CC BY
11
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 697.34:536.7
ИСХОДНЫЕ УСЛОВИЯ И РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ В УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ
В. Д. ПЕТРАШ, Ю. Н. ПОЛУНИН
Учреждение образования «Одесская государственная академия строительства и архитектуры», Украина
Ключевые слова: печи обжига строительных материалов, отработанные газы, теплоснабжение, тепловые насосы.
Утилизация теплоты низкотемпературных отработанных газов теплоэнергетических установок является весьма актуальной с позиции энергосбережения и охраны окружающей среды. Авторами предложен базовый вариант системы контактно-рекуперативной утилизации теплоты [1]-[3] с парокомпрессионной трансформацией энергетических потоков для абонентского теплопотребления. В настоящей работе представлены результаты аналитического исследования по определению взаимосвязи параметров греющей и нагреваемой среды для усовершенствованной системы отбора теплоты из отработанных газов, схема которой приведена в работе [4]. Установленные зависимости необходимы для последующего анализа влияния исходных условий и режимных параметров на ее энергетическую, экологическую и экономическую эффективность.
Целью настоящей работы является установление закономерности функционального распределения нагреваемой воды и теплоэнергетического потенциала греющей и нагреваемой среды при поэтапном и общем охлаждении газа в процессе контактно-рекуперативного взаимодействия в анализируемой системе.
Основная часть
Определим теплоэнергетический потенциал при поэтапном и общем охлаждении газа в системе. Поступающий из печи газ после тонкой очистки с расходом сухой части Gг и паров Gп с начальной температурой до 200 оС нагревает воду в рекуперативном теплообменнике предварительного охлаждения 12 в «сухом» режиме. При этом отбираемый тепловой поток в процессе охлаждения газа Qп.о определяется по зависимости
где сг и сп - средняя изобарная теплоемкость газов и паров в рассматриваемых сечениях «а» и «б», Дж/(кг • °С); и и - начальная и конечная температура предварительного охлаждения газа и паров в соответсвующих сечениях, °С; йп - влагосодер-жание газа после контактной камеры, кг/кг.
В результате последующего взаимодействия охлажденного газа с водой теплота охлаждения воспринимается нагреваемой средой в контактных камерах. Общий тепловой поток охлаждения газа в контактной камере представляется интегрированно в виде теплоты сухой компоненты, паров и сконденсировавшейся их части:
Введение
(1)
0=0 си б -1 ) + ^ (ё бс ^ б - ё с I | + 0 (ё б - ё | с I =
¿^к г г \ г,б г,г / г \ п,б п,б п,б п,г п,г п,г / г \ п,б п,г / ж ж ( )
= 0 I (с Л б - с I | + (ё б1 б - ё ' | + (ё б - ё \с t I,
г \\ г,б г,б г,г г,г / \ п,б п,б п,г п,г / \ п,б п,г / ж ж 1
где сг, сп и сж - теплоемкости, соответственно, сухой компоненты газа, паров и сконденсировавшейся их части в соответствующих сечениях «б» и «г» до и после контактной камеры, Дж/(кг • °С); и, ^ и ^ - температуры, соответственно, сухой компоненты газа, паров и сконденсировавшейся их части в соответствующих сечениях «б» и «г» до и после контактной камеры, °С; 'г, 'п - энтальпия газа и паров, соответственно, сухой компоненты газа, паров и сконденсировавшейся их части до и после контактной камеры, Дж/кг.
Тепловой поток доохлаждения газа 0го после контактной камеры в теплообменнике 7 определяется по зависимости
0 =0 [с ^ -1 ) + (ё ' - ё 1 ) + (ё - ё )с t ], (3)
¿^го г Ь г V г,г г,д / V п,г п,г п,д п,д / V п,г п,д / ж ж 1 5 \ У
где сг, сж - теплоемкость газа и сконденсировавшегося пара в соответствующих сечениях «г» и «д», Дж/(кг • °С); tг, tж - температура газа и сконденсировавшегося пара в соответствующих сечениях «г» и «д», °С.
Для предотвращения возможного выпадения конденсата из доохлажденного газа на поверхностях отводящего газохода и выбросной трубы необходимый тепловой поток для незначительного его подогрева 0под в теплообменнике 8 определяется по уравнению
О =0 [с а -1 ) + ё (' -' )], (4)
¿^под гЬ г V г,е г,д/ п,д\ п,е п,д/-1> V /
где сг - средняя теплоемкость газа между сечениями «е» и «д», Дж/(кг • °С); ^ - температура газа в соответствующих сечениях «е» и «д», оС; ёп - влагосодержание газа в соответствующих сечениях «е» и «д», кг/кг; 'п - энтальпия в соответствующих сечениях «е» и «д», Дж/кг.
