CC BY
51
m Энергетика
Ses Power Engineering
Оригинальная статья / Original article УДК 621.565
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-143-150
РАЗРАБОТКА СПОСОБА РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ
© И.А. Сысоев1, Н.Н. Иванов2, Т.И. Зимина3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе представлены исследования по разработке эффективного способа утилизации тепла технологических газов при производстве алюминия. Методы. При лабораторных испытаниях термоэлектрического преобразователя использовались методы математического моделирования и экспериментальных измерений. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Описана необходимость использования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов в системах газоходов алюминиевого производства для утилизации тепловой энергии. В результате проработки конструктивных особенностей теплообменника определено, что для выработки электрической энергии целесообразно использовать устройство термоэлектрического преобразования (ТЭП). Для разработки опытного образца ТЭП определены технические параметры для стабильной работы в требуемом температурном диапазоне. На основе общедоступных технических средств разработан лабораторный стенд и проведены исследовательские испытания. Достигнуты результаты, подтверждающие целесообразность применения ТЭП для рекуперации тепловой энергии. ВЫВОДЫ. Доказана целесообразность применения термоэлектрических преобразователей с целью рекуперации тепла и выработки электроэнергии для технологических нужд. Результаты лабораторных испытаний планируется использовать при эксплуатации теплообменного аппарата в условиях действующего производства. Применение ТЭП является инновационной технологией и позволяет увеличить энергетическую эффективность производства и достичь экономических преимуществ в технологии. Ключевые слова: теплообменник, термоэлектрический преобразователь, технологические газы, температура, охлаждение, энергоэффективность, энергосбережение.
Формат цитирования: Сысоев И.А., Иванов Н.Н., Зимина Т.И. Разработка способа рекуперации тепла технологических газов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 8. С. 143-150. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-143-150
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL GAS HEAT RECOVERY METHOD I.A. Sysoev, N.N. Ivanov, T.I. Zimina
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. This paper presents the study on the development of an efficient method of process gases heat recovery in the production of aluminum. METHODS. The methods of mathematical modeling and experimental measurements have been used in the laboratory tests of a thermoelectric transducer. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The paper describes the necessity of shell-and-tube heat exchangers application in the flue gas systems of aluminum production for thermal energy recovery. The study of heat exchanger design features allowed to determine the feasibility of a thermoelectric transducer (TET) for electrical energy generation. Technical parameters ensuring stable operation in the required temperature range were determined for prototype TET development. On the basis of generally available technical means, a laboratory test bench was developed and tests were carried out. Obtained results prove the feasibility of TET application for heat energy recovery. CONCLUSIONS. The application feasibility of thermoelectric transducers for heat recovery and electrical energy generation for technological needs is proved. It is planned to use the results of laboratory tests in heat exchanger operation under conditions of existing production. TET application is an innovative technology and allows to increase the energy efficiency of production and achieve economic advantages in technology.
Keywords: heat exchanger, thermoelectric transducer (TET), process gases, temperature, cooling, energy efficiency, energy saving
Сысоев Иван Алексеевич, кандидат технических наук, зам. начальника Управления научной деятельностью, ведущий научный сотрудник Инновационно-технологического центра, e-mail: ivansys@istu.edu Ivan A. Sysoev, Candidate of technical sciences, Deputy Chief of the Department Research, Leading Researcher of the Innovation and Technological Center, e-mail: ivansys@istu.edu
2Иванов Никита Николаевич, инженер Научно-исследовательской части, e-mail: crist2003@mail.ru Nikita N. Ivanov, Engineer of the Research Department, e-mail: crist2003@mail.ru
3Зимина Татьяна Игоревна, инженер Научно-исследовательской части, e-mail: ziminati@istu.edu Tatiana I. Zimina, Engineer of the Research Department, e-mail: ziminati@istu.edu
For citation: Sysoev I.A., Ivanov N.N., Zimina T.I. Development of technological gas heat recovery method. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 8, pp. 143-150. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8143-150
Введение
В связи с требованиями российского законодательства в сфере эффективного и рационального использования энергетических ресурсов4 актуальными являются исследования путей увеличения энергоэффективности производства. На многих отечественных промышленных предприятиях технологический процесс связан с выбросом высокотемпературных газов в окружающую среду. Увеличить работоспособность и уменьшить затраты на эксплуатацию газоочистных установок (ГОУ) можно за счет снижения температуры технологических газов, так как при охлаждении отходящих газов происходит уменьшение их физических объемов [1].
