Витрати теплоти на підігрів санітарної норми припливного зовнішнього повітря сучасних методахтеплозахисту огороджувальних конструкцій складають у житлових будинкахдо 80% теплового навантаження на опалювальні прилади, а у громадсько-адміністративних будівлях – понад 90%. Тому енергозберігаючі системи опалення в сучасних конструкціях будівель можуть бути створені лише за умови
утилізації теплоти витяжного повітря на нагрівання санітарної норми зовнішнього припливного повітря.
Також успішний досвід застосування в адміністративній будівлі у Москві установки утилізації з насосною циркуляцією проміжного теплоносія – антифризу.
При розташуванні припливних і витяжних агрегатів на відстані більше 30 м одна від одної система утилізації з насосною циркуляцією антифризу є найбільш раціональною та економічною. У разі розташування їх поруч можливе ще ефективніше рішення. Так, у кліматичних районах з м'якими зимами, коли температура зовнішнього повітря не опускається нижче -7 °С, широко застосовуються пластинчасті теплоутилізатори.
На рис. 1 показана конструктивна схема пластинчастого рекуперативного (тепловіддача здійснюється через розділову стінку) теплоутилізаційного теплообмінника. Тут показано (рис. 1, а) «повітряно-повітряний» теплоутилізатор, зібраний з пластинчастих каналів, які можуть виготовлятися з тонкої листової оцинкованої сталі, алюмінію та ін.
Малюнок 1.а - пластинчасті канали, в яких зверху над розділовими стінками каналів надходить витяжне повітря L y, а горизонтально-припливне зовнішнє повітря L п.н; б - трубчасті канали, в яких зверху в трубках проходить витяжне повітря L y, а горизонтально в міжтрубному просторі проходить зовнішнє припливне повітря L п.н
Пластинчасті канали полягають у кожух, що має фланці для приєднання до припливних та витяжних повітроводів.
На рис. 1 б показаний «повітряно-повітряний» теплообмінник з трубчастих елементів, які можуть бути також виготовлені з алюмінію, оцинкованої сталі, пластмаси, скла та ін. Труби закріплюються у верхні і нижні трубні решітки, що формує канали для проходу витяжного повітря. Бічні стінки та трубні решітки утворюють каркас теплообмінника, з відкритими фасадними перерізами, які приєднуються до повітропроводу надходження зовнішнього припливного повітря L п.н.
Завдяки розвиненій поверхні каналів і пристрою в них насадок, що турбулізують повітря, в таких «повітряно-повітряних» теплообмінниках досягається висока теплотехнічна ефективність θ t п.н (до 0,75), і це є головною гідністю таких апаратів.
Недоліком цих рекуператорів є необхідність передогрівання зовнішнього припливного повітря в електрокалориферах до температури не нижче -7 ° С (щоб уникнути замерзання конденсату на стороні вологого витяжного повітря).
На рис. 2 показана конструктивна схема припливно-витяжного агрегату з пластинчастим утилізатором теплоти витяжного повітря L на нагрівання припливного зовнішнього повітря L п.н. Припливний та витяжний агрегати виконуються в єдиному корпусі. Першими на вході припливного зовнішнього L п.н і витяжного L, що видаляється, у повітря встановлені фільтри 1 і 4. Обидва очищених потоку повітря від роботи припливного 5 і витяжного 6 вентиляторів проходять через пластинчастий теплоутилізатор 2, де енергія отепленого витяжного повітря L у передається холодному припливному L п.н.
Малюнок 2. Конструктивна схема припливного та витяжного агрегатів з пластинчастим утилізатором, що має обвідний повітряний канал по зовнішньому припливному повітрі:1 - повітряний фільтр у припливному агрегаті; 2 - пластинчастий утилізаційний теплообмінник; 3 - фланець приєднання повітряного тракту надходження витяжного повітря; 4 - кишеньковий фільтр для очищення витяжного повітря L у; 5 – припливний вентилятор з електродвигуном на одній рамі; 6 – витяжний вентилятор з електродвигуном на одній рамі; 7 - піддон збору з каналів проходження витяжного повітря з конденсованої вологи; 8 - трубопровід відведення конденсату; 9 - обвідний повітряний канал для проходу повітря припливного L п.н; 10 - автоматичний привод повітряних клапанів в обвідному каналі; 11 - калорифер догрівання зовнішнього припливного повітря, що живиться гарячою водою
Як правило, витяжне повітря має підвищений вміст вологи і температуру точки роси не нижче +4 °С. При надходженні в канали теплоутилізатора 2 холодного зовнішнього повітря з температурою нижче +4 °С на розділових стінках встановиться температура, при якій на поверхні каналів з боку руху витяжного повітря, що видаляється, буде відбуватися конденсація водяної пари.
Утворений конденсат під впливом потоку повітря L у буде інтенсивно стікати в піддон 7, звідки по приєднаному до патрубка 8 трубопроводу відводиться в каналізацію (або бак-накопичувач).
