективным решением сбережения энергии в системах вентиляции становятся теплоутилизаторы. Основной принцип их работы – нагрев потока воздуха, подаваемого в помещение, с использованием теплоты потока, удаляемого из помещения. При использовании теплоутилизатора требуется меньшая мощность калорифера на подогрев приточного воздуха, тем самым уменьшается количество энергии, необходимое для его работы.

Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть произведена посредством утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации. При этом можно отметить четыре типа систем утилизации, о которых уже упоминалось: вращающиеся регенераторы; теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники. Вращающийся регенератор в системе кондиционирования воздуха может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4-8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.

Теплообменник с промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.

Простой воздушный теплообменник представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность. Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теплоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором - их надежность. Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.

При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы:

· Среда- источник тепловой энергии;

· Среда- потребитель тепловой энергии;

· Теплоприемник- теплообменник, воспринимающий тепло от источника;

· Теплопередатчик- теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю;

· Рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю.

В регенеративных и воздуховоздушных (воздухожидкостных) рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.

Примеры применения.

1. Подогрев воздуха в системах воздушного отопления.
Калориферы предназначены для быстрого нагрева воздуха с помощью водяного теплоносителя и равномерного его распределения с помощью вентилятора и направляющих жалюзи. Это хорошее решение для строительства и производственных цехов, где требуется быстрый нагрев и поддержание комфортной температуры только в рабочее время (в это же время, как правило, работают и печи).

2. Нагрев воды в системе горячего водоснабжения.
Применение теплоутилизаторов позволяет сгладить пики потребления энергии, так как максимальное потребление воды приходится на начало и конец смены.

3. Подогрев воды в системе отопления.
Закрытая система
Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. Таким образом, отсутствует риск его загрязнения.
Открытая система. Теплоноситель нагревается горячим газом, а затем отдает тепло потребителю.

4. Подогрев дутьевого воздуха, идущего на горение. Позволяет сократить потребление топлива на 10%–15%.

Подсчитано, что основным резервом экономии топлива при работе горелок для котлов, печей и сушилок является утилизация теплоты отходящих газов путем нагрева воздухом сжигаемого топлива. Рекуперация тепла отходящих дымовых газов имеет большое значение в технологических процессах, поскольку тепло, возвращенное в печь или котел в виде подогретого дутьевого воздуха, позволяет сократить потребление топливного природного газа до 30 %.
5. Подогрев топлива, идущего на горение с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев мазута до 100˚–120˚ С.)

6. Подогрев технологической жидкости с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев гальванического раствора.)

Таким образом, теплоутилизатор – это:

Решение проблемы энергоэффективности производства;

Нормализация экологической обстановки;

Наличие комфортных условий на вашем производстве – тепла, горячей воды в административно-бытовых помещениях;

Уменьшение затрат на энергоресурсы.

Рисунок 1.

Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение

Список использованной литературы.

1. Караджи В. Г., Московко Ю.Г.Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования. Руководство - М., 2004

2. Еремкин А.И, Бызеев В.В. Экономика энергоснабжения в системах отопления, венталиции и кондиционирования воздаха. Издателество Ассоциации строительных вузов М., 2008.

3. Сканави А. В., Махов. Л. М. Отопление. Издательство АСВ М., 2008

При объективной оценке эффективности нужно учитывать разные режимы работы утилизатора: «сухой», «мокрый», неуправляемый, управляемый, оттайки и др., описанные в предыдущей статье (журнал С.О.К., №12/2010). В результате возможных ошибок, перечисленных ниже, можно получить фактическую эффективность и экономию теплоты существенно меньшую, чем по расчету, это может не устроить заказчика. Последний не намерен долго ждать окупаемости этого аппарата, отводя этому срок примерно два-три года.

Основные теплотехнические параметры утилизаторов теплоты и холода

В технических и частично экономических расчетах, при испытании теплоутилизационного оборудования используют различные и, в общем случае, многочисленные параметры, одни из которых применяют чаще, другие — реже. Среди этих параметров основными являются:

В вышеприведенных формулах использованы выражения, называемые водяными эквивалентами по наружному W н и уходящему W у воздуху, по циркулирующей воде или рассолу W w , по насадке W нас: W н = G н c в; W у = G у c в; W w = G w c w и W нас = М нас c нас. Все эти величины, кроме W нас, измеряют в кВт/°C, а величину W нас — в кДж/°С.