Располагаемый тепловой поток общего охлаждения газа в системе представляется в виде теплоты его «сухой» компоненты, паров и сконденсировавшейся их части в начальном и конечном сечениях «а» и «е» согласно зависимости
О б =0 \с ( -1 ) + (ё с t - ё с t ) + (ё - ё ) с t 1. (5)
¿^общ г г \ г,а г,е / \ п,а п,а п,а п,е п,е п,е / \ п,а п,е / ж ж V /
Определим закономерность распределения нагреваемой воды в системе при взаимодействии ее с низкотемпературным газом. Распределение исходной холодной воды 0хв происходит по целевому назначению для нагрева ее на горячее водоснабжение 0гв и параллельно для контактного взаимодействия с низкотемпературным газом во второй контактной камере с расходом 0к2 согласно равенству
0х.в = 0к2 +0г.в, кг/с. (6)
Закономерность распределения общего расхода поступающей воды в первую 0к1 и вторую 0к2 контактные камеры, а также уходящей воды из поддона 0п определяется соотношением
0К1 +0К2 +0ковд =0п +0Техн, кг/с, (7)
где 0конд - общий расход сконденсировавшихся паров в результате непосредственного взаимодействия отработанного газа с водой в контактной камере и последую-
щего доохлаждения в теплообменнике 7, кг/с; 0техн - расход подогретой воды, поступающей из общего поддона контактной камеры на исходный цикл технологического процесса, который компенсируется соответствующим расходом исходной холодной воды, кг/с.
Из вышеприведенных соотношений определяется расход теплоносителя 0п, который поступает из поддона контактной камеры для дальнейшего нагрева его в конденсаторе термотрансформаторного контура:
=Ой +Ок2 + 0^ - Яехн , кг/с. (8)
Из анализа структурно-функциональной взаимосвязи основных элементов системы, схема которой представлена в [4] и зависимости (6) следует, что 0к2 = 0хв - 0гв, а 0к1 = 0п. Представив расход поступающей воды из поддона на исходный цикл технологического процесса 0техн в виде ©0п, следует, что
СТехн = ЯР* =Сх.в - Сг.в +СК0ВД , кг/с. (9)
Увеличение общего расхода нагреваемого теплоносителя за счет сконденсировавшейся части содержащихся паров 0конд в газе в процессе доохлаждения его в теплообменнике 7 представляется в виде
0 = 0 (й бс бг б -й с г ), (10)
конд п \ п,б п,б п,б п,д п,д п,д /' V /
гд е йп - влагосод ержание паров в соответствующих сечениях «б» и «д», кг/кг; сп - теплоемкость паров в соответствующих сечениях «б» и «д», Дж/(кг • °С); гп - температура паров в соответствующих сечениях «б» и «д», оС.
Установим закономерность изменения температур греющей и нагреваемой среды. Конечная температура греющей среды тов в теплообменнике отопительно-вентиляционной системы 1 может быть представлена в виде
^ =К + А , °С, (11)
где - температура теплоносителя в обратной магистрали отопительно-
вентиляционной системы, °С; А' - температурный перепад между конечными температурами греющей и нагреваемой среды в поверхностном теплообменнике, °С.
Температура общей смеси греющего потока после теплообменников горячего водоснабжения и отопительно-вентиляционной системы, соответственно, 16 и 1 определяется по зависимости
(1 - у)0 с г + у0 с г
, _ V у / п в о,г.в у п в о,ов (л
'см ^ , (12)
0п св
которая после соответствующих преобразований приобретает следующий вид:
гсм = (1 - у) го,г.в + У ('о + А0, (12а)
где у - часть общего расхода нагреваемой воды Оп, которая после конденсатора 21 и теплообменника 12 поступает в теплообменник 1 для нагрева воды системы отопления.
Таким образом, начальная температура первичного теплоносителя в теплообменнике 1, которая обеспечивает нагрев циркулирующей воды в отопительно-вентиляционной системе с расходом 0о, с учетом (11) представляется в виде
= + = св (^ - ^)+^г.в с (^ - ^)
Т То,ов + ^ То,ов (л , (13)
УСп св (1 - У )0П
где и и tо - расчетные значения температур воды в подающей и обратной магистралях отопительно-вентиляционной системы, °С.
Следовательно, начальная температура теплоносителя после конденсатора 21 на входе в рекуперативный теплообменник 12 предварительного охлаждения газа с учетом (13) представляется в виде следующего уравнения:
t = Х + -^)--Оо-. (14)
кд о г~< г~< v '
УСп СпСв
Определим температурные условия взаимодействия греющей и нагреваемой среды в контактной камере. Закономерно, что влагосодержание газовой среды после контактных камер на входе в рекуперативный теплообменник 7 доохлаждения газа может достигать как частичного, так и полного насыщения его водяными парами, в процессе которого температура нагреваемой среды 1в,г приближается к температуре мокрого термометра ^.т. Соответсвующее соотношение средних температур влаго-насыщенного газа и нагреваемой среды 4,г на выходе из контактной камеры может быть представлено в следующем виде:
=^в,г , (15)
где т > 1 - коэффициент, отражающий степень приближения температуры нагреваемой воды к предельной температуре возможного насыщения газа с температурой водяными парами, значение которой ограничивается температурой мокрого термометра ^.т.