Для пластинчастого утилізатора характерне наступне рівняння теплового балансу переданої теплоти до зовнішнього повітря припливу:
де Q ту – утилізована припливним повітрям теплоенергія; L у, L п.н - витрати отепленого витяжного та зовнішнього припливного повітря, м 3 /год; ρ у, ρ п.н - питомі густини отепленого витяжного та зовнішнього припливного повітря, кг/м 3 ; I y 1 і I y 2 - початкова та кінцева ентальпія отепленого витяжного повітря, кДж/кг; t н1 і t н2 з р - початкові і кінцеві температури, °С, і теплоємність, кДж/(кг · °С), зовнішнього припливного повітря.
При низьких початкових температурах зовнішнього повітря t н.х t н1 на роздільних стінках каналів конденсат, що випадає з витяжного повітря, не встигає стікати в піддон 7, а замерзає на стінках, що призводить до звуження прохідного перерізу і збільшує аеродинамічний опір проходу витяжного повітря. Це збільшення аеродинамічного опору сприймається датчиком, який передає команду на привід 10 відкриття повітряних клапанів в обвідному каналі (байпасі) 9.
Випробування пластинчастих утилізаторів у кліматі Росії показали, що при зниженні температури зовнішнього повітря до t н.х t н1 ≈ -15 °С, повітряні клапанив байпасі 9 повністю відкриті і весь зовнішній припливний повітря L п.н проходить, минаючи пластинчасті канали теплоутилізатора 2.
Нагрівання зовнішнього припливного повітря L п.н від t н.х до t п.н здійснюється в калорифері 11, що живиться гарячою водою з центрального джерела теплопостачання. У цьому режимі Q ту, що обчислюється за рівнянням (9.10), дорівнює нулю, так як через приєднаний теплоутилізатор 2 проходить тільки витяжне повітря і I y 1 I 2 , тобто. утилізація теплоти відсутня.
Другим методом запобігання замерзанню конденсату в каналах теплообмінника 2 є електричний підігрів зовнішнього припливного повітря від t н.х до t н1 = -7 °С. У розрахункових умовах холодного періоду року у кліматі Москви холодне припливне зовнішнє повітря в електрокалорифері потрібно нагрівати на ∆t т. ел = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрів припливного зовнішнього повітря при θ t п.н = 0,7 і t у1 = 24 ° С складе t п. н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 ° С або ∆t т.у = 147 + 7 = 217 °С.
Розрахунок показує, що в цьому режимі нагрівання в теплоутилізаторі та калорифері практично однаковий. Використання байпасу або електричного підігріву значно знижує теплотехнічну ефективність пластинчастих теплообмінників у системах. припливно-витяжної вентиляціїу кліматі Росії.
Для усунення цього недоліку вітчизняними фахівцями розроблено оригінальний метод швидкого періодичного розморожування пластинчастих теплоутилізаторів шляхом підігріву витяжного повітря, що видаляється, що забезпечує надійну та енергоефективну цілорічний роботу агрегатів.
На рис. 3 показана принципова схема установки утилізації теплоти витяжного повітря X на нагрівання зовнішнього припливного повітря L п.н з швидким усуненнямобмерзання каналів 2 для поліпшення проходу повітря, що видаляється через пластинчастий теплоутилізатор 1.
Повітропроводами 3 теплоутилізатор 1 з'єднаний з трактом проходження зовнішнього припливного повітря L п.н, а повітроводами 4 з трактом проходження видаленого витяжного повітря L у.
Малюнок 3. Принципова схемазастосування пластинчастого теплоутилізатора в кліматі Росії: 1 - пластинчастий теплоутилізатор; 2 - пластинчасті канали для проходу холодного припливного зовнішнього повітря L п.н і теплого витяжного повітря, що видаляється L у; 3 - приєднувальні повітроводи проходу зовнішнього припливного повітря L п.н; 4 - приєднувальні повітроводи проходу витяжного повітря, що видаляється L у; 5 - калорифер в потоці повітря, що видаляється L на вході в канали 2 пластинчастого теплообмінника 1,6- автоматичний клапан на трубопроводі подачі гарячої води G w г; 7 – електричний зв'язок; 8 - датчик контролю опору повітряного потоку каналах 2 для проходу витяжного повітря L у; 9 - відведення конденсату
При низьких температурах зовнішнього припливного повітря (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стінки пластинчастих каналів 2 теплота від витяжного повітря передається повністю теплоті, що відповідає рівнянню теплового балансу [див. формулу (1)]. Зниження температури витяжного повітря відбувається із рясною конденсацією вологи на стінках пластинчастих каналів. Частина конденсату встигає стекти з каналів 2 і трубопроводом 9 видаляється в каналізацію (або бак-накопичувач). Однак більша частина конденсату замерзає на стінках каналів 2. Це викликає зростання перепаду тиску ∆Р у потоці повітря, що видаляється, замірюваного датчиком 8.
При зростанні ∆Р у до налаштованої величини від датчика 8 через провідний зв'язок 7 піде команда на відкриття автоматичного клапана 6 на трубопроводі подачі гарячої води G w г в трубки калорифера 5, встановленого в повітроводі 4 надходження витяжного повітря, що видаляється в пластинчастий утилізатор 1. При відкритому автоматичному клапані 6 трубки калорифера 5 надійде гаряча вода G w г, що викличе підвищення температури повітря, що видаляється t y 1 до 45-60 °С.
