CC BY
6
as a whole in the future. The complexity of assessing the design labor intensity is largely due to the subjectivity of the assessment, which depends on the experience and knowledge of individual specialists, which cannot reflect the impact of rapidly developing modern production systems and does not allow for high efficiency of their operation.
Key words: design solution model, manufacturability, design complexity, turning, design engineering.
Abrazhenin Aleksandr Aleksandrovich, postgraduate, winelless@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, trushun@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.43; 621.51
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-11-18
КЛАССИФИКАЦИЯ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.М. Калашников
В данной работе проведена классификация и сравнительная оценка методов повышения эффективности теплообменника для системы рекуперации тепловых потерь. Из проведенных исследований можно сделать вывод, что при повышении эффективности теплообменника для системы рекуперации тепловых потерь можно выделить следующие основные направления и рекомендации по ним: выбор типа теплообменника (наиболее эффективным оказался кожухотрубный теплообменный аппарат); выбор тепловой изоляции (наиболее эффективной оказалась экранно-вакуумная изоляция); выбор степени изоляции кожуха теплообменника (наиболее оптимальным значением является 50% изоляции, со стороны подачи охлаждаемой среды); выбор режимных параметров теплообменника (повышение давления нагреваемой жидкости и изменение её расхода позволяют повысить эффективность теплообменного аппарата).
Ключевые слова: тепловые потери, теплообменный аппарат, изоляция, вакуумная изоляция, рекуперация.
В промышленной сфере существует большое количество отработанного тепла, которое сбрасываются в атмосферу без преобразования, что приводит к серьезным энергетическим потерям на производстве [1]. Утилизация отработанного тепла может быть использована для выработки электроэнергии и отопления без подвода дополнительных энергетических ресурсов. Утилизация отработанного тепла может повысить эффективность использования энергии на производстве, что является важной технологией повышения энергоэффективности и сокращения выбросов в атмосферу.
В России имеется существенный потенциал для утилизации промышленного отработанного тепла. В типичных энергоемких отраслях промышленности, таких как цементная, сталелитейная и стекольная промышленность, отработанное тепло при невысоких температурах (до 200 оС) составляет порядка ~50% от общего объема отработанного тепла [1]. Низкотемпературное отработанное тепло с температурой ниже 200 °С на таких производствах весьма обильны, но коэффициент применения рекуперации на них очень низок, поэтому очень важно повысить тепловую эффективность и уменьшить необратимые потери в процессе теплопередачи, чтобы максимизировать рекуперацию
низкотемпературного отработанного тепла [2]. Возврат этой тепловой энергии в технологическую схему или на нужды предприятия могут существенно повысить эффективность всего предприятия [3-5].
Возврат отбросной тепловой энергии обратно в технологический цикл в виде механической или электрической энергии осуществляется с использованием систем рекуперации тепловых потерь (СРТП). В качестве ключевого оборудования для реализации теплопередачи в процессе утилизации отработанного тепла широко используются теплообменники регенеративного цикла. В настоящее время наиболее активно применяются кожухотрубный теплообменный аппарат (ТА), пластинчато-ребристый, матричный и так далее [1]. Это значит, что эффективность системы рекуперации во многом зависит от эффективности рекуперативного теплообменника [6-8].
При этом на СРТП также оказывают влияние выбор термодинамического цикла, который используется в данной схеме. Из проведенных ранее исследований установлено, что паровой цикл Ренкина является наиболее оптимальным для реализации рекуперации тепловых потерь, так как он может работать при высоких температурах, высоких давлениях, имеет высокую мощность и КПД, экологичен и его оборудование имеет низкую стоимость [9-10].
Помимо самого цикла, существенное влияние на производительность СРТП оказывает подобранная схема. Из полученных ранее данных следует [9-10], что в зависимости от схемы возможно увеличение экономии топлива с 20% до 50%.
Целью данной работы является проведение классификации и сравнительная оценка методов повышения эффективности теплообменников, участвующих в процессе рекуперации тепла.
Объектом исследования рекуперативный противоточный кожухотрубный ТА в
СРТП.
Проведение анализа. Методы повышения эффективности ТА в СРТП можно разделить на следующие направления:
1. Выбор типа теплообменника. Современный уровень развития технологии ТА позволяет провести следующую классификацию по конструктивным признакам [13]:
а) змеевиковые;
б) спиральный;
в) труба в трубе;
г) кожухотрубные;
д) пластинчатые;
ж) матричные;
з) пластинчато-ребристые / радиаторы.