Очевидно, что в условиях достаточно интенсивного процесса взаимодействия контактируемых сред в камере предложенной конструкции (патент № 2, 5), при дальнейшем доохлаждении газа в теплообменнике 7 рассматриваемой системы с термотрансформаторным контуром его температура может снижаться в диапазоне температур газа в сечении «г» (с частичным либо полным насыщением водяными парами) до конечной его температуры в сечении «д». Значения последней логично принять на уровне температуры наружного воздуха, например, средней в межотопительный период, 4 = 20 °С [6]. При этом процесс доохлаждения влагонасыщенного газа в рекуперативном теплообменнике 7 сопровождается конденсацией влаги в пределах установленной температуры 4, т. е. в диапазоне (60-50^20), °С.
Для предотвращения дальнейшего выпадения конденсата из влагонасыщенного газа в процессе последующего его прохождения по отводящему газоходу и выбросной трубе рассмотрен [7] один из надежных способов исключения конденсации влаги за счет предварительного незначительного подогрева охлажденного газа перед выбросом его в атмосферу. В работе [7] показано, что для этой цели достаточным является повышение температуры газа на (3^5)% относительно общего температурного перепада охлаждения отработанного газа в системе.
Из аналогичных преобразований [2], [3] зависимость для определения искомой температуры газа в сечении «г» приобретает окончательный вид:
t =t б-(1 + т)и -1 )-1 +mt . (16)
г, г г, б \ / ^ г ух у г,д в, г V /
Очевидно, что температура влажного газа на входе в теплообменник 7, зависящая прежде всего от его исходных значений ггб, а также от ц и т, является определяющей для последующего многофакторного исследования эффективности анализируемой системы.
Заключение
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Установлены аналитические зависимости для определения теплоэнергетического потенциала при поэтапном и общем охлаждении газа в процессе контактно-рекуперативного взаимодействия греющей и нагреваемой среды в системе.
2. Определена закономерность функционального распределения нагреваемой воды в системе при взаимодействии ее с низкотемпературным газом.
3. Определены зависимости теплового взаимодействия греющей и нагреваемой среды в процессах теплообмена с термотрансформацией энергетических потоков.
Установленные закономерности и соотношения являются исходной основой для подбора оборудования, последующего определения и анализа влияния исходных условий и режимных параметров на энергетическую, экологическую и экономическую эффективность предложенной системы теплоснабжения в процессах поэтапного контактно-рекуперативного отбора с парокомпрессионной трансформацией энергии отработанных газов.
Литература
1. Термотрансформаторна система вщбору теплоти з вщпрацьованих газiв для про-мислового теплопостачання : пат. 100923 Укр., МПК (2013.01) Б27Б 9/00 / Ю. Н. Полунш, В. Д. Петраш. - Опубл. 11.02.2013, Бюл. № 3.
2. Петраш, В. Д. Термотрансформаторная система теплоснабжения на основе контактно-рекуперативного охлаждения отработанных газов вращающихся печей производства строительных материалов / В. Д. Петраш, Ю. Н. Полунин // Вюн. ОДАБА. - 2013. - Вип. № 53. - С. 173-185.
3. Петраш, В. Д. Отбор и трансформация энергии отработанных газов вращающихся печей для промышленного теплоснабжения / В. Д. Петраш, Ю. Н. Полунин // Энерготехнология и ресурсосбережение. - 2013. - Вип. № 6. - С. 59-56.
4. Петраш, В. Д. Зависимость энергетической эффективности работы теплонасосной системы теплоснабжения от параметров абонентских систем / В. Д. Петраш, Ю. Н. Полунин // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2017. - № 4. -С. 97-101.
5. Петраш, В. Д. Тепломассообменный апарат для отбора теплоты их низкотемпературных газов / В. Д. Петраш, Ю. Н. Полунин. - ПУ на полезную модель № 73654. -2011. - С. 80-81.
6. Клименко, В. Н. Некоторые особенности применения парокомпрессионных тепловых насосов для утилизации сброснои" теплоты отопительных котлов / В. Н. Клименко // Пром. теплотехника. - 2011. - Т. 33, № 5. - С. 43-48.
7. Бельский, В. Н. Промышленные печи и трубы / В. Н. Бельский, Б. В. Сергеев. -М. : Стройиздат, 1974. - 304 с.
Получено 06.06.2018 г.