При проходженні по каналах 2 повітря, що видаляється з високою температурою відбудеться швидке відтавання зі стінок каналів льодів і утворюється конденсат по трубопроводу 9 стече в каналізацію (або в бак-накопичувач конденсату).
Після відтаювання льодів перепад тисків в каналах 2 знизиться і датчик 8 через зв'язок 7 подасть команду на закриття клапана 6 і подача гарячої води калорифер 5 припиниться.
Розглянемо процес утилізації теплоти на Id діаграмі, представлений на рис. 4.
Малюнок 4.Побудова на I-d-діаграмі режиму роботи у кліматі Москви установки утилізації з пластинчастим теплообмінником та розморожуванням його за новим методом (за схемою на рис. 3). У 1 -У 2 - розрахунковий режим вилучення теплоти з витяжного повітря, що видаляється; Н 1 - Н 2 - нагрівання теплоти, що утилізується, припливного зовнішнього повітря в розрахунковому режимі; У 1 - У під 1 - нагрівання витяжного повітря в режимі розморожування від льоду пластинчастих каналів проходження повітря, що видаляється; У 1. раз - початкові параметри повітря, що видаляється після віддачі теплоти на відтавання льодів на стінках пластинчастих каналів; H 1 -Н 2 - нагрівання зовнішнього припливного повітря в режимі розморожування пластинчастого утилізаційного теплообмінника
Проведемо оцінку впливу методу розморожування пластинчастих теплоутилізаторів (за схемою на рис. 3) на теплотехнічну ефективність режимів утилізації витяжного теплоти повітря на наступному прикладі.
ПРИКЛАД 1.Вихідні умови: У великому московському (t н.х = -26 °С) виробничо-адміністративному будинку в системі припливно-витяжної вентиляції змонтовано теплоутилізаційну установку (ТУУ) на базі рекуперативного пластинчастого теплообмінника (з показником θ t п.н = 0,7 ). Об'єм і параметри витяжного повітря, що видаляється, в процесі охолодження становлять: L у = 9000 м 3 /год, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6, 2 г/кг (див. побудову на I-d-діаграмі на рис. 4). Витрата зовнішнього припливного повітря L п.н = 10 000 м 3 /год. Розморожування теплоутилізатора проводиться методом періодичного підвищення температури повітря, що видаляється, як це показано на схемі рис. 3.
Потрібно: Встановити теплотехнічну ефективність режимів утилізації теплоти з використанням нового методу періодичного відтаювання пластин апарату.
Рішення: 1. Обчислюємо температуру нагрітого теплоти, що утилізується, припливного зовнішнього повітря в розрахункових умовах холодного періоду року при t н.х = t н1 = -26 °С:
2. Обчислюємо кількість теплоти, що утилізується, за першу годину роботи установки утилізації, коли обмерзання пластинчастих каналів не вплинуло на теплотехнічну ефективність, але підвищило аеродинамічний опір у каналах проходження повітря, що видаляється:
3. Через годину роботи ТУУ у розрахункових зимових умовах на стінках каналів накопичився шар інею, який спричинив підвищення аеродинамічного опору ∆Р у. Визначимо можливу кількість льоду на стінках каналів проходу витяжного повітря через пластинчастий утилізатор, утвореного протягом години. З рівняння теплового балансу (1) обчислимо ентальпію охолодженого та осушеного витяжного повітря:
Для прикладу, що розглядається, за формулою (2) отримаємо:
На рис. 4 представлено побудову на I-d-діаграмі режимів нагрівання зовнішнього припливного повітря (процес H 1 - H 2) утилізованою теплотою витяжного повітря (процес У 1 -У 2). Побудовою на I-d-діаграмі отримано решту параметрів охолодженого та осушеного витяжного повітря (див. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.
4. Кількість конденсату, що випав з витяжного повітря, обчислюється за формулою:
За формулою (4) обчислюємо кількість холоду, витраченого на зниження температури льоду: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · год. На утворення льоду витрачається така кількість холоду:
Загальна кількість енергії, що йде на утворення льоду на розділовій поверхні пластинчастих теплоутилізаторів, складе:
6. З побудови на I-d-діаграмі (рис. 4) видно, що при протиточному русі пластинчастих каналів припливного L п.н і витяжного L повітряних потоків на вході в пластинчастий теплообмінник найбільш холодного зовнішнього повітря по інший бік роздільних стінок пластинчастих каналів проходить охолоджене до негативних температур витяжне повітря. Саме в цій частині пластинчастого теплообмінника і спостерігаються інтенсивні утворення льоду та інею, які перекриватимуть канали для проходу витяжного повітря. Це спричинить підвищення аеродинамічного опору.
Датчик контролю при цьому подасть команду на відкриття автоматичного клапана надходження гарячої води в трубки теплообмінника, змонтованого у витяжному повітроводі до пластинчастого теплообмінника, що забезпечить нагрівання витяжного повітря до температури t у.под.1 = +50 °С.
