Рекуператоры и регенераторы

ЛЕКЦИЯ №

СПОСОБЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ

 

Потенциальные возможности утилизации сбросной теплоты

Приблизительно половина всей тепловой и электрической энергии, расходуемой в промышленности, выбрасывается в виде отходящего тепла в воздушный и водный бассейны. Отходящее тепло выбрасывается из процесса при температуре превышающей температуру окружающей среды, поэтому оно обладает дополнительным тепловым потенциалом. По ценности отходящая энергия может классифицироваться по трем температурным диапазонам: высокотемпературный - выше 650 °С; среднетемпературный- 230-650 °С; низкотемпературный - менее 230 °С. Высокотемпературное и средне-температурное отходящее тепло используется для производства технологического пара, выработки электроэнергии, сушки, подогрева воздуха. Низкотемпературное тепло может быть использовано для отопления зданий, подогрева воды и воздуха.

Имеются четыре основные причины необходимости утилизации тепловой энергии:

1. Экономическая. Затраты на энергию становятся все более высокими, и утилизация отходящего тепла может значительно сократить общие издержки производства.

2. Обеспеченность тепловой энергией. Легко доступное отходящее тепло позволяет существенно снизить потребности предприятия в тепловой энергии.

3. Сбережение природных ресурсов страны. Путем утилизации тепла уменьшается потребность предприятий в дефицитных видах топлива, тем самым продляется срок их обеспеченности.

4. Экологическая. Утилизация сбросной теплоты снижает ее воздействие на экологию.

Методы утилизации отходящего тепла:

1. Непосредственная утилизация, например, для сушки или подогрева материалов при отсутствии каких-либо внутренних теплообменников.

2. Рекуперация, при которой отходящие газы и воздух, подвергаемый нагреву, разделяются металлической или огнеупорной теплообменными поверхностями. Передача энергии от одного потока к другому происходит непрерывно.

3. Регенерация, в ходе которой тепло отходящих газов передается теплообменному устройству, аккумулируется в нем в огнеупорных или металлических материалах и впоследствии служит для нагрева воздуха.

4. Утилизация с помощью котла-утилизатора, которая представляет собой одну из форм рекуперации с выработкой за счет тепла горячих отходящих газов технологического пара или горячей воды.

5. Совместное генерирование, при осуществлении которого совместно вырабатываются электрическая энергия и технологический пар.

6. Ступенчатое использование энергии, при котором вначале применяют энергию с наивысшими характеристиками, а затем все с более низкими параметрами для других связанных с этим процессов вплоть до того момента, когда эта энергия не будет иметь очень низкие параметры.

Потенциально возможные варианты применения отходящего тепла:

1) отходящие газы в диапазоне от средних до высоких температур могут использоваться для подогрева воздуха котлов с воздухонагревателями, печей с рекуператорами, сушилок с рекуператорами, газовых турбин с регенераторами;

2) отходящие газы в диапазоне от низких до средних температур могут использоваться для подогрева питающей котел воды при наличии экономайзеров;

3) отходящие газы и охлаждающая вода из конденсаторов могут использоваться для подогрева твердого и жидкого сырья в промышленных процессах;

4) отходящие газы могут использоваться для выработки пара в котлах-утилизаторах;

5) отходящее тепло может передаваться промежуточной среде при помощи теплообменников или котлов-утилизаторов, либо путем циркуляции горячих отходящих газов через трубы или каналы;

6) отходящее тепло может быть применено в абсорбционно-холодильном агрегате, для кондиционирования воздуха, и в тепловых насосах.

При выборе устройств для утилизации отходящего тепла должны учитываться:

а) температура отходящего тепла; б) интенсивность потока отходящего тепла; в) химический состав и наличие загрязняющих агентов в потоке отходящего тепла; г) необходимые температуры нагреваемых сред.

 

Рекуператоры и регенераторы

Наибольшее применение в промышленности находят рекуперативные теплообменники, которые по взаимному направлению движения теплоносителей разделяют на прямоточные, противоточные, с перекрестным и смешанным током. По принципу взаимодействия теплоносителей различают системы: жидкость - жидкость, пар - жидкость, газ - жидкость, пар - пар и газ - газ. По конструктивным признакам рекуперативные теплообменники подразделяются на змеевиковые, трубчатые, "труба в трубе", кожухотрубные, спиральные, пластинчатые и специальные.

Змеевиковые теплообменники (рис. 1) чаще всего применяют в виде элементов реакционной аппаратуры, ректификационных колонн, дефлегматоров, резервуаров и подогревателей сырья. Змеевики изготавливают из труб черных и цветных металлов и располагают в сосудах. Область применения весьма широка, так как они могут работать под значительным давлением.

