Технические науки/5. Энергетика.

К.т.н., доцент Илиев А.Г. к.т.н., доцент Занина И.А.

Институт сферы обслуживания и предпринимательства

(филиал) Донского государственного технического университета

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТЕНЦИАЛА ГОРЯЧИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Вопросы экономии топлива путём использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в последние годы превратились в актуальную проблему и являются перспективной сферой научного исследования. Промышленные потребители используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70% всей вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остаётся все ещё невысоким и составляет порядка 35 - 40%. Одним из эффективных направлений рационального ВЭР это трансформация теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий.

В данной статье рассматривается вопрос влияния на эффективность использования теплового потенциала горячих промышленных сточных вод предприятий сервиса (предприятий прачечных, станций технического обслуживания автотранспорта при проведении комплекса уборочно-моечных работ) таких факторов как конструктивные параметры теплообменных аппаратов, коэффициент теплопередачи и отношение водяных эквивалентов телпоносителей.

Температура рабочего теплоносителя (водопроводной воды), подготовленного в локальной системе дополнительного теплообменника является определяющим параметром экономической эффективности использования тепловых ВЭР. В связи с этим актуальной задачей является определение конечной температуры t, рабочего теплоносителя из локальной системы подогрева воды. Конечные температуры рабочего теплоносителя и промстоков являются функциями нескольких переменных – отношения водяных эквивалентов b_W, начальных температур воды t_В и промстоков t_C, температуры греющего пара t_S, поверхности нагрева рекуперативного теплообменника горячих промстоков (дополнительного теплообменника) F_Д и коэффициента теплопередачи, k_Д: t = f(b_W, t_В, t_C, t_S F_Д, k_Д). Конечная температура промстоков t_К имеет аналогичные зависимости.

Эффективность использования теплового потенциала промышленных сточных вод зависит от приведенного коэффициента теплопередачи и отношения водяных эквивалентов

Этот коэффициент можно задавать конструктивно при проектировании теплообменных аппаратов и технологически в зависимости от специфики технологического процесса. При этом суммарные гидравлические сопротивления теплообменника как сумма местных сопротивлений и сопротивлений по длине трубопровода, определяется по формуле

, (1)

где - коэффициент сопротивления системы.

Используя уравнение теплового баланса:

(2)

получим:

t = b_W (t_C – t_К)+ t_В (3)

где b_W – отношение водяных эквивалентов теплоносителей, равное

;

Соотношение (2) позволяет проанализировать влияние теплового потенциала промышленных стоков и эффективность его использования при подогреве водопроводной воды в рекуператоре сточных вод. Тепловой потенциал сточных вод, который может быть использован для нагрева холодного теплоносителя, рассчитывается по соотношению:

; (4)

Θ – эффективность использования теплового потенциала промышленных сточных вод, %.

Для построения графической зависимости принимаем значения:

b_W = 0,5 - 0,95 с интервалом 0,1;

t_C = 45 - 70⁰С с интервалом 5 градусов.

Исходя из этого, целесообразно рассмотреть степень подогрева рабочего теплоносителя в зависимости от этих параметров. Данная зависимость определяется формулой:

t = (t_C - t_В) ∙ b_W ∙ Z(b_W , K^*)+t_В; (5)

Рассмотрим далее влияние управляющих параметров К^* и b_W на теплообменные процессы между теплоносителями для таких показателей, как:

1)Эффективность нагрева водопроводной воды тепловым потенциалом промышленных стоков;

2)Глубина охлаждения промышленных стоков при передаче тепловой энергии холодному теплоносителю.

Увеличение коэффициента теплопередачи К^* влечет за собой повышение уровня использования теплового потенциала промышленных стоков Θ. Однако при К^* > 5 влияние коэффициента теплопередачи на эффективность незначительно. Увеличение же значения К^* при фиксированной скорости потока прямо пропорционально увеличению площади поверхности теплопередачи F теплообменного тракта, что может приводить к необоснованно высокому росту гидродинамического сопротивления тракта. Поэтому при проектировании теплообменного аппарата необходимо руководствоваться такими значениями коэффициента F, чтобы значение К^* находилось в интервалах, обеспечивающих максимальную эффективность теплообмена К^* = (1¸5).