Надходження гарячого повітря пластинчасті канали забезпечило за 10 хв відтайку замерзлого конденсату, який у рідкому вигляді видаляється в каналізацію (в бак-накопичувач). За 10 хв нагріву витяжного повітря витрачено таку кількість теплоти:
або за формулою (5) отримаємо:
7. Підведена в калорифері 5 (рис. 3) теплота частково витрачається на розтавання льодів, що за розрахунками в п. 5 вимагатиме Q т.рас = 4,53 кВт · год теплоти. На передачу теплоти до зовнішнього припливного повітря з витраченої теплоти в калорифері 5 на нагрівання витяжного повітря залишиться теплоти:
8. Температура підігрітого витяжного повітря після витрати частини теплоти на розморожування обчислюється за такою формулою:
Для прикладу, що розглядається, за формулою (6) отримаємо:
9. Підігріте в калорифері 5 (див. рис. 3) витяжне повітря сприятиме не тільки розморожуванню льодів конденсату, а й збільшенню передачі теплоти до повітря припливу через розділові стінки пластинчастих каналів. Обчислимо температуру нагрітого зовнішнього припливного повітря:
10. Кількість теплоти, переданої на нагрівання зовнішнього припливного повітря протягом 10 хв розморожування, обчислюється за формулою:
Для режиму, що розглядається, за формулою (8) отримаємо:
Розрахунок показує, що в режимі розморожування, що розглядається, немає втрат теплоти, так як частина теплоти підігріву з повітря, що видаляється Q т.у =12,57 кВт · год переходить на додатковий догрівання припливного зовнішнього повітря L п.н до температури t н2.раз = 20 ,8 °С замість t н2 = +9 °С при використанні тільки теплоти витяжного повітря з температурою t у1 = +24 °С (див. п. 1).
СПОСОБИ ТА ОБЛАДНАННЯ
ДЛЯ УТИЛІЗАЦІЇ СКИДНОЇ ТЕПЛОТИ
Потенційні можливості утилізації скидної теплоти
Приблизно половина всієї теплової та електричної енергії, що витрачається в промисловості, викидається у вигляді тепла, що відходить, у повітряний і водний басейни. Відхідне тепло викидається з процесу при температурі, що перевищує температуру навколишнього середовища, тому воно має додатковий тепловий потенціал. За цінністю енергія, що відходить, може класифікуватися за трьома температурними діапазонами: високотемпературний - вище 650 °С; середньотемпературний-230-650 ° С; низькотемпературний – менше 230 °С. Високотемпературне та середньо-температурне відхідне тепло використовується для виробництва технологічної пари, вироблення електроенергії, сушіння, підігріву повітря. Низькотемпературне тепло може бути використане для опалення будівель, підігріву води та повітря.
Є чотири основні причини необхідності утилізації теплової енергії:
1. Економічна. Витрати на енергію стають дедалі вищими, і утилізація тепла, що відходить, може значно скоротити загальні витрати виробництва.
2. Забезпеченість тепловою енергією. Легко доступне тепло дозволяє істотно знизити потреби підприємства в тепловій енергії.
3. Збереження природних ресурсів країни. Шляхом утилізації тепла зменшується потреба підприємств у дефіцитних видах палива, тим самим продовжується термін їхньої забезпеченості.
4. Екологічна. Утилізація скидної теплоти знижує її вплив на екологію.
Методи утилізації відхідного тепла:
1. Безпосередня утилізація, наприклад, для сушіння або підігріву матеріалів за відсутності будь-яких внутрішніх теплообмінників.
2. Рекуперація, при якій гази, що відходять, і повітря, що піддається нагріванню, поділяються металевою або вогнетривкою теплообмінними поверхнями. Передача енергії від одного потоку до іншого відбувається безперервно.
3. Регенерація, в ході якої тепло газів, що відходять, передається теплообмінному пристрої, акумулюється в ньому у вогнетривких або металевих матеріалахі згодом служить нагріву повітря.
4. Утилізація за допомогою котла-утилізатора, яка є однією з форм рекуперації з виробленням за рахунок тепла гарячих відхідних газів технологічної пари або гарячої води.
5. Спільне генерування, при здійсненні якого спільно виробляються електрична енергія та технологічна пара.
6. Ступінчасте використання енергії, при якому спочатку застосовують енергію з найвищими характеристиками, а потім все з нижчими параметрами для інших пов'язаних з цим процесів аж до того моменту, коли ця енергія не матиме дуже низьких параметрів.
Потенційно можливі варіантизастосування відпрацьованого тепла:
1) гази, що відходять, в діапазоні від середніх до високих температур можуть використовуватися для підігріву повітря котлів з повітронагрівачами, печей з рекуператорами, сушарок з рекуператорами, газових турбін з регенераторами;
2) гази, що відходять, в діапазоні від низьких до середніх температур можуть використовуватися для підігріву живильної котел води за наявності економайзерів;
3) гази, що відходять, і охолодна вода з конденсаторів можуть використовуватися для підігріву твердої та рідкої сировини в промислових процесах;
4) гази, що відходять, можуть використовуватися для вироблення пари в котлах-утилізаторах;
5) тепло, що відходить, може передаватися проміжному середовищу за допомогою теплообмінників або котлів-утилізаторів, або шляхом циркуляції гарячих газів, що відходять через труби або канали;
6) тепло, що відходить, може бути застосоване в абсорбційно-холодильному агрегаті, для кондиціонування повітря, і в теплових насосах.
