CC BY
47
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИИ В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
THE USE OF HEAT RECOVERY IN SYSTEMS OF INDUSTRIAL
VENTILATION
Ю.В. Осипов J. Osipov
Нижегородский ГАСУ
В статье приведены термодинамические и теплотехнические особенности использования дисперсного потока для нагрева приточного воздуха, описаны теплообменники специальных конструкций, предназначенные для этих целей.
This paper is dedicated to the thermodynamics and thermotechnical features of using of the dispersible stream for heating of the ventilation air; special constructions of the thermal exchangers, intended for these purposes, are described.
Для вентиляции производственных помещений в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм следует создавать необходимый воздушный режим. Применение рециркуляции при работе систем промышленной вентиляции ограничено, т. к. в удаляемом воздухе содержатся различные вредности. Для очистки удаляемого воздуха от указанных примесей применяются, например, рукавные фильтры.
Применение современных фильтровентиляционных установок, например, УВП-СЦ, допускается лишь при дополнительном согласовании с заказчиком, т.к. они характеризуются значительными капитальными и эксплуатационными расходами. Связано это со значительной материалоемкостью, с высокой стоимостью рукавных фильтров и ограниченным сроком их службы. Указанные вентиляционные установки благодаря степени очистки до 99,9 % позволяют использовать удаляемый из помещений воздух для полной или частичной рециркуляции.
Помимо описанного способа возможно для нагрева наружного приточного воздуха в холодный период года применять удаляемый из производственных помещений загрязненный воздух.
Как известно из основ технической термодинамики, теплоемкость вещества зависит от его температуры, т. е. c = f (t), а истинной теплоемкостью называется отношение элементарного количества теплоты, сообщаемой термодинамической системе в каком-
_ „ dq ^
либо процессе, к бесконечно малой разности температур: с — —. При рассмотрении
dt
многокомпонентной смеси её теплоемкость определяется как осредненная по составным компонентам, и по своей величине она больше теплоемкости потока чистого воздуха:
7/2011
ВЕСТНИК
МГСУ
п
- массовая ссм = ес + е2С2 + ЕзСз +... + gnCn = ^ЕС, ;
- массовая с.
см
г
п
- объемная С'см = гс\ + ^'2 +гзС'з +... + гпСп = X,
см
где: с - массовая теплоемкость г-го компонента; с\ - объемная теплоемкость г-го компонента; - массовая доля г-го компонента; гг - объемная доля г-го компонента.
Теплоемкость тела при данной температуре, называемая истинной, характеризуется выражением:
Загрязненный газовоздушный поток является дисперсным теплоносителем, т.е. отличается от обычного наличием макронеоднородностей в виде дискретных частиц. Специфическая структура дисперсного потока определяет влияние дисперсоида на движение и теплоотдачу сплошной среды. В связи с этим появляются особые требования к конструкции теплообменных камер, участкам ввода и вывода дисперсного теплоносителя. Количественной мерой всех макронеоднородностей является истинная, например объемная концентрация р, определяющая объем частиц Ут в общем объеме системы УП:
Теплообменники с дисперсными теплоносителями характеризуются проточной (расходной) концентрацией ц, равной отношению массовых расходов компонентов дисперсной системы:
Порозность е определяется как е = 1 — в .
На основании приведенных выше положений технической термодинамики, загрязненный газовоздушный поток в силу своей гетерогенности характеризуется большей теплоемкостью, чем поток чистого воздуха. В связи с этим для предварительного нагрева приточного воздуха экономически оправдано использовать загрязненный поток, применяя для этого рекуперативный теплоутилизатор с разделяющей греющий и нагреваемый потоки плоской стенкой.
Рекуперативные теплообменники с потоками газовзвеси отличаются от обычных рекуператоров тем, что в качестве одного из теплоносителей в нем используется дисперсная система, характеризуемая определенным значением объемной концентрации твердых частиц (до 0,03). При этом их расходная концентрация может достигать от долей единицы до 50...60. Именно небольшие истинные концентрации дисперсоида отличают рассматриваемые аппараты от других теплообменников - рекуператоров с дисперсными теплоносителями (например, типа «слой»).
