У системі кондиціювання повітря теплоту повітря, що видаляється з приміщень, можна утилізувати двома способами:

· Застосовуючи схеми з рециркуляцією повітря;

· Встановлюючи утилізатори теплоти.

Останній спосіб, як правило, застосовують у прямоточних схемах систем кондиціювання повітря. Однак використання утилізаторів теплоти виключається і в схемах з рециркуляцією повітря.

У сучасних системах вентиляції та кондиціонування повітря застосовується найрізноманітніше обладнання: нагрівачі, зволожувачі, різні види фільтрів, решітки, що регулюються, та багато іншого. Все це необхідно для досягнення необхідних параметрів повітря, підтримки або створення комфортних умов роботи в приміщенні. На обслуговування всього цього обладнання потрібно чимало енергії. Ефективним рішенням заощадження енергії у системах вентиляції стають теплоутилізатори. Основний принцип їх роботи - нагрівання потоку повітря, що подається в приміщення, з використанням теплоти потоку, що видаляється з приміщення. При використанні теплоутилізатора потрібна менша потужність калорифера на підігрів припливного повітря, тим самим зменшується кількість енергії, необхідне його роботи.

Утилізація теплоти в будинках з кондиціюванням повітря може бути виконана за допомогою утилізації теплоти вентиляційних викидів. Утилізація скидної теплоти для нагрівання свіжого повітря (або охолодження свіжого повітря, що надходить скидним повітрям після системи кондиціювання влітку) є найпростішою формою утилізації. При цьому можна відзначити чотири типи систем утилізації, про які вже згадувалося: регенератори, що обертаються; теплообмінники з проміжним теплоносієм; прості повітряні теплообмінники; трубчасті теплообмінники. Регенератор, що обертається, в системі кондиціонування повітря може підвищувати температуру припливного повітря взимку на 15 °С, а влітку він може знижувати температуру повітря, що надходить на 4-8 °С (6.3). Як і в інших системах утилізації, за винятком теплообмінника з проміжним теплоносієм, регенератор, що обертається, може функціонувати тільки в тому випадку, якщо витяжний і всмоктуючий канали прилягають один до одного в якійсь точці системи.

Теплообмінник з проміжним теплоносієм менш ефективний, ніж регенератор, що обертається. У представленій системі вода циркулює через два теплообмінні змійовики, і так як застосовується насос, то два змійовики можуть бути розташовані на деякій відстані один від одного. І в цьому теплообміннику, і в регенераторі, що обертається, є рухомі частини (насос і електродвигун наводяться в рух і це відрізняє їх від повітряного і трубчастого теплообмінників. Одним з недоліків регенератора є те, що в каналах може відбуватися забруднення. Бруд може осаджуватися на колесі, яке потім переносить його у всмоктуючий канал, у більшості коліс в даний час передбачено продування, яке зводить перенесення забруднень до мінімуму.

Простий повітряний теплообмінник являє собою стаціонарний пристрій для теплообміну між відпрацьованим і поступаючим потоками повітря, що проходять через нього протитечією. Цей теплообмінник нагадує сталеву прямокутну коробку з відкритими кінцями, розділену на безліч вузьких каналів типу камер. По каналах, що чергуються, йде відпрацьоване і свіже повітря, і теплота передається від одного потоку повітря до іншого просто через стінки каналів. Перенесення забруднень у теплообміннику не відбувається, і оскільки значна площа поверхні укладена в компактному просторі досягається відносно висока ефективність. Теплообмінник з тепловою трубою можна розглядати як логічний розвиток конструкції вищеописаного теплообмінника, в якому два потоки повітря камери залишаються абсолютно роздільними, пов'язаними пучком ребристих теплових труб, які переносять теплоту від одного каналу до іншого. Хоча стінка труби може розглядатися як додатковий термічний опір, ефективність теплопередачі всередині самої труби, в якій відбувається цикл випаровування-конденсації, настільки велика, що в цих теплообмінниках можна утилізувати до 70% скидної теплоти. Одна з основних переваг цих теплообмінників у порівнянні з теплообмінником з проміжним теплоносієм і регенератором, що обертається - їх надійність. Вихід з ладу кількох труб лише трохи знизить ефективність роботи теплообмінника, але не зупинить повністю систему утилізації.

При всій різноманітності конструктивних рішень утилізаторів тепла вторинних енергоресурсів у кожному з них є такі елементи:

· Середовище - джерело теплової енергії;

· Середовище-споживач теплової енергії;

· Теплоприймач-теплообмінник, що сприймає тепло від джерела;

· Теплопередавач-теплообмінник, що передає теплову енергію споживачеві;

· Робоча речовина, яка транспортує теплову енергію від джерела до споживача.

