Эффективные конденсаторы в системах утилизации теплоты технологических процессов и основы их проектирования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.577

В.В. Горин

Национальный технический университет Украины «КПИ», Украина

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ В СИСТЕМАХ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОСНОВЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Аннотация: Разработаны двухступенчатые конденсаторные контуры с неполным фазовым переходом в первой ступени и промежуточной сепарацией фаз, обеспечивающие повышение теплового коэффициента теплоиспользующих эжекторных холодильных машин примерно на 20 %.

Кондснса2ор, неполный фазовый переэод, у2, л, зац, 2епло2ы, эжск2ор, эолод, льна маш, на

1. Анализ проблемы, выделение нерешенных вопросов и постановка задачи исследования

Основу большинства химических и пищевых технологий составляют процессы выпаривания, концентрирования и т.п., происходящие в выпарных аппаратах, обогреваемых острым паром от котельной, и связанные с образованием так называемого пара вторичного вскипания («сокового» пара). Этот пар конденсируется в теплообменниках поверхностного или смешанного типа и, как правило, сбрасывается в виде конденсата в канализацию. Если учесть, что со вторичным паром отводится больше половины теплоты, расходуемой на процессы выпаривания, то ее утилизация обеспечила бы существенную экономию острого пара и соответственно топлива на его производство в котельной. Решение этой задачи осложняется низким давлением вторичного пара, исключающим возможность его применения в качестве греющего для выпарных аппаратов или других паровых нагревателей. В то же время этот пар может быть исполь -зован для производства холода в теплоиспользу-ющих холодильных машинах, а полученный холод в свою очередь - для охлаждения конечного продукта того же технологического процесса или в других целях. Из-за относительно низкого температурного уровня утилизируемого пара в качестве рабочего вещества в таких машинах применяются низкокипящие рабочие тела (НРТ).

Примером технологии с одновременным потреблением пара и холода может служить производство рыбной муки, при котором для выпаривания

бульона в выпарных аппаратах используется острый пар, а готовая рыбная мука охлаждается воздухом от системы технологического кондиционирования. Основными элементами теплоиспользу-ющих установок для производства холода являются теплообменники с фазовым переходом НРТ. В случае теплоиспользующих установок эжектор-ного типа [1 ] это генератор пара НРТ высокого давления, испаритель пара НРТ низкого давления и конденсатор. При этом генератор пара НРТ является одновременно и конденсатором водяного пара (вторичного пара). Сокращение температурных напоров в конденсаторах и обусловленных ими энергетических потерь путем интенсификации теплопередачи обеспечило бы повышение эффективности утилизации теплоты вторичных энергоресурсов, в частности, пара вторичного вскипания, и уменьшение расходования топлива на производство пара для технологических процессов. Потери же теплоты с паром вторичного вскипания довольно весомые и составляют для рыбомучного производства 15э.. .20 % всего теплопотребления в случае применения двухступенчатых выпарных аппаратов и 25.. .535 % - трехступенчатых [2-4].

Целью выполненного исследования является разработка конденсаторных контуров, обеспечивающих эффективную утилизацию теплоты в технологических процессах за счет сокращения энергетических потерь, обусловленных разностью температур между конденсирующейся и охлаждающей средами, зависящей в свою очередь от интенсивности теплообмена между ними.

2. Анализ эффективности конденсаторных контуров и разработка основ их рационального проектирования

© В.В. Горин 2006 г.

Анализ эффективности конденсаторных контуров выполнен для случая их применения в тепло-использующих эжекторных холодильных машинах (ТЭХМ) рыбомучного производства. Выбор в качестве объекта исследования конденсаторных контуров ТЭХМ обусловлен тем, что их энергетическая эффективность зависит от эффективности работы струйного компрессора - эжектора, а последняя - в значительной степени от температурных напоров в конденсаторе. Кроме того, пар вторичного вскипания от последних ступеней выпарных аппаратов рыбомучных установок имеет давление ниже атмосферного (Р = 0,02s...0,04 МПа) и соответственно низкую температуру (t = 60s...75 °С), что исключает возможность его утилизации традиционными способом без применения НРТ - путем понижения теплового потенциала в рекуперативных теплообменниках. Повысить давление вторичного пара до 0,11 s.0,15 МПа можно также с помощью эжектора, использующего потенциальную энергию острого пара высокого давления от котла, обычно теряемую при его дросселировании до давления в выпарных аппаратах. Поскольку смешанный паровой поток давлением 0,11 s.0,15 МПа затем конденсируется в генераторе пара НРТ, то интенсивность теплообмена в таком конденсаторе водяного пара-генератора пара НРТ обусловливает эффективность, но уже пароэжекторного теплонасосного контура. Таким образом, от интенсивности теплообмена в конденсаторах зависит энергетическая эффективность как теплонасосного, так и холодильного эжекторных теплоиспользующих контуров и, в конечном счете, утилизации теплоты.