При виборі пристроїв для утилізації тепла, що відходить, повинні враховуватися:
а) температура тепла, що відходить; б) інтенсивність потоку тепла, що відходить; в) хімічний складі наявність забруднюючих агентів у потоці тепла, що відходить; г) необхідні температури середовищ, що нагріваються.
Утилізація тепла відпрацьованих газів
Димові гази, що залишають робочий простір печей, мають дуже високу температуру і тому забирають із собою значну кількість тепла. У мартенівських печах, наприклад, з робочого простору з димовими газами виноситься близько 80% всього тепла, поданого в робочий простір, в нагрівальних печах близько 60%. З робочого простору печей димові гази несуть із собою тим більше тепла, що вища їх температура і що нижчий коефіцієнт використання тепла печі. У зв'язку з цим доцільно забезпечувати утилізацію тепла димових газів, що відходять, яка може бути виконана принципово двома методами: з поверненням частини тепла, відібраного у димових газів, назад у піч і без повернення цього тепла в піч. Для здійснення першого методу необхідно тепло, відібране у диму, передати тим, хто йде в піч газу і повітря (або тільки повітря). Для досягнення цієї мети широко використовують теплообмінники рекуперативного та регенеративного типів, застосування яких дозволяє підвищити к. п. д. пічного агрегату, збільшити температуру горіння та заощадити паливо. При другому методі утилізації тепло димових газів, що відходять, використовується в теплосилових котельних і турбінних установках, чим досягається істотна економія палива.
В окремих випадках обидва описані методи утилізації тепла відпрацьованих газів використовуються одночасно. Це робиться тоді, коли температура димових газів після теплообмінників регенеративного або рекуперативного типу залишається досить високою і доцільною є подальша утилізація тепла в теплосилових установках. Так, наприклад, у мартенівських печах температура димових газів після регенераторів становить 750-800 °С, тому їх повторно використовують у котлах-утилізаторах.
Розглянемо докладніше питання утилізації тепла димових газів, що відходять, з поверненням частини їх тепла в піч.
Слід, перш за все, відзначити, що одиниця тепла, відібрана у диму і вноситься в піч повітрям або газом (одиниця фізичного тепла), виявляється значно ціннішою за одиницю тепла, отриману в печі в результаті згоряння палива (одиниці хімічного тепла), так як тепло підігрітого повітря (газу) не спричиняє втрат тепла з димовими газами. Цінність одиниці фізичного тепла тим більша, чим нижчий коефіцієнт використання палива і чим вище температура відпрацьованих газів.
Для нормальної роботи печі слід щогодини в робочий простір подавати необхідну кількість тепла. У цю кількість тепла входить як тепло палива , а й тепло підігрітого повітря чи газу , т. е. .
Зрозуміло, що за = const збільшення дозволить зменшити . Іншими словами, утилізація тепла димових газів, що відходять, дозволяє досягти економії палива, яка залежить від ступеня утилізації тепла димових газів.
де - відповідно ентальпія підігрітого повітря і димових газів, що відходять з робочого простору, кВт, або кДж/період.
Ступінь утилізації тепла може бути названа к.п.д. рекуператора (регенератора), %
Знаючи величину ступеня утилізації тепла, можна визначити економію палива за таким виразом:
де I"д, Iд - відповідно ентальпія димових газів при температурі горіння і піч, що залишають.
Зниження витрати палива в результаті використання тепла відпрацьованих газів зазвичай дає значний економічний ефект і є одним зі шляхів зниження витрат на нагрівання металу в промислових печах.
Крім економії палива застосування підігріву повітря (газу) супроводжується збільшенням калориметричної температури горіння , що може бути основною метою рекуперації при опаленні печей паливом з низькою теплотою згоряння.
Підвищення призводить до збільшення температури горіння. Якщо необхідно забезпечити певну величину, то підвищення температури підігріву повітря (газу), призводить до зменшення величини, тобто до зниження частки паливної суміші газу з високою теплотою згоряння.
Оскільки утилізація тепла дозволяє значно економити паливо доцільно прагнути максимально можливого, економічно виправданого ступеня утилізації. Проте необхідно відразу помітити, що утилізація може бути повної, т. е. завжди . Це пояснюється тим, що збільшення поверхні нагріву раціонально лише до певних меж, після яких воно призводить до дуже незначного виграшу в економії тепла.
Утилізація теплоти вже багато років широко застосовується в теплоенергетикуе - підігрівачі поживної води, економайзери, повітро-підігрівачі, газотурбінні регенератори і т. д., але в холодильній техніці їй приділяється недостатня увага. Це можна пояснити тим, що зазвичай скидається теплота низького потенціалу (при температурі нижче 100 ° С), тому для її використання необхідно вводити в холодильну систему додаткові теплообмінники і прилади автоматики, що ускладнює її. При цьому холодильна система стає більш чутливою до зміни зовнішніх параметрів.