Из проведенного анализа следует, что кожухотрубный теплообменник является наиболее приемлемым конструктивным решением для реализации системы рекуперации тепловых потерь через цикл Ренкина [6], так как он имеет большую надежность из-за простоты конструкции, наибольшую рабочую температуру и его конструкции позволяет легче реализовывать теплоизоляцию изоляцию [6, 11-12].
2. Выбор тепловой изоляции. К основным требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам и конструкциям, относят следующие:
- теплотехническая эффективность;
- эксплуатационная надежность и долговечность;
- пожарная и экологическая безопасность.
Можно выделить следующие наиболее распространенные группы теплоизоляционных материалов [13-14]:
а) твердая тепловая изоляция:
- волокнистые (минеральная вата, стеклянное волокно, теплоизоляционный материал на основе кварцевого волокна);
- вспененные (вспененный полиэтилен, вспененного синтетического каучука, пеностекло, армопенобетон, пенополиуретан и пенополимерминерал);
б) активная водяная изоляция;
в) экрано-вакуумная изоляция / вакуумные панели.
Для оценки эффективности представленных видов тепловой изоляции, был проведен ряд исследований, которые показывали влияние вида тепловой изоляции и её технических характеристик на величину тепловых потерь в окружающую среду [13-14].
На рис. 2-4 представлен численный анализ различных видов тепловой изоляции (твердой изоляции, водяной активной изоляции и экранно-вакуумной изоляции) разной толщины.
- - -
\ ч \
N £ 7Т - _
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Толщина нтпяпнп, им
Рис. 2. График зависимости тепловых потерь от толщины изоляции: 1 — пеностекло; 2 — кварцевые волокна; 3 — армопенобетон; 4 — пенополимерминерал; 5 — минеральная вата; 6 — базальтовое супертонкое волокно; 7 — вспененный полиэтилен; 8 — вспененный каучук; 9 — пенополиуретан
зеэ И10ЛНЦИ и
1 4 5_ J 8_
- / !
- - 1 и _ - - —1 ....
- -
о 2 1 6 8 1* 11 14 1« 19 20
Толщвна пощад, мм
Рис. 3. График зависимости тепловых потерь от толщины изоляции и количества
экранов: 1 — Р=1 атм, Мэкр=0; 2 — Р=0,4 атм, Мэкр= 0; 3 — Р=0,01 атм, Мэкр=0; 4 — Р=1 атм, Мэкр=1; 5 — Р=0,4 атм, Мэкр=1; 6 — Р=0,01 атм, Мэкр=1; 7 — Р=1 атм, Мэкр=5; 8 — Р=0,4 атм, Мэкр=5; 9 — Р=0,01 атм, Мэкр= 5
ч ч ч 1_
ч ч ч ч ч ч. ч*
ч --V, 1 "Ч /
- --
О 2 4 б 3 10 12 14 10 ¡9 20
Толщина изоляции, им
Рис. 4. Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоносителя во внешнем кольцевом канале при различных массовых расходах теплоносителя:
1 - 0,003 кг/с; 2 - 0,015 кг/с; 3 - 0,03 кг/с
Согласно графиков на рис. 2-4 можно сделать вывод о том, что экрано-вакуумная изоляция является наиболее перспективным вариантом изоляции внешней поверхности кожуха ТА в системе рекуперации пепловых потерь, так как имеет более низкие значения теплопроводности, больший срок службы и более низкую стоимость (при внедрении системы периодической откачки воздуха возникает удорожание) [1112]. Помимо, этого хорошие результаты показала активная-водяная изоляция, но её применение требует дополнительных вложений для реализации движения жидкости, а также серьезно усложняет конструкцию.
3. Выбор степени изоляции кожуха теплообменника. Эффективность ТА зависит от эффективности передачи тепла от одного потока к другому и потерями тепла от теплообменного аппарата в окружающую среду. При этом интенсивность внешних тепловых потерь носит сегментный характер, так как в разных частях внешней поверхности температура может быть различна. Поэтому секционное распределения тепловой изоляции может улучшить массогабаритные характеристики ТА без потери его эффективности [12].
На рис. 4 представлена модель, используемая для численного анализа степени изоляции кожуха ТА.