У регенеративних і повітроповітряних (воздухожидкостних) рекуперативних теплоутилізаторах робочою речовиною є теплообмінні середовища.

Приклади застосування.

1. Підігрів повітря у системах повітряного опалення.
Калорифери призначені для швидкого нагрівання повітря за допомогою водяного теплоносія та рівномірного його розподілу за допомогою вентилятора та направляючих жалюзі. Це гарне рішення для будівництва та виробничих цехів, де потрібне швидке нагрівання та підтримання комфортної температури тільки в робочий час (у цей же час, як правило, працюють і печі).

2. Нагрів води у системі гарячого водопостачання.
Застосування теплоутилізаторів дозволяє згладити піки споживання енергії, оскільки максимальне споживання води посідає початок і поклала край зміни.

3. Підігрів води у системі опалення.
Закрита система
Теплоносій циркулює по замкнутому контуру. Таким чином, немає ризику його забруднення.
Відкрита система. Теплоносій нагрівається гарячим газом, а потім віддає тепло споживачеві.

4. Підігрів дутьового повітря, що йде на горіння. Дозволяє скоротити споживання палива на 10%-15%.

Підраховано, що основним резервом економії палива при роботі пальників для котлів, печей і сушарок є утилізація теплоти газів, що відходять шляхом нагрівання повітрям палива, що спалюється. Рекуперація тепла димових газів, що відходять, має велике значення в технологічних процесах, оскільки тепло, повернене в піч або котел у вигляді підігрітого дутьового повітря, дозволяє скоротити споживання паливного природного газу до 30%.
5. Підігрів палива, що йде на горіння з використанням теплообмінників "рідина - рідина". (Приклад – підігрів мазуту до 100˚–120˚ С.)

6. Підігрів технологічної рідини з використанням теплообмінників "рідина - рідина". (Приклад – підігрів гальванічного розчину.)

Таким чином, теплоутилізатор – це:

Вирішення проблеми енергоефективності виробництва;

Нормалізація екологічної обстановки;

Наявність комфортних умов на виробництві – тепла, гарячої води в адміністративно-побутових приміщеннях;

Зменшення витрат за енергоресурси.

Малюнок 1.

Структура енергоспоживання та потенціалу енергозбереження у житлових будинках: 1 – трансмісійні тепловтрати; 2 – витрати теплоти на вентиляцію; 3 – витрати теплоти на гаряче водопостачання; 4– енергозбереження

Список використаної литературы.

1. Караджі В. Г., Московко Ю. Г. Деякі особливості ефективного використання вентиляційно-опалювального обладнання. Керівництво – М., 2004

2. Єрьомкін А.І, Бизєєв В.В. Економіка енергопостачання в системах опалення, венталіції та кондиціювання повітря. Видавництво Асоціації будівельних вузів М., 2008.

3. Сканаві А. В., Махов. Л. М. Опалення. Видавництво АСВ М., 2008

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 останніми роками, із системою утилізації теплоти повітряних конденсаторів застосовується для опалення торгового залу магазинів типу ”Універсам”. Такі системи дають змогу скоротити загальне енергоспоживання в 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 потреб протягом всього 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.

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< 15°С), что жидкость перед подачей к регулирующему вентилю не будет переох-лажденной. В этом случае необходимо ввести в схему регенеративный теплообменник.

Для підтримки тиску в ресивері у схему також вводиться диференціальний клапан. При tк = 20 ° С і tок - 40 ° С диференціальний клапан закритий, падіння тиску в трубопроводах повітряного конденсатора, теплообмінника-акумулятора та регулятора тиску незначно.

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 пара надходитиме в ресивер.

Однак і це повністю не виключає проблеми відсутності переохолодження рідини в ресивері. Необхідні обов'язкова установка регенеративного теплообмінника або використання ресивера спеціальної конструкції. В цьому випадку холодна рідина з конденсатора прямує безпосередньо в рідинний трубопровід. Такого ж ефекту можна досягти установкою вертикального реси-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; у існуючих установках необхідно відключати зливальний трубопровід, щоб вбудувати теплообмінник-акумулятор. За цією схемою встановлюється зворотний клапан.

Розроблено схеми з паралельним з'єднанням повітряних конденсаторівдля підтримки в одному приміщенні температури 20 ° С, а в іншому, де часто відкриваються взимку двері, - 10 ° С. Такі схеми також вимагають 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 клапанів можливі рециркуляція рідини та 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 схем утилізації 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 у 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.