Кроме того, необходимость охлаждения обусловлена тем, что в теплое время года температура газов на входе в ГОУ может достигать максимально допустимых значений (свыше 200°С), а изготовленные из полиэстера рукавные фильтры, применяющиеся в последние годы в технологии газоочистки, имеют предельные эксплуатационные значения по температуре отходящих газов 140-145°С.
Применение фильтров из термостойких тканей, выдерживающих температуру свыше 200°С, приведет к трех-, четырехкратному увеличению затрат на эксплуатацию ГОУ [2].
Способы охлаждения технологических газов
В настоящее время предлагаются различные подходы к решению проблемы охлаждения технологических газов: разбавление воздухом в газоходах посредством регулируемых заслонок [3]; распыление воды в газовом потоке перед входом в газоочистные сооружения [4]; использование стержневых охладителей [5]; оснащение газоходной сети теплоотводящими ребрами, размещенными на наружных поверхностях газоходов [6]. Однако самым приемлемым, по мнению специалистов, решением обеспечения эффективности процесса утилизации тепла является применение теплообменных аппаратов [5, 7].
Авторы [5] отмечают, что кожухо-трубчатый дизайн является гораздо более компактным и эффективным с точки зрения теплопередачи и менее дорогостоящим
для конструктивного исполнения. Именно этот тип теплообменного аппарата представлен в настоящей работе.
Преимуществом данной технологии является возможность рекуперации тепловой энергии, что позволяет добиться большей энергоэффективности производства за счет нагрева воды на производственные нужды; использования для отопления либо охлаждения бытовых помещений; получения дистиллированной воды; производства электроэнергии [3, 5, 8, 9]; предварительного нагрева глинозема [10-12] или обожженных анодов [13]. Лабораторные испытания кожухотрубчатого теплообменного аппарата представлены в работе [14].
В результате проработки конструктивных особенностей кожухотрубчатого теплообменного аппарата было определе-
4Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон № 261-ФЗ от 23.11.2009 г., изм. 13.07.2015 г. [Электронный ресурс]. URL: http: //base.garant.ru/12171109/ (29.04. 2017) / On Energy Saving and Improvement of Energy Efficiency and on Amendment of Certain Legislative Acts of the Russian Federation: Federal Law No. 261-ФЗ of 23 November 2009, amended 13 July 2015 [Electronic resource] accessed 29 April 2017
но, что для повышения эффективности утилизации тепловой энергии и выработки электрической энергии целесообразно использовать устройство термоэлектрического преобразования (ТЭП). Термоэлектрические преобразователи энергии характеризуются отсутствием движущихся деталей, высокой надежностью при минимальном периодическом обслуживании, способностью работы независимо от пространственного положения и возможностью использования тепла от любых источников тепловой энергии.
Основой для расчетов распределения температур на поверхности теплообменника служила математическая модель участка входного газохода в виде конусообразной трубы из стали толщиной 3 мм и с общей площадью поверхности трубы 16 м2, по которой движется горячий газ с температурой в диапазоне 100-200°С. Эти условия являются стационарным режимом работы данного участка газохода.
Таким образом, для разработки опытного образца ТЭП, было необходимо определить материал и провести испытания термоэлектрического модуля, который бы мог стабильно работать в этом температурном диапазоне.