Отношение W нас к любому из эквивалентов (W н, W y , W w) характеризует инерционность процесса передачи теплоты от насадки к движущейся среде и измеряется в секундах.

Технико-экономическая эффективность применения теплоутилизации в СКВ и СВ

Задача обоснования эффективности теплоутилизации связана с учетом значительной стоимости оборудования, достигающей 30-50 % от стоимости приточной установки, разной продолжительности использования, тенденцией роста тарифов на тепловую и электрическую энергию, высокой платой за подсоединение к теплосети, высоких штрафов за превышение температурой обратной воды ее графика ТЭЦ, поэтому однозначного решения такая задача не имеет. По мнению А.А. Рымкевича и других специалистов, утилизация теплоты — важное вторичное мероприятие, которое нужно рассматривать и анализировать после того, как исчерпаны все первичные возможности снижения потребления теплоты за счет комплекса мероприятий.

Способы оценки эффективности утилизации теплоты

Существуют несколько способов оценки эффективности утилизации теплоты в том или ином аппарате. Первый способ оценки на основе коэффициента использования энергии как отношения получаемой в утилизаторе теплоты к затрачиваемой электроэнергии на преодоление сопротивления сред η э = Q т /N.

Будучи чисто энергетической характеристикой, он не учитывает стоимости аппарата и разные, к тому же возрастающие, тарифы за теплоту (по горячей воде или сопутствующей электроэнергии) и за электроэнергию, т.е. использует натуральные мгновенные показатели. Кроме того, получаемая в утилизаторе теплота всегда переменна в зависимости от начальной разности температур t у - t нi текущей эффективности и режима работы теплоутилизатора.

Второй способ оценки основан на эксергетическом КПД , учитывающем относительную эксергию теплоты, влаги и эксергию движущегося воздуха:

где E 1 и Е 2 — эксергия теплоты, влаги и эксергия удаляемого и приточного (наружного) воздуха; ΣE n — суммарная эксергия потребляемой электрической энергии в системе. По поводу этих коэффициентов В.Н. Богословский и М.Я. Поз справедливо заметили, что «...любой из указанных термодинамических показателей дает только представление о степени термодинамического совершенства процесса и не может служить основанием для принятия технического решения.» .

Третий способ оценки является более общим технико-экономическим показателем и характеризует ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных затрат (впервые предложен для условий рынка английским физиком У Томсоном (1824-1907), более известным в нашей стране как теплофизик Кельвин ) в вариантах разного типа ТУ, их эффективности, стоимости и аэродинамического сопротивления:

Годовой экономический эффект [руб/ год] как разность приведенных затрат по сравниваемым вариантам систем с теплоутилизатором (2) и без него (1) является другим комплексным показателем:

где ΔC т.год — стоимость сэкономленной теплоты в горячей воде, паре, электроэнергии с учетом настоящих и перспективных тарифов на энергоносители, руб/год; ΔC э.год — стоимость дополнительного годового расхода электроэнергии на перемещение воздуха и воды через аппарат, руб/год; ΔK ту — капитальные затраты на утилизатор, его монтаж, наладку и управление, руб.; (Е н + 0,18) ΔK ту — отчисления от дополнительных капитальных затрат на амортизацию, ремонт, общеобъектные и прочие расходы 0,18ΔK ту [руб/год], в связи с применением теплоутилизатора и изменением типоразмера воздухонагревателя, а также с учетом нормативного коэффициента эффективности:

где r — норма дисконта, r = 0,10-0,15 ; Т ок — срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, год; ΔK вн — сокращение капитальных затрат на воздухонагреватель при уменьшении его рядности или полном отказе, руб.; ΔK прис — единовременные затраты на присоединение объекта к источнику теплоты, руб/Гкал или руб/кВт⋅ч.