У зв'язку з енергетичною проблемою, в даний час проектувальники, в тому числі і холодильного обладнання, змушені уважніше аналізувати традиційні системи в пошуках нових схем з регенерацією теплоти конденсації.
Якщо холодильна установка має повітряний конденсатор, можна використовувати нагріте повітря безпосередньо після конденсатора для обігріву приміщень. Можна корисно використовувати і теплоту перегрітих парів холодоагенту після компресс-сора, мають більш високий температурний потенціал.
Вперше схеми утилізації теплоти були розроблені європейськими фірмами, оскільки в Європі склалися вищі ціни на електроенергію в порівнянні з цінами в США.
Комплектне холодильне обладнання фірми ”Костан” (Італія), розроблене в Останніми роками, із системою утилізації теплоти повітряних конденсаторів застосовується для опалення торгового залу магазинів типу ”Універсам”. Такі системи дозволяють скоротити загальне енергоспоживання у магазині на 20—30%.
основна ціль- Використання максимально можливої кількості теплоти, що виділяється холодильною машиною в навколишнє середовище. Теплота передається або безпосередньо потоком теплого повітря після конденсатора в торговий зал магазину під час опалювального сезону, або в додатковий теплообмінник-акумулятор (теплота перегрітих парів холодоагенту) для отримання теплої води, яка використовується для технологічних потребпротягом усього року.
Досвід експлуатації систем за першим способом показав, що вони прості в обслуговуванні, але порівняно громіздкі, використання їх пов'язане з необхідністю установки додаткових вентиляторів для переміщення великої кількості повітря і повітряних фільтрів, що в кінцевому підсумку призводить до зростання наведених витрат. З огляду на це перевагу віддають більш складним схемам, незважаючи на те, що їх реалізація ускладнює експлуатацію.
Найбільш простою схемою з теплообмінником-акумулятором є схема з послідовним з'єднанням конденсатора і акумулятора.
Ця схема працює в такий спосіб. При температурах води на вході в теплообмінник-акумулятор і температура навколишнього повітря, рівних 10°С, температура конденсації tK становить 20 С. Протягом короткого часу (наприклад, протягом ночі) вода в акумуляторі нагрівається до 50° З a t підвищується до 30°С. Пояснюється це тим, що загальна продуктивність конденсатора та акумулятора знижується, оскільки при нагріванні води зменшується початковий температурний тиск у акумуляторі.
Підвищення на 10°С цілком допустимо, проте при несприятливих поєднаннях високої температури та малого споживання води може спостерігатися і більш значне підвищення температури конденсації. Ця схема має такі недоліки при експлуатації: - коливання тиску конденсації; періодичне значне зниження тиску в ресивері, що призводить до порушення живлення випарника рідиною; можливе зворотне перетікання рідини повітряний конденсатор під час зупинки компресора, коли t значно нижче температури в ресивері.
Установка регулятора тиску конденсації дозволяє запобігати зворотному перетіканню конденсату з ресивера в повітряний конденсатор, а також підтримувати необхідний тиск конденсації, наприклад, що відповідає 25 °С.
При підвищенні tw до 50 ° С і tок до 25 ° С регулятор тиску повністю відкривається, при цьому падіння тиску в ньому не перевищує 0,001 МПа.< 15°С), что жидкость перед подачей к регулирующему вентилю не будет переох-лажденной. В этом случае необходимо ввести в схему регенеративный теплообменник.
Якщо і t знижуються до 10 ° С, то регулятор тиску закривається і внутрішня порожнина повітряного конденсатора, а також частина змійовика теплообмінника-акумулятора заповнюються рідиною. При підвищенні t до 25 ° С регулятор тиску знову відкривається і рідина з повітряного конденсатора виходить переохолодженою. Тиск над поверхнею рідини в ресивері дорівнюватиме тиску конденсації мінус падіння тиску в регуляторі, причому тиск в ресивері може стати настільки низьким (наприклад, відповідати tK
При зниженні до 0°С, a t до 10°С рідина перед регулятором тиску матиме температуру приблизно 10°С. Падіння тиску в регуляторі тиску стане значним, відкриється диференціальний клапан 6 і гаряча паранадходитиме до ресивера.
Однак і це повністю не виключає проблеми відсутності переохолодження рідини в ресивері. Необхідні обов'язкова установка регенеративного теплообмінника або використання ресивера спеціальної конструкції. У цьому випадку холодна рідина з конденсатора прямує безпосередньо в рідинний трубопровід. Такого ж ефекту можна досягти установкою вертикального ресі-вера, в якому холодніша рідина опускається на дно, а гаряча пара надходить у верхню частину.
Розташування регулятора тиску в схемі між теплообмінником-акумулятором і повітряним конденсатором. переважно з таких причин: взимку може знадобитися багато часу на досягнення необхідного тиску конденсації; в компресс-сорно-конденсаторном агрегаті рідко буває достатньої довжина трубопроводу між конденсатором і ресивером; в існуючих установках необхідно відключати зливальний трубопровід, щоб вбудувати теплообмінник-акумулятор. За цією схемою встановлюється зворотний клапан.