Анализ технических характеристик и стоимости термоэлектрических модулей показал, что для решения данной задачи целесообразно использование модулей на основе теллурида висмута В^Те3. На сегодняшний день существует большой выбор
таких модулей, изготавливаемых как серийно («классические»), так и для решения конкретных задач, с применением новых технологий изготовления модулей.
В связи с тем, что новейшие образцы термоэлектрических модулей имеют высокую стоимость, для создания опытного образца ТЭП было принято решение использовать термоэлектрические модули «классического» исполнения. В зависимости от спецификации и области применения такие модули при разности температур 100-200°С позволяют обеспечивать генерацию электрической энергии мощностью до 10 Вт при напряжении постоянного тока до 6 В. Они представляют собой совокупность последовательно соединенных термопар, количество которых может достигать несколько сотен. При выходе из строя хотя бы одного спая или проводника происходит потеря работоспособности всей системы, поэтому необходимо четко проектировать системы с их применением и избегать термических перегрузок при их работе. Выпускаемые термоэлектрические модули изготавливаются на ситалловых (керамических) подложках размером 60х48 или 40х40 мм2. Проводники п и р-типов изготавливаются в виде «столбиков», соединяющих пластины. Стандартное расстояние между пластинами 2-5 мм. На рис. 1 изображен термоэлектрический модуль, который был использован при создании опытного образца ТЭП.
Рис. 1. Термоэлектрический модуль «классического» исполнения Fig. 1. Classical thermoelectrical module
Описание опытного образца ТЭП
Опытный термоэлектрический преобразователь представляет собой полупроводниковый генератор, вырабатывающий электрический ток за счет разницы температур на противоположных поверхностях устройства. Внутри устройства располагается ряд из 12 термоэлектрических модулей. Работа модулей основана на эффекте Зеебека, суть которого заключается в появлении электродвижущей силы за счет возникновения разности потенциалов в цепи из разнородных полупроводниковых материалов при создании градиента температур.
Одна сторона ТЭП (теплосъемник) выполнена в виде плоской теплопроводя-щей поверхности, которая закрепляется на горячей плоскости системы с теплоносителем (газовым, жидкостным). Вторая сторона ТЭП (радиатор) представляет собой модуль охлаждения, в который под давлением подается охлаждающая жидкость.
На рис. 2 приведен принцип работы ТЭП.
На рис. 3 изображен общий вид опытного ТЭП для участка входного газохода в систему установки охлаждения газов.
Рис. 2. Принцип работы ТЭП: 1 - источник тепла; 2 - ТЭП; 3 - теплосъемная панель; 4 - термоэлектрические модули; 5 - радиатор охлаждения; 6 - источник водоснабжения Fig. 2. Operation principle of thermoelectric transducer (TET): 1 - source of heat; 2 - TET; 3 - removable thermal panel; 4 - thermoelectric modules; 5 - cooling radiator; 6 - source of water supply
Рис. 3. Общий вид опытного термоэлектрического преобразователя Fig. 3. General view of the experimental thermoelectric transducer
В состав опытного ТЭП входят термоэлектрические модули, которые устанавливаются на теплосъемную пластину (теплосъемник) посредством фиксирования на кремний-органическую пасту и прижима радиатора охлаждения монтажным уголком с болтами, имеющими возможность кон-
троля момента затяжки. Электрическое соединение термоэлектрических модулей между собой осуществляется параллельно, последовательно или параллельно-последовательно в блоке коммутации, в зависимости от требуемых выходных параметров.
Исследования процессов термоэлектрического преобразования
Для проведения исследований оптимальных режимов работы ТЭП была создана модель участка газохода с диапазоном температуры на поверхности от 100°С до 220°С и источником охлаждения с температурой от 30°С до 80°С. Для этого использовались следующие комплектующие:
- технический фен Bosch GHG 660 с возможностью формирования скорости потока с температурой от 50°С до 660°С;
- измеритель скорости потока воздуха (анемометр) Testo 410-2;
- восьмиканальный измеритель температуры ОВЕН;
- высокоточный стационарный цифровой мультиметр UTM 1804;
- цифровой термометр;
- комплектующие для радиатора охлаждения ТЭП;
- прочие вспомогательные устройства: узлы крепления системы, электропроводка, система водопитающих и водоотво-дящих шлангов.