Опис:

Системи припливно-витяжної вентиляції для адміністративних та житлових приміщень ефективні не лише з санітарно-гігієнічної точки зору. За наявності автоматичної утилізації тепла, вони також роблять істотний внесок у зниження витрат на опалення. Повітря, що видаляється з приміщення, має температуру 20-24 0 С. Не використовувати це тепло - значить, буквально, випускати його в кватирку. Тепло повітря, що видаляється, можна використовувати для підігріву води і припливного повітря і, тим самим, зробити свій внесок у захист навколишнього середовища.

Утилізація тепла

Д. Дросте, ІнноТек Системаналіз ГмбХ, Берлін (Німеччина)

Технологія

Основні положення

Системи припливно-витяжної вентиляції для адміністративних та житлових приміщень ефективні не лише з санітарно-гігієнічної точки зору. За наявності автоматичної утилізації тепла, вони також роблять істотний внесок у зниження витрат на опалення. Повітря, що видаляється з приміщення, має температуру 20-24 o С. Не використовувати це тепло - значить, буквально, випускати його в кватирку. Тепло повітря, що видаляється, можна використовувати для підігріву води і припливного повітря і, тим самим, зробити свій внесок у захист навколишнього середовища.

Таким чином, утилізація тепла необхідна зниження втрат при вентиляції.

Технічне рішення

У вентиляційних системах будівель задана кількість повітря, що видаляється, забирається з приміщень з високим вмістом вологи і забруднень: кухні, туалету, ванної кімнати, - потім охолоджується в перехресноточному пластинчастому теплообміннику і викидається назовні. Така ж кількість попередньо очищеного від пилу зовнішнього припливного повітря нагрівається в теплообміннику без контакту з повітрям, що видаляється, і подається в житлові приміщення, спальні та дитячі кімнати. Відповідні пристрої розташовуються на горищах, у підвалах чи допоміжних приміщеннях.

У системах автоматичної припливної вентиляції задану кількість повітря за допомогою вентиляторів подається до приміщення безперервно. Витяжні вентилятори відбирають забруднене повітря із кухонь, туалетів тощо.

При правильному доборі вентиляторів забезпечується повітрообмін, який відповідає вимогам Федерального уряду. Для забезпечення утилізації тепла в систему включені спеціальні теплообмінники, наприклад перехресноточні, при необхідності забезпечені тепловим насосом.

Сучасні установки в будинках із гарною теплоізоляцією, в порівнянні з конвективною системою опалення, дозволяють заощаджувати до 50% тепла.

Ефективність передачі тепла від повітря, що видаляється, до припливного становить у пластинчастих теплообмінниках близько 60%, при вологому повітрі, що видаляється, навіть більше. Це означає, що в квартирі житловою площею 100 м2:

Потужність системи опалення нижче 10 Вт/м 2 житлової площі;

Річне споживання тепла знижується приблизно з 40 до 15 кВт/м 2 год.

Економічна ефективність

Керована система вентиляції та утилізації тепла потребує енергетичних витрат на підігрів повітря менше, ніж інші системи. При цьому завдяки зниженню настановної потужності системи опалення при новому будівництві знижуються інвестиційні витрати. Додатково, за рахунок використання систем утилізації тепла, знижуються витрати на паливо, тому що використовуються побутові тепловиділення (маються на увазі теплові виділення людини, електричних приладів, освітлення, а також інсоляція тощо). Побутові тепловиділення замість того, щоб "перегрівати" приміщення, в якому вони виникають, перерозподіляються за системою повітроводів у ті приміщення, де є "недогрів". Також слід мати на увазі, що у багатьох квартирах тривале провітрювання через відкриті вікна часто небажане через високий рівень шуму. Використання в системі механічної вентиляції установок утилізації тепла та теплових насосів робить її більш енергоекономічною.

Впровадження

Економічні причини застосування сучасних опалювальних систем досить різноманітні. У ряді федеральних земель є спеціальні податкові пільги, завдяки яким початкові витрати можна знизити на 20-30%. Крім того, низка програм енергозбереження містить розділи, присвячені вентиляції житлових приміщень. Так, наприклад, у програмі землі Рейн-Пфальц передбачено доплату до 25%, але не більше 7500 DМ. Особливо рекомендується впровадження теплових насосів, причому у деяких землях передбачається доплата до 30%.