В формуле должна быть учтена зависимость всех величин от конструкции утилизатора и его эффективности. Также среди составляющих эксплуатационных затрат следует учесть возможные штрафы ТЭЦ за превышение температуры обратной воды после воздухонагревателя.

Сводная номограмма для оценки эффективности современных теплоутилизаторов была разработана на основе соответствующих расчетов и представлена на рис. 1 в предположении неизменности коэффициента эффективности в течение неуправляемого режима работы аппарата. Эта номограмма построена в следующей последовательности. Предварительно по данным одного из производителей кондиционеров была оценена примерная удельная стоимость разных теплоутилизаторов (рис. 1а). Аналогично на этот график можно нанести данные об удельной стоимости теплоутилизаторов других производителей. Для конкретных условий (t y = 20 °C, t к = 10 °С) при разных θ ту построена граница режимов работы ТУ (правый квадрант на рис. 1) и определено удельное количество теплоты (на 1 кг/с нагреваемого воздуха при односменной работе).

Воспользуемся этими данными для оценки эффективности применения ТУ в климатических условиях города Санкт-Петербурга.

Оценить удельную экономическую эффективность применения теплоутилизатора, отнесенную к 1000 м 3 /ч нагреваемого наружного воздуха при его удельной стоимости K ту /L н = 40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч) в самом благоприятном случае, т.е при непрерывной работе системы

ΣQ ту.год = 24 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч), электронагреве по среднему (между дневным и ночным) тарифу c’э = 2 руб/кВт⋅ч, аэродинамическом сопротивлении аппарата ΔР в = 0,30 кПа; КПД вентиляторной установки η = 0,7, соответствующей дополнительной мощности на перемещение воздуха 0,12 кВт/(тыс. м 3 /ч):

дополнительном годовом расходе электроэнергии 1,05 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч) ΔW э = 8766 х 0,12 = 1,05.

Сокращением затрат на воздухонагреватель при устройстве теплоутилизатора пренебречь. Платой за подключение данного нагревателя к теплосети и штрафом за превышение воздухонагревателем температуры обратной воды пренебречь. Срок окупаемости затрат Т ок принять равным трем годам. Определяем срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, получаем один год:

Поменяем условия расчета, заменив электронагрев теплоносителем — горячей водой по тарифу с’ т = 1 руб/кВт⋅ч. Тогда срок окупаемости дополнительных капитальных затрат на устройство теплоутилизатора в тех же условиях будет равен 2,7 года:

Как видно, даже при данном тарифе на теплоту в горячей воде и при непрерывной работе системы в течение суток и года высокая удельная стоимость теплоутилизатора не позволяет рассчитывать на быстрый возврат (окупаемость) капиталовложений. Если применять менее эффективные (θ тy = 0,55-0,65), но зато более дешевые устройства, то, судя по повторяемости Δτ/Δt н, основной эффект может возрасти, т.к. его достигают не при низких, а при промежуточных наружных температурах (t н = -10...+10 °С).

Для более строгого расчета нужно принимать во внимание разную поверхность, рядность и стоимость основного воздухонагревателя и еще одного электрического, работающего в случае прекращения подачи теплоносителя во внеотопительный период при t н > 8 °С. Результаты экономического расчета повысят эффективность утилизации теплоты, если учесть высокую начальную плату за присоединение воздухонагревателя к тепловой сети или другому источнику.

Оценка эффективности применения утилизаторов

Проблеме оценки эффективности применения утилизаторов посвящено много публикаций. Все они по-разному подходят к методам вычисления эффекта, учитывая одни составляющие и не учитывая другие. Дадим оценку только некоторым, наиболее характерным публикациям. В статье использован традиционный, упрощенный, по нашему мнению, не совсем правильный и частный метод расчета срока окупаемости как результат деления стоимости теплоутилизатора на стоимость разности сэкономленной тепловой и перерасходованной электрической энергии. При этом в статье не указана эффективность аппарата и комплекс «эффективность/стоимость», кстати, переменный, зависящий от типа аппарата, его воздухопроизводительности, не учтены разные режимы работы, оттайка и возникающие перерасходы, плата за присоединение и др. Все это не дает представления о различии результатов расчета в разных условиях.