25% ¡ 50% ] 75% ¡ 100%
Рис. 4. Трехмерная модель ТА с долей изоляции: 25%, 50%, 75% и 100%
На рис. 5 представлено распределение температуры на внешней поверхности кожуха рекуперативного ТА при различной степени изолированности кожуха [1314].
На рис. 6 представлены графики влияния степени изоляции внешней поверхности ТА.
Из рис. 5-6 видно, что первая gjkjdbyf внешней поверхности ТА характеризуется наиболее высокими температурами. При этом изолирование второй половины внешней поверхности ТА существенного влияния на значение тепловых потерь не оказывает.
д
Рис. 5. Распределения температуры на внешней поверхности кожуха рекуперативного ТА (цветовой градиент температуры от 31.5 оС до 400.8 оС): а - 0% изоляции; б - 25% изоляции; в - 50% изоляции; г - 75% изоляции;
д -100% изоляции
Рис. 6. Тепловые потери и КПД ТА при разной степени изоляции кожуха (Тг=400 °С, Рв=5 бар): 1 - 0%; 2 - 25%; 3 - 50%; 4 - 75%; 5 -100%
4. Выбор режимных параметров технологического оборудования СРТП. Изменение режимных параметров ТА напрямую влияет на величину теплового потока, а также тепловых потерь, возникающих в рабочих процессах теплообменника. Наибольшее влияние на это оказывает:
а) давление охлаждающего потока;
б) расход охлаждающего потока.
На рис. 7 представлен график зависимости тепловых потерь в процентных соотношениях от степени изоляции кожуха ТА при различных расходах и давлениях воды.
Рис. 7. Тепловые потери и КПД ТА при разном давлении воды (Тг=400 °С): 1 - Рв = 5 бар; 2 - Рв = 10 бар; 3 - Рв = 50 бар; 4 - Рв = 100 бар
Из представленных на рис. 7 графиков видно, что с ростом избыточного давления воды происходит уменьшение величины тепловых потерь. Это объясняется тем, что рост давления воды приводит к увеличению её температуры кипения, а значит и участка нагрева воды с высокой теплоёмкостью. Последнее увеличивает тепловой поток, воспринимаемый водой от горячего газа, а значит приводит к уменьшению внешних тепловых потерь.
Вывод. Были проведена классификация и оценка методов повышения эффективности ТА на базе СРТП. Данная классификация и оценка методов позволяют выделить наиболее перспективные направления повышения эффективности всей СРТП в целом, а также ТА в частности:
1) В СРТП на базе парового цикла Ренкина, рекомендуется применение кожу-хотрубного ТА, так как он оказался наиболее приемлемым конструктивным решением, так как он имеет большую надежность из-за простоты конструкции, наибольшую рабочую температуру и его конструкции позволяет легче реализовывать применение тепловой изоляции.
2) Одним из направлений повышения эффективности ТА является применение теплообменной изоляции. Из проведенного анализа, можно сделать вывод:
применение тепловой изоляции позволяет снизить величину тепловых потерь
~20%;
увеличение толщины изоляции становится менее эффективным на определённом уровне, что приводит к отсутствию необходимости дальнейшего увеличения толщины;
наименьшие потери из исследованного ряда изоляций, достигаются при использовании экранно-вакуумной изоляции с 5 экранами;
повышение давления в экранно-вакуумной изоляции, в процессе теплопередачи начинает участвовать конвективный теплообмен, приводит к ухудшению эффективности работы ТА (от 0,01 атм до 1 атм). Это связанно с тем, что при низком давлении вакуума в процессе теплообмена участвует только передача тепла с помощью излучения.
3) Помимо выбора самой изоляции, было установлено, что степень изоляции внешней поверхности тоже позволяет влиять на массогабаритные характеристики ТА. Оптимальной степенью изоляции спроектированной конструкции ТА является 50% поверхности кожуха, со стороны подачи выхлопных газов. Дальнейшее увеличение степени изоляции кожуха не оказывает существенного влияния на величину тепловых потерь.
4) Еще одним направлением повышения эффективности ТА является изменение технологических параметров работы ТА:
повышение давления нагреваемой воды, которая понижает величину тепловых потерь в атмосферу и увеличивает КПД теплообменника. Это связанно с тем, что увеличивается температура кипения воды, а значит и зона нагрева воды с высокой теплоемкостью. При этом, были получены результаты, которые позволяют говорить о том, что повышения давления более 50 бар не приводит к существенному росту КПД ТА.