Приклади використання

Утилізація тепла у багатоквартирному будинку

У типовому багатоквартирному будинку в Лейпцигу 1912 будівлі, який був реконструйований і додатково теплоізольований, голландська вентиляційна фірма Van Ophoven використовувала керовану систему вентиляції з утилізацією тепла. Будинки такого типу становлять до 60% житлового фонду Лейпцигу. Система припливно-витяжної вентиляції з утилізацією тепла в теплообміннику перехресноточному автономна до моменту включення додаткового підігрівача припливного повітря. Для забезпечення утилізації тепла в систему включені спеціальні теплообмінники, у прикладі - перехресноточні. Йдеться в даному випадку про рівноважну систему вентиляції. Кожна квартира обладнана приладом, встановленим на стіні у спеціально відведеному місці. Зовнішнє повітря попередньо нагрівається в утилізаційному пристрої, а потім за допомогою додаткового підігрівача нагрівається до необхідної температури. У цьому випадку йдеться про непряме опалення. Аналіз ефективності цієї системи показав, що економія енергії становить 40%, а викиди СО2 знизилися на 69%.

Повітрообмінні установки

У багатьох адміністративних будинках у Носсені, в офісах, лікарнях, банках сприятливий мікроклімат забезпечують енергоекономічні повітрообмінні установки з утилізацією тепла. Ефективність утилізації тепла у протиточних теплообмінниках може досягати 60%. На наведеному знімку видно, що повітрообмінні установки добре вписуються в обстановку приміщення.

Література

1. Arbeitskreis der Dozenten fur Klimatechnik: Handbuch der Klimatechnik, Verlag C.F. Muller GmbH, Karlsruhe

2. Recknagel/Sprenger: Taschenbuchfur Heizung + Klimatechnik, R. Oldenburg Verlag, Munchen/Wien 83/84

3. Ministerium fur Banuen und Wohnen des Landes Nordrhein-Westfalen: Luftung im Wohngebaude

4. THERMIE-Maxibroschure: Leitfaden energiesparende und emissionsarme Anlagen zur Heizung, Kuhlung und Klimatisierung в kleinen und mittleren Unternehmen в den neuen Bundeslandern, erhaltlich under OPET.

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.

Державний освітній заклад вищої професійної освіти

"Самарський Державний Технічний Університет"

Кафедра «Хімічна технологія та промислова екологія»

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Технічна термодинаміка та теплотехніка»

Тема: Розрахунок установки утилізації теплоти газів, що відходять, технологічної печі

Виконав: Студент Рябініна О.О.

ЗФ курс ІІІ група 19

Перевірив: Консультант Чуркіна А.Ю.

Самара 2010 р.

Вступ

На більшості хімічних підприємств утворюються високо- та низько-температурні теплові відходи, які можуть бути використані як вторинні енергетичні ресурси (ВЕР). До них відносяться гази, що йдуть, різних котлів і технологічних печей, охолоджувані потоки, охолоджувальна вода і відпрацьована пара.

Теплові ВЕР значною мірою покривають потреби у теплі окремих виробництв. Так було в азотної промисловості з допомогою ВЕР задовольняється понад 26 % потреби у теплі, в содовій промисловості – понад 11 %.

Кількість використаних ВЕР залежить від трьох факторів: температури ВЕР, їх теплової потужності та безперервності виходу.

В даний час найбільшого поширення набула утилізація тепла виробничих газів, що відходять, які майже для всіх вогнетехнічних процесів мають високий температурний потенціал і в більшості виробництв можуть використовуватися безперервно. Тепло відхідних газів є основною складовою енергетичного балансу. Його використовують переважно для технологічних, а в деяких випадках – і для енергетичних цілей (у котлах-утилізаторах).

Однак широке використання високотемпературних теплових ВЕР пов'язане з розробкою методів утилізації, у тому числі тепла розжарених шлаків, продуктів і т. д., нових способів утилізації тепла газів, що відходять, а також з удосконаленням конструкцій існуючого утилізаційного обладнання.

1. Опис технологічної схеми

У трубчастих печах, що не мають камери конвекції, або в печах радіантно-конвекційного типу, але мають порівняно високу початкову температуру продукту, що нагрівається, температура відхідних газів може бути порівняно високою, що призводить до підвищених втрат тепла, зменшення ККД печі і більшій витраті палива. Тому необхідно використовувати тепло газів, що відходять. Цього можна досягти або застосуванням повітропідігрівача, що нагріває повітря, що надходить у піч для горіння палива, або встановленням котлів-утилізаторів, що дозволяють отримати водяну пару, необхідну для технологічних потреб.

