Технические науки/5. Энергетика.

К.т.н. Илиев А.Г.

Южно-российский государственный университет экономики и сервиса

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ

ОТХОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕКУПЕРАТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕННИКА

                                                                            

 

Проведение теоретических и экспериментальных исследований  тепловых процессов, направлены на их совершенствование путём применения энергосберегающих технологий и оборудования в технологических процессах и энергетических системах предприятия. Применение рекуперативных теплообменных аппаратов в малоотходной системе использования теплового потенциала горячих промышленных стоков (МСТТ) с целью подготовки рабочего теплоносителя, обеспечивает экономию топливных и энергетических ресурсов.

  Исходными данными для выбора теплообменника являются тепловая производительность предприятия (количество тепловых отходов), температурные режимы (параметры вторичных теплоносителей), расходы и параметры промстоков, требуемые механические, теплофизические и коррозионно-стойкие свойства материалов, а так же другие сведения, необходимые для проектирования теплообменного аппарата, алгоритм для определения которых  предлагается в работах [1,2], что подтверждает не только наличие опыта в создании энергосберегающего оборудования, но и необходимость его дальнейшего  совершенствования.

На основании вышеизложенного, в качестве энергосберегающего оборудования в точках теплопотребления вторичных теплоносителей т.е.  горячих промстоков предусматриваются рекуперативные  теплообменники, так называемые  рекуператоры горячих промышленных стоков. [3]

Конструкторский расчет включает в себя тепловой, гидравлический, механический и другие расчеты, определяющие геометрические размеры аппарата и его технико-экономические показатели. Результатом теплового расчета является определение площади поверхности теплообмена F, м2:

                                                                  (1)

Средний температурный напор теплоносителей определяется по формуле:

                                                            ;                                                  (2)

    Тепловая нагрузка теплообменника Q, Вт, определяется из уравнений теплового баланса:

                                              (3)

                                            (4)

  где G1 и G2 – расходы соответственно горячего и холодного теплоносителя, кг/с;

         ∆h1  и ∆h2  изменения энтальпии теплоносителей в процессе теплообмена, Дж/кг;

         η – коэффициент, учитывающий потери теплоты, может быть принят в пределах 0,97-0,99.

Изменение энтальпии  ∆h теплоносителя, не претерпевающего в теплообменнике фазовых превращений определяется по уравнению:

                                                      ∆h = СР(tI – tII);                                          (5)

   где СР – средняя изобарная теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кг К);

  tI ,tII  - начальная и конечная температуры, 0С.

   Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К), с учетом загрязнения поверхностей теплообмена может быть определен по уравнению:

                                               ;                                 (6)

    где R1, R2, R3 – термические сопротивления загрязняющего слоя с каждой стороны стенки и самой стенки, R2 = δ/λ;   

λ – теплопроводность материала стенки, Вт/(м К);

δ – толщина стенки, м.

  Числовые значения коэффициентов теплоотдачи α1 и  α2 Вт/(м2К), определяют по критериальным уравнениям.

На процесс теплообмена оказывают влияние режим движения теплоносителя:

                                                           (7)

где dЭ – эквивалентный диаметр канала сточных вод,

n – кинематическая вязкость, которая бралась при температуре tC.

Коэффициент теплопередачи обнаруживает сложную зависимость от исходных параметров – расхода  GC и температуры tC сточных вод, таким образом, основная зависимость от этих параметров должна быть связана с числом Рейнольдса.

С целью установления такой зависимости определялось значение критерия Стантона по формуле:

                                                                     ;                                                     (8)  где c - геометрический симплекс (отношение эквивалентного диаметра канала теплообменного тракта к его длине, dЭ/4L).

Температуры теплоносителей по сечению и по длине каналов являются переменными, следовательно переменными будут и их теплофизические характеристики: плотность, вязкость, теплопроводность и т.п. температура, при которой определяются значения теплофизических параметров, называется определяющей. [4]

   В исследованиях процессов теплообмена в аппаратах, где применяют жидкие теплоносители используют водяные эквиваленты  W=G/CP. При отсутствии  тепловых потерь в окружающую среду отношение водяных эквивалентов теплоносителей соответствует:

                                        (9)

                                       (10)

   Гидродинамический расчет включает определение суммарного сопротивление движению теплоносителя в каналах теплообменников, которое состоит из сопротивления трения каналов Δрм, возникающих при изменении сечения канала и при входе и выходе теплоносителя из аппарата:

                             ;                                         (11)

   Потерю давления о стенки канала труб определяют по формуле:

                                                               (12)

где λТ – коэффициент гидравлического сопротивления трения в трубах круглого сечения;

      L – длина трубы, м;

      ρ – плотность теплоносителя, кг/м3;

      ω – средняя скорость теплоносителя, м/с.

   Потерю давления с учетом местных сопротивлений определяют по формуле:

                                                  (13)

   где ξ - коэффициент местного сопротивления.

 Разнообразные в  конструктивном отношении рекуперативные теплообменники (кожухотрубчатые, секционные, спиральные, пластинчатые, ребристые, погружные, оросительные, аппараты типа труба в трубе, змеевиковые) в принципе можно использовать в качестве дополнительных теплообменников в малоотходной системе теплотехнологии, как 1-ю ступень подогрева воды. [5]

  Рекуперативные теплообменники типа «труба в трубе» могут компоноваться путем последовательного соединения их в секции и параллельного соединения секций между собой, это позволяет создавать теплообменные аппараты с поверхностью от 1 до 250м2. Движение промстоков может быть безнапорным и напорным. В случае напорного движения при организации  системы МСТТ рекомендуется применять нагнетатели давления (насосы для технической воды) для доставки промстока к дополнительному теплообменнику (рекуператору). Насос для системы МСТТ выбирается из каталога по техническим характеристикам – напору и производительности в условиях работы максимального к.п.д.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1.     А.С. о гос. регистрации программы для ЭВМ №2008613788, Российская Федерация, заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса-2008612849; дата поступления 24.06.08; регистрация в реестре 07.08.2008. «Программное обеспечение расчета тепловой нагрузки, удельных расходов тепловой энергии и топлива  учетом использования тепловых вторичных энергоресурсов на предприятиях сервиса».

2.     А.С. о гос. регистрации программы для ЭВМ №2009610293, Российская Федерация, заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса-2008615141; дата поступления 5.11.08; регистрация в реестре 11.01.2009 «Программное обеспечение для определения площади поверхности нагрева рекуператора и конечных температур теплоносителей при использовании теплового потенциала вторичных энергоресурсов».

3.     Илиев, А.Г. Проблемные аспекты применения рекуперативных теплообменников в процессах утилизации горячих промышленных стоков./ Илиев А.Г., Тимченко В.И., Пелевин Ф.В. // «Вестник МГУС» №3 (3) 2007г. С. 90-93

4.     Илиев, А.Г. Совершенствование процессов энергосбережения в условиях использования теплового потенциала горячих промстоков [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. к-та   техн. наук. - ВГТУ, 2009. -  129 с.

5.     Илиев, А. Г. Исследование тепловых процессов на автомойках и разработка системы использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) на примере автосервисного предприятия «Интер-транс» [Текст]: дипломная работа /  А. Г. Илиев; ЮРГУЭС. – Шахты, 2006. -  99 с.