Розроблено схеми з паралельним з'єднанням повітряних конденсаторів для підтримки в одному приміщенні температури 20°С, а в іншому, де часто відчиняються взимку двері, - 10°С. Такі схеми також потребують встановлення регуляторів тиску та диференціальних клапанів.
Паралельно включені конденсатори з утилізацією теплоти в літню пору зазвичай не працюють, і тиск в них дещо нижчий, ніж в основному конденсаторі. Внаслідок нещільного закриття соленоїдних і зворотних клапанівможливі рециркуляція рідини і заповнення конденсатора-утилізатора. Щоб уникнути цього в схемі передбачають байпасний трубопровід, через який періодично включається конденсатор з утилізацією теплоти по сигналу реле часу.
Коливання теплового навантаження основного конденсатора і конденсаторів з утилізацією теплоти пов'язані з необхідністю використання в таких схемах ресивера більшої місткості, ніж у холодильних машинах без утилізації теплоти, або установки додаткового ресивера паралельно першому, що змушує збільшувати кількість холодоагенту для заправки.
Аналіз різних схемутилізації теплотиз використанням стандартних теплообмінників коаксіального типу (труба в трубі) при повній конденсації в них і використанні лише теплоти перегріву парів показує, що установка працює економічніше при повній конденсації в регенераторі теплоти лише при безперервному та стабільному використанні теплої води.
Холодильна машина працює за двома циклами (з температурою кипіння - 10 ° С і різними температурами конденсації 35 і 55 ° С). Як регенератор теплоти використовується додатковий протиточний водяний теплообмінник, що передає теплоту перегріву парів холодоагенту при температурному натиску холодопродуктивності компресора 10 кВт і споживаної потужності 2,1 кВт (Тк = 35 ° С) в основному конденсаторі можна нагріти воду (при витраті її 0,012 кг/с) з 10 до 30°С, а потім в регенераторі підвищити температуру води з 30 до 65 °С. У циклі з 55°С при холодопродуктивності 10 кВт і потужності 3,5 кВт в основному конденсаторі води (при витраті 0,05 кг/с) нагрівається з 10 до 50°С, і потім в додатковому теплообміннику-регенераторі вода ( при витраті 0,017 кг/с) нагрівається з 50 до 91°С. У першому випадку корисно використовується 13,7%, у другому - 52% всієї енергії, що підводиться.
У всіх випадках при виборі системи утилізації теплоти холодильної машини необхідно визначити таке:
- холодопродуктивність компресора та теплове навантаження на конденсатор;
- режим роботи холодильної машини в літній та зимовий періоди; можливість використання утилізованої теплоти; взаємозв'язок між необхідною теплотою для обігріву приміщення та нагрівання води;
- необхідну температуру теплої води та витрату її за часом; надійність роботи холодильної машини у режимі одержання холоду.
- Досвід експлуатації систем утилізації теплоти показує, що початкові капітальні витрати на таку систему у великих магазинах окупаються протягом 5 років, тому їх використання економічно доцільне.
З усіх видів енергії, що споживається в хімічній промисловості, перше місце належить тепловій енергії. Ступінь використання тепла під час проведення хіміко-технологічного процесу визначається тепловим К.П.Д.:
де Q т і Q пр відповідно кількість тепла, що теоретично і практично витрачається на здійснення реакції.
Використання вторинних енергетичних ресурсів (відходів) підвищує К.П.Д. Енергетичні відходи використовуються у хімічних та інших галузях промисловості для різних потреб.
Особливо велике значення в хімічній промисловості має утилізація тепла продуктів реакцій, що виходять з реакторів, для попереднього нагрівання матеріалів, що надходять у ці реактори. Таке нагрівання здійснюється в апаратах, званих регенераторами, рекуператорами та котлами-утилізаторами. Вони накопичують тепло газів, що відходять або продуктів, і віддають його для проведення процесів.
Регенератори є періодично діючі камери, заповнені насадкою. Для безперервного процесу необхідно мати принаймні 2 регенератори.
Гарячий газ спочатку проходить через регенератор А, нагріває його насадку, а сам охолоджується. Холодний газ проходить через регенератор Б і нагрівається від нагрітої раніше насадки. Після нагрівання насадки А і охолодження Б заслінки перекривають і т.д.
У рекуператорах реагенти надходять у теплообмінник, де нагріваються за рахунок тепла гарячих продуктів, що виходять з реакційного апарату, а потім подаються в реактор. Теплообмін відбувається через стінки труб теплообмінника.
У котлах-утилізаторах тепло газів, що відходять, і продуктів реакції використовують для отримання пари.
Гарячі гази рухаються трубами, розміщеними в корпусі котла. У міжтрубному просторі є вода. Пар, що утворюється, проходячи вологовідділювач, виходить з котла.