Что касается многообразных климатических условий, представленных в статье городами, где суткоградусы отопительного периода изменяются от 1500 до 12 000 сут-°С за отопительный период, то эту часть работы можно существенно упростить. Проведя небольшое исследование и представив его в координатах: относительный годовой расход утилизируемой теплоты в круглогодично неуправляемом аппарате — суткоградусы отопительного периода — можно получить практически линейную зависимость (рис. 2). Такая линеаризация делает избыточными многократные расчеты, приводимые в этой статье, а прямую для данных условий (L н, θ ту, ΔK ту) достаточно провести по трем-четырем точкам, соответствующим городам в разных климатических условиях.

Технико-экономическая оценка энергосберегающего оборудования

Технико-экономической оценке энергосберегающего оборудования посвящена статья , характерная в части возникающих вопросов и замечаний. Наибольшее внимание в ней уделено собственно методике анализа и вычислению коэффициента дисконтирования, имея ввиду отдаленный срок окупаемости. Однако расчеты показывают, что полная амортизация и окупаемость затрат на эти аппараты желательна за относительно короткий срок (один-три года). В ряде случаев, при дефиците теплоты на объекте и высокой плате за присоединение к источнику, утилизация не только обоснована, но и единственно возможна для нагревания наружного воздуха.

Не имея принятую в статье итоговую формулу для срока окупаемости теплоутилизатора, трудно представить, учтены ли в приводимых расчетах: возможный дефицит теплоты на объекте и реальная, постоянно растущая плата за подсоединение к источнику теплоты; принятая доля разности капитальных затрат, учитываемая в эксплуатационных затратах на амортизацию, ремонт, общеобъектные расходы (всего около 18 %).

Покажем на примере, что единовременная плата за подсоединение к тепловой сети соизмерима или даже превышает стоимость теплоутилизатора. Пусть удельная стоимость утилизатора ΔК ту ~ 30-40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч). Такому единичному расходу воздуха соответствует в средних условиях расчетная теплопроизводительность утилизатора и, соответственно, уменьшение мощности при подсоединении к ТЭЦ:

Это равносильно плате за подсоединение в размере

ΔК подс = 3,45 х 12 х 10 3 = 41,5 тыс. руб., если принять удельную плату:

В условиях этого примера оказывается, что плата за присоединение к ТЭЦ соизмерима или даже больше, чем стоимость теплоутилизатора, и поэтому речи о сроке окупаемости не идет.

Нельзя не обратить внимание в анализируемой статье на способ расчета годового расхода утилизируемой теплоты. Не оговаривая режим работы теплоутилизатора, авторы приняли его по умолчанию круглогодично неуправляемым. Приближенно-синусоидальное изменение t н (t) ошибочно построено не по средним значениям температур («норме»), а по максимальным и минимальным, т.е. имеет существенно завышенную амплитуду. Соответственно этому величина утилизируемой теплоты тоже завышена. Для Санкт-Петербурга, например, t н.min.cp = -8,1 °C , а расчетная зимняя температура t нрх = -26 °C. Аналогично в теплый период года t н.max.cp = 18,1 °С , тогда как расчетная летняя температура t нрт = 24,6 °С. Также, среднегодовая температура t н.ср.год = 4,4 °С далеко не равна полусумме принятых расчетных в холодное и теплое время года (-0,6 °С). Возражение вызывает неучет режимов работы и оттайки, приводящий к завышению расхода утилизируемой теплоты, и отсутствие учета переменной эффективности аппарата.

Эффективность конструкции утилизатора можно анализировать с точки зрения выбора: оптимальной поверхности F, рядности i или глубины насадки аппарата h. Обозначим относительную рядность или глубину аппарата как h в долях от той, при которой θ ту = 1, а количество теплоты Q ту = Q т.max . При приближенно экспоненциальной зависимости Q ту ≈ 1 - exp(-h) эффективность θ ту = 1 достигается при условии h = 4 (с точностью до 1 %). Примем, что годовой расход утилизируемой теплоты приближенно экспоненциально зависит от величины h (рис. 1а), тогда как стоимость утилизатора и его аэродинамическое сопротивление от h зависят приближенно линейно.