Теоретическая структура коэффициента теплопередачи рассчитывается по известной формуле:

; (6)

где r_СТ – термичкское сопротивление стенки;

α_С – коэффициент теплоотдачи от промышленных стоков к стенке, Вт/м²×К;

α_В – коэффициент теплоотдачи от промышленных стоков к водопроводной воде, Вт/м²×К;

F – средняя площадь поверхности теплопередачи трубопровода, м²

F_C – площадь теплопередачи трубопровода для промышленных стоков, м²;

F_В – площадь теплопередачи трубопровода для водопроводной воды, м².

Согласно формуле (6), в основном общий коэффициент k определяется наибольшим из слагаемых в знаменателе. Обычно температурное сопротивление стенки мало, поэтому основное влияние на коэффициент k оказывает соотношение слагаемых и . Согласно известным теплотехническим зависимостям для турбулентного режима движения жидкости при прочих равных условиях общий коэффициент теплопередачи существенно зависит от теплопроводности среды. Теплопроводность стоков ниже, чем у водопроводной воды, вследствие наличия моющих веществ, грязевых примесей, различных нефтепродуктов, уменьшающих теплокинетические параметры жидкости. Поэтому наибольшее значение имеет слагаемое , и для обеспечения эффективной теплопередачи именно его значение следует уменьшить. С этой целью применяют различные способы интенсификации теплообмена в теплообменных трактах: оребрение, искусственную шероховатость, пористые наполнители с различной структурой, компланарные каналы.

Оптимальное соотношение слагаемых в (6) будет в том случае, когда они будут равны, при снижении меньшего слагаемого левой части (6) сопротивление возрастает без существенного выигрыша в коэффициенте теплообмена. Поэтому для турбулизации потока и интенсификации теплообмена сточных вод предлагается использовать теплообменный тракт с компланарными каналами для сточных вод, оставляя гладкий канал для водопроводной воды.

Так как именно коэффициент теплопередачи сточных вод в основном влияет на эффективность теплообмена в теплообменном тракте, то целесообразно исследовать именно тракт с компланарными каналами и рассматривать все теплотехнические характеристики, применительно к параметрам этого канала.

Величина К^* пропорциональна значению критерия Стентона, который демонстрирует слабую зависимость от числа Рейнольдса, то есть скорости теплоносителя. В пренебрежении этой зависимостью параметры b_W и К^* можно считать не влияющими друг на друга, то есть независимыми конструктивно-технологическими параметрами.

Критерий Стэнтона  характеризует интенсивность перехода части энергии потока жидкости  в тепловую энергию и определяется по формуле:

(7)

где а — коэффициент теплоотдачи;

С_P — удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении;

r — плотность;

v — скорость течения.

Применение критерия Стэнтона позволяет определить интенсивность турбулизации потока с целью интенсификации теплообмена в условиях использования теплоты горячих промышленных сточных вод в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Литература:

1. Молев М.Д. Оценка и прогнозирование состояния окружающей среды с использованием методов неразрушающего контроля/ Молев М.Д., Занина И.А., Илиев А.Г., Стуженко Н.И., //Экологические проблемы современности сборник статей XI Международной научно-практической конференции, посвящается 20-летию Пензенского филиала НОУ ВПО «Академия МНЭПУ» 2015 с 78-81.

2. Голик В.И., Масленников С.А., Прокопов А.Ю., Базавова О.В. Обеспечение экологической безопасности техногенных отходов // Научное обозрение. 2014. №9. С. 726-729.

3. Илиев, А.Г. Снижение влияния вредных факторов на окружающую среду при функционировании энергетического сектора / Илиев А.Г. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2014». М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. с. 112-116.

4. Молев М.Д. Научно-практические основы прогнозирования социально-экологической ситуации в регионе /Научно-методические основы мониторинга, прогнозирования и оценки устойчивого развития территориальных социоприродных систем: монография /Под общ. ред. М.В.Россинской. – Воронеж: ВГПУ, 2012. – С. 65-79.