Схема ТЭХМ с эжекторным тепловым насосом (ЭТН) представлена на рис. 1 ,а. ЭТН включает бу-стерный эжектор Э1 для поджатия пара вторичного вскипания от выпарных аппаратов ВА рыбомуч-ной установки РМУ до давления выше атмосферного и конденсатор вторичного пара Кн, он же генератор Г пара НРТ ТЭХМ. Силовым потоком, энергия которого используется в Э1, является острый пар высокого давления от котла. Этот же пар подается на обогрев выпарных аппаратов ВА. В состав ТЭХМ входят генератор Г пара НРТ, он же конденсатор вторичного пара, эжектор Э2 для повышения давления пара НРТ от давления в испарителе И до давления в конденсаторе Кн, циркуляционный насос ЦН, повышающий давление сконденсированного НРТ до давления в генераторе Г. Силовым потоком для эжектора Э2 является пар НРТ высокого давления, образующийся в генераторе пара Г. Охлаждающей средой для конденсатора НРТ служит воздух или вода.

Конденсат

2 М

Цн

Конденсат

Конденсат

Цн

(3

Кн1

б

Рис. 1 - Схема ТЭХМ с ЭТН и конденсаторами одноступенчатыми (а) и двухступенчатыми (б): 1 - острый пар от котла; 2 - вторичный пар от ВА РМУ; Г1 и Г2 - генераторы пара первой и второй ступеней; И -испаритель; Кн1 и Кн2 - конденсаторы первой и второй ступеней; СП - сепаратор пара; ЦН - циркуляционный насос; Э1 - эжектор ЭТН; Э2 - эжектор ТЭХМ; ДК -дроссельный клапан

Как видно, ТЭХМ состоит из паросилового и холодильного контуров. Паросиловой контур включает в себя генератор пара Г, паровой эжектор Э2, выполняющий одновременно функции детандера силового контура и компрессора холодильного контура, конденсатор Кн и насос ЦН подачи жидкости в генератор Г. В холодильный контур помимо указанных выше эжектора Э2 и конденсатора входят дроссельный клапан ДК и испаритель И.

Энергетическая эффективность ТЭХМ характеризуется тепловым коэффициентом Z - отношением холодопроизводительности Q0 к количеству теплоты Qp подведенной к НРТ в генераторе: Z = Qc/ Qr Зависимость Z от температуры конденсации tK для хладагента R142b в качестве НРТ приведена на рис. 2. Как видно, в диапазоне температур кон-

а

- у 8 -

денсации ^ = 30..^40°С значения С, изменяются от 0,10 до 0,45, приближаясь с понижением ^ (температуры охлаждающей среды) к величине, соответствующей абсорбционным холодильным машинам. К тому же исключительная простота конструкции, высокая надежность, гораздо меньшие массогабари-ты и трудоемкость монтажных работ делают ТЭХМ более предпочтительными.

а

б

Рис. 2 - Зависимость теплового коэффициента ^ ТЭХМ от

температуры конденсации для Я142Ь при разных температурах кипения в испарителе и в генераторе ¿г: а - и = 100 °С; б - и = 80 °С

Как видно из рис.2, величина Z в значительной

Z 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

10°C 5°C

0.0

24 26 28 30 32 34 36 38 40 tk ,°C

степени зависит от температуры tK: каждый градус

Z

0.60.5 0.4

10°C 5°C

0.3 0.2 0.1 0.0

24 26 28 30 32 34 36 38 40 tk ,°C понижения tK обеспечивает абсолютное приращение Z на 0,02, или же в относительных величинах -на 5...10 % (большая величина соответствует высоким tK - меньшим Z). Температура же конденсации tK зависит от температурных напоров 9 в конденсаторе, которые в свою очередь - от интенсивности теплопередачи. В случае водяного охлаждения интенсивность теплопередачи в конденсаторе определяется интенсивностью теплоотдачи при конденсации НРТ, которая значительно ниже интенсивности теплоотдачи к воде.

При конденсации в трубах и межтрубных каналах (в случае продольного обтекания конденсиру-

ющимся паром тесных трубных пучков) по мере заполнения проходного сечения трубы (канала) конденсатом происходит ухудшение теплоотдачи (рис. 3), особенно существенное на конечной ее стадии (при паросодержаниях в диапазоне значений х = 0,2.s0) и вызывающее увеличение разности температур между конденсирующимся паром и охлаждающей средой, а, следовательно, и энергетических потерь в рабочем цикле из-за внешней необратимости.

На рис. 3 приведены кривые, характеризующие изменение коэффициентов теплоотдачи аа и теплопередачи к, а также плотности теплового потока q по длине L трубки (канала) конденсатора, полученные для следующих параметров работы конденсатора: хладагент Ж42й, температура конденсации ^ = 35 °С; температура охлаждающей воды на входе ^ = 30 °С и выходе ^ = 34 °С; диаметр канала d = 0,01 м.