Сировина
Хімічна промисловість характеризується високою матеріаломісткістю виробництва. На одну тонну готової хімічної продукції витрачається, як правило, кілька тонн сировини та матеріалів. Звідси випливає, що собівартість хімічної продукції значною мірою визначається якістю сировини, способами та вартістю її отримання та підготовки. У хімічній промисловості витрати на сировину у собівартості продукції становлять 60-70% і більше.
Від виду та якості сировини суттєво залежить повнота використання виробничих потужностей галузей хімічної промисловості, продуктивність тепла, тривалість роботи обладнання, витрати праці та ін. Властивості сировини, вміст у ньому корисних і шкідливих компонентів визначають технологію його обробки.
Види сировини дуже різноманітні, і їх можна поділити на такі групи:
- мінеральна сировина;
- рослинна та тваринна сировина;
- повітря, вода.
1. Мінеральна сировина – корисні копалини, що видобуваються із земних надр.
Корисні копалини у свою чергу поділяються на:
- рудні (отримання металів) важливі поліметалеві руди
- нерудні (добрива, солі, H + , OH - скло тощо)
- пальне (вугілля, нафта, газ, сланці)
Рудна сировина – це гірські породи, у тому числі екологічно вигідно отримувати метали. Метали в ньому знаходяться переважно у вигляді оксидів і сульфідів. Руди кольорових металів досить часто містять у своєму складі сполуки кількох металів – це сульфіди Pb, Cu, Zn, Ag, Ni та ін. Такі руди називають поліметалевимичи комплексними. Неодмінною складовоювсіх промислових руд є FeS 2 – пірит. При переробці деяких руд одержують поруч із металами та інші продукти. Так, наприклад, одночасно з Cu, Zn, Ni при переробці сульфідних руд отримують і H 2 SO 4 .
Нерудна сировина – це гірські породи, що використовуються у виробництві неметалічних матеріалів (крім хлоридів лужних металів та Mg). Цей вид сировини або безпосередньо використовується у народному господарстві (без хімічної переробки) або служить для того чи іншого хімічного виробництва. Цю сировину використовують у виробництві добрив, солей, кислот, лугів, цементу, скла, кераміки тощо.
Нерудну сировину умовно поділяють такі групи:
- будівельні матеріали- сировина використовується безпосередньо або після механічного або фізико-хімічного відпрацювання (жвір, пісок, глина і т.д.)
- індустріальна сировина - використовується у виробництві без обробки (графіт, слюда, корунд)
- хімічну мінеральну сировину – використовують безпосередньо після хімічної обробки (сірка, селітра, фосфорит, апатит, сильвініт, кам'яна та інші солі)
- дорогоцінна, напівдорогоцінна та виробна сировина (алмаз, смарагд, рубін, малахіт, яшма, мармур і т.д.)
Пальне мінеральне сировину – копалини, які можуть бути як палива (вугілля, нафту, газ, горючі сланці та інших.)
2. Рослинна та тваринна сировина – це продукти сільського (землеробства, тваринництва, овочівництва), а також м'ясного та рибного господарства.
За своїм призначенням воно поділяється на харчове та технічне. До харчової сировини відносяться картопля, цукрові буряки, хлібні злаки і т.д. Хімічна та інші галузі промисловості споживають рослинну та тваринну сировину, непридатну для їжі (бавовна, солома, льон, китовий жир, пазурі тощо). Поділ сировини на харчову та технічну в деяких випадках умовний (картопля → спирт).
3. Повітря і вода є найдешевшою та найдоступнішою сировиною. Повітря – практично невичерпне джерело N 2 і O 2. H 2 O як безпосереднє джерело H 2 і O 2 , а й бере участь у всіх хімічних процесах, і навіть використовується як розчинник.
Економічний потенціал будь-якої країни в сучасних умовах більшою мірою визначається природними ресурсамикорисних копалин, масштабами та якісною характеристикою їх місць розташування, а також рівнем розвитку сировинних галузей промисловості.
Сировинні ресурси сучасної промисловості дуже різноманітні, причому з розвитком нової техніки, впровадженням більш ефективних методіввиробництва сировинна база постійно розширюється рахунок відкриття нових родовищ, освоєння нових видів сировини і повного використання всіх його компонентів.
Вітчизняна промисловість має потужну сировинну базу і має у своєму розпорядженні запаси всіх необхідних їй видів мінеральної та органічної сировини. В даний час США займає перше місце у світі з видобутку запасів P, кам'яних солей, NaCl, Na 2 SO 4 , азбесту, торфу, деревини і т.д. У нас одне з перших місць з розвіданих покладів нафти та газу. І розвідані запаси сировини рік у рік зростають.
На етапі розвитку промисловості велике значення набуває раціональне використання сировини, яке передбачає такі заходи. Раціональне використання сировини дозволяє підвищити екологічну ефективність виробництва, т.к. Ціна сировини становить основну частку у собівартості хімічної продукції. У зв'язку з цим прагнуть використовувати дешевшу, особливо місцеву сировину. Наприклад, в даний час як вуглеводнева сировина все ширше використовують нафту і газ, а не кам'яне вугілляетиловий спирт, отриманий з харчової сировини замінюють на гідролізний з деревини.