В системах промышленной вентиляции поток газовзвеси формируется специально, искусственно, поэтому существует возможность независимого выбора всех или некоторых характеристик диспергента и за счет этого - определенное управление эффективностью дисперсного сквозного теплоносителя типа «газовзвесь». В подобных
^ _ 1 _ _1___ _1
~ в~ ее М
_ вс т Ут _ Мт
теплообменниках, предназначенных для рекуперативного нагрева или охлаждения диспергированного сыпучего материала, не допускается прямой контакт с греющей (охлаждающей) средой по технологическим, гидромеханическим (опасность уноса, трудность разделения компонентов при малых размерах частиц) условиям. При этом поток газовзвеси используется как теплоноситель и транспортная система одновременно. Такие устройства могут быть и разомкнутыми, и замкнутыми по дисперсному потоку.
При эксплуатации подобных устройств возможно выпадение и налипание тонко-диспергированных частиц, что приводит к известному эффекту загрязнения поверхностей нагрева, вызывающему значительное ухудшение условий теплообмена. Поэтому наличие частиц в газовом потоке требует специальной организации режима течения и компоновки поверхностей нагрева для достижения самообдувки и т. п. условий.
Рекуперативные системы (особенно с восходящими потоками) часто используются при больших числах Рейнольдса для несущей среды этих условиях интенсивность теплообмена потока газовзвеси со стенками канала зависит от поперечных турбулентных перемещений молей жидкости и частиц. Процесс турбулентного течения неоднородного потока более сложен, чем однородного, отличаясь взаимным влиянием компонентов в зависимости от соотношения плотностей компонентов, определяющих размеров и истинной концентрации частиц.
Турбулентному режиму течения свойственен специфический вид переноса теплоты, физически отвечающий конвективному, а по форме записи - кондуктивному:
<?тб = "^тб gradT,
где Хт6 - коэффициент турбулентной теплопроводности потока, пропорциональный средним значениям длины свободного пробега и скорости пульсации перемещения турбулентно-пульсирующих элементарных объемов среды.
При развитой турбулентности обычно Хтб >> X и соответственно qтб >> q■I; исключение составляют зоны потока, прилегающие к твердой поверхности, где турбулентность затухает и интенсивность турбулентного переноса уменьшается. В отличие от X величина Хтб не является теплофизическим свойством вещества, а зависит от характера турбулентности.
Для широко распространенных случаев турбулентного режима течения потоков
(Яе > 104) можно использовать аппроксимацию [1]:
Ш = 0,021Яе°'8Рг°'43
а в л0,25 Рг
V у
в которой пренебрегают влиянием естественной конвекции.
Поверхностные теплообменники применяются в технологических процессах и энергетических установках. В аппаратах такого типа могут быть успешно организованы нагрев или охлаждение мелкодисперсных и полидисперсных сыпучих материалов.
При использовании в качестве греющей (охлаждающей) среды газов при давлениях, близких к атмосферному, благоприятные расчетные показатели имеет пластинчатый аппарат (рис. 1), состоящий из системы вертикальных щелевых каналов с двусторонним оребрением. Каналы, омываемые слоем, чередуются с газовыми, где движение газа организовано по схеме противотока либо перекрестного тока. Материал поступает в каналы из общего бункера и отводится также через один выпускной бункер. В слоевых каналах целесообразно применять прямые прерывистые продольные ребра с шахматным расположенением. Пластинчатые аппараты характеризуются высокой ком-
7/2011_МГВЕС ТНИК
пактностью, сравнительно небольшой массой, позволяют обеспечить равномерный прогрев материала.
Рис. 1. Пластинчатые рекуперативные теплообменники:
а - с каналами из гладких пластин; б - с каналами треугольного сечения по воздуху; в - пластинчато-ребристый
Для обеспечения устойчивого движения материалов с высокими коэффициентами внутреннего трения необходимо использовать дополнительные силы, преимущественно вибрационные. Они могут быть приложены к поверхности нагрева либо непосредственно к слою.
В силу того, что в теплообменниках типа «газовзвесь» истинная концентрация достигает 0,0004.0,03, для таких устройств характерны следующие особенности: сравнительно небольшие потери давления, довольно высокая интенсивность процесса теплообмена, малое пребывание частиц - элементов поверхности нагрева - в рабочих камерах, довольно большие габариты теплообменных камер (при противотоке - диаметры, при прямотоке - протяженность) и пр.
На рис. 2 показана схема теплообменника с дисперсным теплоносителем - рекуперативный нагреватель непродуваемого движущегося слоя сыпучего материала.