а, Вт/(м2 К)

0 "I-1—I I I I—I I I I—| I I I—I | I I—I I | I—I I I |—I I I I—| I I I—I | I I—Г"Г"

0 1 2345 67 L,

k, Вт/(м2 К)

2000

1500

1000

500

100 pw - 120 кг/ м2 с)

80 ' 60

40

1 1 1 1 lili 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 1

7 L , м

Рис. 3 - Изменение коэффициентов теплоотдачи а (а), теплопередачи k (б) и плотности теплового потока q (в) по длине трубки 1 при разных массовых скоростях pw конденсирующегося Ш42Ь

Как видно из рис. 3, особенно значительное ухудшение тепловых характеристик конденсатора происходит на завершающей стадии конденсации.

м

а

б

в

q, Вт/м2

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

pw = 120 к г/(м2 с)

100 "80

40

NX

s\\

0 1 2 3 4 5 6 7 Ь , м С учетом этого процесс конденсации можно разбить на две зоны: неполной конденсации (с паро-содержанием на выходе х2 > 0,2) с высокими значениями аа, к и соответственно д и зону окончания конденсации (с паросодержанием на входе х1 < 0,2), которая характеризуется крайне низкими аа, к и соответственно д. Очевидно, что работа конденсатора во второй зоне неэффективна и ее желательно исключить или свести к минимуму. Исключая концевые участки (х = 0,2з...0), т.е. переходя на неполную конденсацию, можно существенно (на 20э.. .40 %) повысить среднюю плотность теплового потока в конденсаторе и соответственно сократить температурные напоры в нем, т.е. уменьшить ^. Решить эту задачу можно путем перевода конденсатора на ступенчатую конденсацию. При этом в первой ступени конденсатора имеет место неполная конденсация всего количества хладагента (суммарным расходом О0) с высокой интенсивностью теплопередачи, а во второй - конденсация с переохлаждением несконденсировавшегося в первой ступени пара, расход которого составляет Х2О0. Для отделения пара от парожидкостной смеси после первой ступени должен быть предусмотрен сепаратор пара. Поскольку расход пара через вторую ступень примерно в 5 раз меньше, чем через первую, то, соответственно, и поверхность теплообмена второй ступени будет также намного меньше. Поэтому снижение интенсивности теплопередачи на концевом ее участке скажется на общем для двух ступеней конденсатора температурном напоре и энергетических потерях от внешней необратимости в цикле не столь заметно, как в случае одноступенчатого конденсатора. Соответствующая схема ТЭХМ приведена на рис. 1,б.

Расчеты показывают, что двухступенчатая конденсация позволяет за счет интенсификации теплопередачи сократить температурные напоры в конденсаторе и, в конечном счете, уменьшить на 2...53 °С. Как видно из рис. 2, такое снижение ^ обеспечивает возрастание величины С, примерно на 20 %.

Приведенные данные были получены для кон-

денсаторов НРТ. Аналогичные результаты имеют место и в случае перевода на ступенчатую конденсацию конденсатора вторичного пара эжектор-ного теплонасосного контура (он же генератор пара НРТ на рис. 1). При этом двухступенчатое оформление конденсатора вторичного пара уже предполагает реализацию ступенчатого испарения и в генераторе пара НРТ со всеми вытекающими из этого преимуществами.

Выводы

Разработанные двухступенчатые конденсаторные контуры с неполным фазовым переходом в первой ступени и промежуточной сепарацией фаз обеспечивают повышение теплового коэффициента теплоиспользующих эжекторных холодильных машин примерно на 20 %.

Литература

1. Петренко В. А. Принцип выбора рабочего вещества для эжекторной холодильной машины // Холодильная техника и технология. - 2001. - № 1 (70). - С.16-21.

2. Уваров А. А. и др. Судовые рыбомучные установки. - М.: Пищевая промышленность, 1980.

3. Романов А. А. Справочник по рыбомучным установкам и оборудованию. - М.: Пищевая промышленность, 1978.

4. Горбатюк В. И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999. - 335 с.

Поступила в редакцию 25.07.06 г.

Рецензент: д-р техн. наук, профессор Радчен-ко Н.И., Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова

Анота^я : Розроблен1 двоступеневi конденсаторн1 контури з неповним фазовим переходом у першому ступенi та промiжною сепараи^ею фаз, як забезпечують пiдвищення теплового коефiцieнта тепловикористовуючих ежекторних холодильних машин приблизно на 20 %.

Abstract: Two-stage condenser contours with incomplete phase change in the first stage and intermediate phase separation those provide an increase in the coefficient of performance of waste heat recovery ejector refrigeration machines by approximately 20 % have been proposed.