Тогда искомый срок окупаемости можно представить в виде (функции от безразмерного параметра h, имеющей следующий вид:

где a 1 , a 2 , a 3 , a 4 — некоторые корректирующие коэффициенты, принятые постоянными.

В результате вычисления производной, приравненной нулю, получаем, что оптимум (минимум T факт) соответствует случаю, когда h = 1, а эффективность теплоутилизатора q ту.опт = 0,63 (из свойств экспоненциальной функции). Вышеописанные зависимости иллюстрирует график на рис. 3, где показан приближенный характер изменения всех составляющих приведенных затрат и срока окупаемости дополнительных затрат на подсистему утилизации от относительной глубины h, относительной толщины d или относительной поверхности F насадки или пластин такого аппарата.

Сравнивая результаты приближенной оптимизации по формуле (14) с данными о характеристиках отечественных ВРТ при L = 5-38 тыс. м 3 /ч, δ = 0,2 м, v фр = 2,2 м/с, F/L = 300-425 м 2 / (м 3 /с), F/F фр = 490-660 м 2 /м 2 , получили при насадке из алюминиевой фольги расчетную эффективность θ ту = 0,77, при насадке из технического картона — θ ту = 0,65 (в последнем случае близко к оптимальной эффективности, вычисленной при вышеописанных допущениях). Более подробно зависимости, характеризующие экономический эффект для различных теплоутилизаторов при разной производительности, сменности работы и с разной насадкой, можно определить по данным .

К аналогичным выводам об оптимальной эффективности теплоутилизатора пришли авторы «Справочника» . В частности, они отмечают: «...Доведение эффективности утилизатора до величины, большей 0,65 при односменной работе и 0,75 при трехсменной, во всех случаях приводит к уменьшению экономического эффекта, т.к. сбережение теплоты при этом достигается за счет чрезмерного роста приведенных затрат на устройство и эксплуатацию утилизаторов и расхода металла. Наибольшее влияние на экономический эффект оказывает продолжительность работы системы — при трехсменной ее работе эффект резко возрастает. Рост эффекта при увеличении расхода воздуха объясняется в основном непропорциональным ростом удельных затрат на оборудование и занимаемую им площадь.» . В этом же справочнике указано, что по данным РПИ в климатических условиях Прибалтики для пластинчатого утилизатора СВ свинарника-откормочника оптимальная эффективность не должна превышать 0,50.

Продолжение в следующем номере.

Из всех видов потребляемой в химической промышленности энергии первое место принадлежит тепловой энергии. Степень использования тепла при проведении химико-технологического процесса определяется тепловым К.П.Д.:

где Q т и Q пр соответственно количество тепла, теоретически и практически затрачивае­мого на осуществление реакции.

Использование вторичных энергетических ресурсов (отходов) повышает К.П.Д. Энергетические отходы используются в химических и других отраслях промышленности для различных нужд.

Особенно большое значение в химической промышленности имеет утилизация тепла продуктов реакций, выходящих из реакторов, для предварительного нагрева материалов, поступающих в эти же реакторы. Такой нагрев осуществляется в аппаратах, называемых регенераторами, рекуператорами и котлами-утилизаторами. Они накапливают тепло отхо­дящих газов или продуктов и отдают его для проведения процессов.

Регенераторы представляют собой периодически действующие камеры, заполненные насадкой. Для непрерывного процесса необходимо иметь, по крайней мере, 2 регенера­тора.

Горячий газ сначала проходит через регенератор А, нагревает его насадку, а сам охлажда­ется. Холодный газ проходит через регенератор Б и нагревается от ранее нагретой на­садки. После нагрева насадки в А и охлаждения в Б заслонки перекрывают и т.д.

В рекуператорах реагенты поступают в теплообменник, где нагреваются за счёт те­пла горячих продуктов, выходящих из реакционного аппарата, и затем подаются в реак­тор. Теплообмен происходит через стенки трубок теплообменника.

В котлах-утилизаторах тепло отходящих газов и продуктов реакции используют для получения пара.

Горячие газы движутся по трубам, размещённым в корпусе котла. В межтрубном про­странстве находится вода. Образующийся пар, проходя влагоотделитель, выходит из котла.