Наиболее простым является металлический радиационный трубчатый рекуператор (рис. 2). Внутренняя труба проводит горячие отходящие газы, а в наружной трубе подогревается холодный атмосферный воздух, который затем подается в технологический процесс.

Следующим типом широко применяемых рекуператоров являются конвективные воздухотрубные рекуператоры (рис. 3). Они представляют собой пучок труб, присоединенных к коллекторам. Их применение, благодаря поперечному обтеканию труб греющей средой, энергетически более выгодно, чем продольное. Они могут изготовляться из прямых и – U-образных труб (рис. 3 а, б).

Керамические рекуператоры (рис. 4) применяются при температурах отходящих газов выше 1100 °С. Однако они имеют низкий коэффициент теплопередачи и громоздки.

Для повышения эффективности теплопередачи используются различные комбинации рекуператоров радиационного и конвективного типов, причем рекуператор конвективного типа всегда следует за высокотемпературным рекуператором радиационного типа.

Простыми по устройству являются рекуператоры типа "труба в трубе" (рис. 5). В наружную трубу 2 вставлена внутренняя труба 1 меньшего диаметра. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы от жидкости (или пара, или газа), протекающей внутри этой трубы, к жидкости, омывающей наружную ее поверхность и протекающей, как правило, в противоположном направлении внутри внешней трубы 2. Такой теплообменник может быть изготовлен и в секционном исполнении. Секции можно включать последовательно (рис. 5) и па­раллельно.

При большом количестве отходящего тепла необходимо использовать кожухотрубные рекуператоры. Они применяются для теплообмена между паром и водой, газом и жидкостью, жидкостью и жидкостью. Кожухотрубный рекуператор (рис. 6) состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в решетках для создания двух поточных каналов. Первый канал находится в межтрубном пространстве и предназначен для нейтральных сред, а второй, полученный из проходного сечения труб, предназначен для растворов жидкостей, способных загрязнять внуренние поверхности труб. Кожухотрубные теплообменники имеют следующие типы: ТН - теплообменники с неподвижными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП - с плавающей головкой, жестким кожухом и одной жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ - с U-образными трубами, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС - с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и одной жестко закрепленной трубной решеткой. Теплообменники типов ТН и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов.

Пластичные теплообменники блочные сварные предназначены для подогрева и охлаждения жидких и газообразных сред, в которых отсутствуют труднорастворимые соли. Они рас­считаны на рабочее давление до 2,5 МПа и температуру среды до 400 °С. Теплообменники состоят из сварных блоков, установленных на консольной, двухопорной или трехопорной раме между неподвижной и подвижной плитами.

Из регенераторов наибольшее применение имеют регенераторы с неподвижной и подвижной насадками. В регенераторах с неподвижной насадкой используют две (или больше) камеры, заполненных насадками из огнеупорных материалов, которые поглощают тепло из одной газообразной среды и передают его затем другой газообразной среде в результате чередования потоков отходящих газов и воздуха горения, проходящих через камеры (рис. 7). Насадки регенераторов, выполненные из огнеупорных материалов, работают в условиях высоких температур и агрессивной среды. Такие условия характерны для коксовых печей, доменных воздухо­нагревателей, стекловаренных печей, мартеновских печей и нагревательных колодцев.

Тепловое колесо представляет собой регенератор вращающегося типа. Эти аппараты начинают находить все более широкое применение. Тепловые колеса могут выполняться в виде вращающегося диска или вращающегося барабана (рис. 8). Их изготавливают из материала высокой пористости и с высокими значениями теплоемкости.

Рис. 7.8. Тепловые колеса: а - вращающийся диск, б - вращающийся барабан, ГВ - горячий воздух; ГГ - горячие газы

 

По мере того как диск (или барабан) медленно вращается, тепло передается ему горячими газами. При дальнейшем вращении диска (или барабана) он отдает свое тепло более холодному поступающему воздуху. Данные регенераторы обладают высоким КПД теплопередачи (до 80%). Тепловые колеса используют для обогрева помещений, утилизации тепла технологических процессов при низких и средних температурах окружающей среды, в печах для отвержения или сушки и воздухоподогревателях.

 

Литература.

Экономия энергоресурсов в промышленных технологиях. Справочно-методическое пособие. /Авторы – составители; Г.Я. Вагин, Л.В. Дудникова, Е.А. Зенютич, А.Б. Лоскутов, Е.Б. Солнцев; под ред. С.Р. Солнцев; НГТУ, НИЦЭ – Н. Новгород, 2001. – 296.