Проведение исследований процессов термоэлектрического преобразования производилось в следующей последовательности:
- запуск источника холодного теплоносителя (системы водоснабжения);
- запуск источника горячего теплоносителя (технический фен);
- стабилизация аэродинамики потока и режима теплообмена;
- фиксирование результатов испытаний.
На рис. 4 изображена схема экспериментальной модели участка газохода, на которой отрабатывались оптимальные режимы функционирования ТЭП.
В ходе исследований были измерены основные выходные величины (напряжение и сила тока) термоэлектрического преобразователя для различных температурных режимов работы. Результаты измерений помещены в таблицу. Испытания показали стабильную работу преобразователя при установившемся режиме теплообмена.
Рис. 4. Схема экспериментальной модели участка газохода Fig. 4. Schematic diagram of the experimental model of the flue gas duct section
Основные выходные величины (напряжение, сила тока, мощность) одного термоэлектрического модуля при различных градиентах температур поверхностей
Main output values (voltage, current, power) of a thermoelectric module _for various surface temperature gradients_
Температура поверхности газоотводной трубы, °С / Surface temperature of the gas outlet pipe, °C Температура радиатора охлаждения, °С / Temperature of the cooling radiator, °С Напряжение, В / Voltage,V Сила тока, А / Current, A Мощность W, Вт / Power, W
150 30 2,4 0,8 1,92
50 2,2 0,7 1,54
80 1,5 0,5 0,75
200 30 3,4 1,2 4,08
50 3,1 1,05 3,25
80 2,4 0,75 1,8
Из таблицы следует, что наилучшие измеренные выходные показатели были получены при градиенте температур 170°С (200°С горячая сторона и 30°С холодная) между поверхностями термоэлектрического модуля, при этом вырабатываемая мощность для 1 модуля составила 4 Вт.
Худшие показатели наблюдались при градиенте температур 70°С (150°С горячая сторона и 80°С холодная) между поверхностями термоэлектрического модуля, при этом вырабатываемая мощность для 1 модуля составила 0,75 Вт.
Исходя из значения мощности 2 Вт от 1 модуля и с учетом использования 12 модулей в составе ТЭП была выявлена средняя мощность одного ТЭП, которая составила 24 Вт.
Рассмотрим задачу, при которой участок газохода, на котором планируется размещать ТЭП, выполнен в виде трубы с
общей площадью поверхности 16 м2. По этой трубе движется газ, температура которого около 200°С. Это стационарный режим работы данного участка газохода.
Определим минимальную мощность одного ТЭП (Ртэп) с учетом его размеров (8тэп = 0,028 м2), имеющейся площади поверхности участка входного газохода ЭТА (8 вх =16 м2) и требуемой мощности (Робщ = 8 кВт):
В этом случае количество ТЭП (птэп), которое возможно установить на всю площадь участка входного газохода ЭТА, составит:
птэп = 16/0,028 = 571. При этом минимальная мощность одного ТЭП составит:
Ртэп = 8000 / 571 = 14 Вт. Таким образом, результаты подтверждают целесообразность применения ТЭП для рекуперации тепловой энергии.
Заключение
Исследования показали, что в системах газоходов, где существует достаточное количество тепловой энергии, которую необходимо утилизировать, представляется возможным использовать кожухо-трубчатые теплообменные аппараты, оснащенные ТЭП, с целью рекуперации тепла и выработки электроэнергии для технологических нужд. Применение термоэлектрических преобразователей является
инновационной технологией и позволит увеличить энергетическую эффективность производства и достичь экономических преимуществ в технологии. В дальнейшем планируется проведение опытных испытаний в условиях действующего электролизного производства.
Исследования проведены при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-4752.2016.8.