В подобном теплообменнике теплоноситель перемещается по разомкнутой схеме, и поэтому выступает в качестве первичного и вторичного теплоносителя, а сам теплообменник является охладителем (холодильником) или нагревателем диспергированных, сыпучих материалов. Их конструкции, как правило, однокамерного типа.
В аппарате типа «газовзвесь», в отличие от теплообменников типа «слой», дис-персоид в виде плотной структуры движется при значительно больших объемных концентрациях (0,5.0,65). При такой плотности частиц в потоке возникают особенности, присущие аппаратам типа «движущийся слой»: высокое гидравлическое сопротивление, незначительная интенсивность процесса радиационного теплообмена, меньшая протяженность теплообменных камер, низкие скорости движения потока, незначительное истирание помещенных в слой поверхностей.
При тепловом расчете теплообменников с дисперсными теплоносителями следует применять уравнения теплового баланса и теплообмена. Уравнения теплового баланса (калорические) связывают расходы и изменения энтальпий теплоносителей, обменивающихся теплотой друг с другом:
dQ = -вЖ = вт с11т ; £ = Ж (¿1 - ¿2)= К - Г');
dQ = -Отс11г = G2^2 ; Q = (*; - г"т) = W2 (г" -1;)
Рис. 2. Рекуперативный нагреватель непродуваемого движущегося слоя сыпучего материала:
1 - бункер с питающим устройст-
вом;
2 - камера нагрева; 3, 4 - ввод и
вывод газа; 5 - трубчатая поверхность нагрева
Уравнение теплообмена устанавливает связь между количеством и интенсивностью передачи теплоты, поверхностью нагрева и температурным напором:
dQ = аАгСГ.
Конструкторские расчеты предполагают знание тепловой производительности теплообменника, расходов и начальных температуры теплоносителей. По уравнениям теплового баланса определяются конечные температуры, а по уравнениям теплообмена - требуемая поверхность нагрева. Расчет требуемой поверхности нагрева сводится к определению коэффициентов теплообмена и среднего температурного напора. Независимо от структуры дисперсного потока существует общая особенность межкомпонентного процесса теплообмена: наряду с внешним термическим сопротивлением 1/ат необходимо учитывать и внутреннее термическое сопротивление частицы 0,5СТ / Ят.
Отношение этих сопротивлений является числом Био: Б1 = атСт / 2ЯТ . При Ы < 0,1 при любых числах Фурье температурный градиент в частице будет пренебрежимо мал, и тогда процесс межкомпонентного теплообмена будет полностью определяться условиями конвективного теплообмена (внешняя задача).
Таким образом, при указанных термодинамических и теплотехнических особенностях использования дисперсного потока для нагрева приточного воздуха, следует использовать теплообменники специальных конструкций. При использовании тепло-утилизаторов для решения подобных задач сечение каналов для прохода загрязненного потока следует предусматривать достаточным для беспрепятственного перемещения по ним загрязняющих частиц. Для снижения вероятного оседания вредностей на поверхности теплообмена крупные загрязняющие частицы следует сепарировать из потока на начальной стадии его движения с помощью простейших пылеуловителей, работающих по принципу пылеосадочных камер.
Указанные меры возможно применять совместно с рециркуляцией. Воздух на рециркуляцию предварительно очищают в фильтровентиляционных установках с высокой степенью очистки.
7/2011 ВЕСТНИК _^/20|Т_МГСУ
Литература:
1. Боттерилл Дж. Теплообмен в псевдоожиженном слое: Гидродинамические характеристики псевдоожиженного газом слоя и их влияние на его теплообменные свойства. Пер. с англ. -М.: Энергия, 1980. - 344 е., ил.
2. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханика псевдоожиженного слоя. Л.: Химия, 1982. - 264 с.
Litereature:
1. Botterill J. Heat transfer in fluidized bed: Hydrodynamic characteristics of the fluidized bed gas layer and their influence on the heat transfer properties. - M.: Energy, 1980. - 344 p., pic.
2. Protodiyakonov I.O., Chesnokov Y.G. Hydromechanics of the fluidized bed. L.: Khimiya, 1982. - 264 p.
Ключевые слова: вентиляция, теплообменник, теплоутилизатор, теплоемкость, поток газовзвеси, дисперсный теплоноситель
Key words: ventilation, heat-exchanger, thermal regenerator, heat capacity, the flow of a gas suspension, disperse heat-transfer agent
e-mail: _ juryosipov@yandex.ru