С ростом расхода нагреваемой воды тепловые потери уменьшаются, а КПД теплообменника увеличивается, но при значениях выше 0,02 м3/ч эффект снижается. Это связано с недогревом жидкости.
Список литературы
1. Han Z.X., Guo J., Zhang H., Chen J., Huai X., Cui X. Experimental and numerical studies on novel airfoil fins heat exchanger in flue gas heat recovery system // Applied Thermal Engineering, 192 (2021). P. 116939.
2. McKenna R.C., Norman J.B. Spatial modelling of industrial heat loads and recovery potentials in the UK // Energy Policy. 2010. Vol. 38. P. 5878-5791.
3. Rieder de Oliveira Neto, César Adolfo Rodriguez Sotomonte, Christian J.R. Coronado, Marco A.R. Nascimento. Technical and economic analyses of waste heat energy recovery from internal combustion engines by the Organic Rankine Cycle // Energy Conversion and Management. 2016.Vol. 129. P. 168-179.
4. Xu Y.Z., Wang Z.R., Chun Y. Perspectives for low-temperature waste heat recovery / Energy, 176 (2019). P. 1037-1043.
5. Carcasci C., Winchler L. Thermodynamic analysis of an Organic Rankine Cycle for waste heat recovery from an aeroderivative intercooled gas turbine // Energy Procedia. 2016.Vol. 101. P. 862 - 869.
6. Параметрический анализ теплообменного аппарата системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки / Юша В.Л., Чернов Г.И., Калашников А.М., Зиновьева А.В. // Компрессорная техника и пневматика. 2019. № 2. С. 17-21.
7. Yusha V.L., Chernov G.I., Kalashnikov A.M. The efficiency comparative analysis of the mobile compressor unit heat losses recovery system flow part elements thermal insulation different types // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2007. Issue 1. P. 030029-1030029-9.
8. Yusha V.L., Chernov G.I., Kalashnikov A.M. Analysis of the thermal efficiency of solid and vacuum thermal insulation in an exchanger of the heat losses recovery system in mobile compressor units // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141, Issue 1. P. 8.
9. Анализ влияния эффективности рекуперативного теплообмена на тепловые потери мобильной компрессорной установки / Чернов Г.И., Калашников А.М., Зиновьева А.В. [и др.] // Компрессорная техника и пневматика. 2017. № 2. С. 33-35.
10. Анализ эффективности системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки с дополнительным холодильным контуром / Юша В.Л., Чернов Г.И., Калашников А.М., Зиновьева А.В. // Компрессорная техника и пневматика. 2018. № 2. С. 34-38.
11. Калашников А.М., Капелюховская А.А., Чернов Г.И. Исследование эффективности теплообменных аппаратов систем рекуперации тепловых потерь с твердой изоляцией в мобильной компрессорной установке с разной степенью давления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 3. С. 372-383.
12. Калашников А.М., Капелюховская А.А., Чернов Г.И. Оценка эффективности теплообменников с зональной вакуумной изоляцией для системы рекуперации тепловых потерь компрессорных агрегатов // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 4-2. С. 216-222. DOI: https://doi.org/10.17513/snt.37999.
13. Мартыненко О.Г. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.1. / Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.
14. Дульнев Г.Н., Сигалова Г.В. Климатическая стойкость вакуумных панелей // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2018. № 10 (718). С. 22-29.
Калашников Александр Михайлович, ассистент, kalashnikov__omgtu@„mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
CLASSIFICATION AND COMPARATIVE EVALUATION OF METHODS FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGERS FOR THE HEAT LOSS RECOVERY SYSTEM OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
A.M. Kalashnikov
In this paper, a classification and comparative assessment of methods for increasing the efficiency of a heat exchanger for a heat loss recovery system is carried out. From the research it can be concluded that an increase in the efficiency of the heat exchanger to heat
loss recovery systems following main areas can be identified and recommendations on: select the type of the heat exchanger (the most effective was a shell-and-tube heat exchanger); selection of thermal insulation (screen-vacuum insulation turned out to be the most effective); selecting a degree of insulation of the heat exchanger housing (the most optimal value is 50% insulation, from the supply side of the cooled medium); selection of operating parameters of the heat exchanger (increasing the pressure of the heated liquid and changing its flow rate make it possible to increase the efficiency of the heat exchanger).
Key words: heat losses, heat exchanger, insulation, vacuum insulation, recuperation.
Kalashnikov Alexander Mikhailovich, assistant, kalashnikov omgtu amail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