Однак для здійснення підігріву повітря потрібні додаткові витрати на спорудження повітропідігрівача, повітродувки, а також додаткова витрата електроенергії, що споживається двигуном повітродувки.

Для забезпечення нормальної експлуатації повітропідігрівача важливо запобігти можливості корозії його поверхні з боку потоку димових газів. Таке явище можливе, коли температура поверхні теплообміну нижче температури точки роси; при цьому частина димових газів, безпосередньо стикаючись з поверхнею повітропідігрівача, значно охолоджується, водяна пара, що міститься в них, частково конденсується і, поглинаючи з газів діоксид сірки, утворює агресивну слабку кислоту.

Точка роси відповідає температурі, при якій тиск насиченої пари води виявляється рівним парціальному тиску водяної пари, що містяться в димових газах.

Одним з найбільш надійних способів захисту від корозії є попередній підігрів повітря будь-яким способом (наприклад, водяних або парових калориферах) до температури вище точки роси. Така корозія може мати місце і на поверхні конвекційних труб, якщо температура сировини, що надходить у піч, нижча за точку роси.

Джерелом теплоти, підвищення температури насиченої пари, є реакція окислення (горіння) первинного палива. Димові гази, що утворюються при горінні, віддають свою теплоту в радіаційній, а потім конвекційній камерах сировинному потоку (водяному пару). Перегріта водяна пара надходить до споживача, а продукти згоряння залишають піч і надходять у котел-утилізатор. На виході з КУ насичена водяна пара надходить назад на подачу в піч перегріву пари, а димові гази, охолоджуючись живильною водою, надходять у повітропідігрівач. З повітропогрівача димові гази надходять у КТАН, де вода, що надходить по змійовику, нагрівається і йде на пряму до споживача, а димові гази – в атмосферу.

2. Розрахунок печі

2.1 Розрахунок процесу горіння

Визначимо нижчу теплоту згоряння палива Q р н. Якщо паливо є індивідуальним вуглеводнем, то теплота згоряння його Q р н дорівнює стандартній теплоті згоряння за вирахуванням теплоти випаровування води, що знаходиться в продуктах згоряння. Також вона може бути розрахована за стандартними тепловими ефектами утворення вихідних та кінцевих продуктів виходячи із закону Гесса.

Для палива, що складається із суміші вуглеводнів, теплота згоряння визначається, але правилом адитивності:

де Q pi н - теплота згоряння i-го компонента палива;

y i - концентрація i-го компонента палива в частках від одиниці, тоді:

Q р н см = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м .

Молярна маса палива:

M m = Σ M i ∙ y i ,

де M i – молярна маса i-го компонента палива, звідси:

M m =16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/ міль.

кг/м 3 ,

тоді Q р н см, виражена МДж/кг, дорівнює:

МДж/кг.

Результати розрахунку зводимо у табл. 1:

Склад палива Таблиця 1

Компонент	Молярна маса M i ,	Молярна частка y i , кмоль/кмоль
	16,042	0,9870	15,83
	30,070	0,0033	0,10
	44,094	0,0012	0,05
	58,120	0,0004	0,02
	72,150	0,0001	0,01
	44,010	0,0010	0,04
	28,010	0,0070	0,20
РАЗОМ:		1,0000	16,25

Визначимо елементарний склад палива, % (мас.):

,

де n i C , n i H , n i N , n i O - число атомів вуглецю, водню, азоту та кисню в молекулах окремих компонентів, що входять до складу палива;

Вміст кожного компонента палива, мас. %;

Mi - молярна маса окремих компонентів палива;

М m – молярна маса палива.

Перевірка складу:

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100% (мас.).

Визначимо теоретичну кількість повітря, необхідну для спалювання 1 кг палива, воно визначається зі стехіометричного рівняння реакції горіння та вмісту кисню в атмосферному повітрі. Якщо відомий елементарний склад палива, теоретична кількість повітря L 0 кг/кг обчислюється за формулою:

На практиці для забезпечення повноти згоряння палива в топку вводять надмірну кількість повітря, знайдемо дійсну витрату повітря при α = 1,25:

де L - дійсна витрата повітря;

α - коефіцієнт надлишку повітря,

L=1,25∙17,0 = 21,25 кг/кг.

Питома кількість повітря (н. у.) для горіння 1 кг палива:

де ρ в = 1,293 – щільність повітря за нормальних умов,

м 3 /кг.

Знайдемо кількість продуктів згоряння, що утворюються при спалюванні 1 кг палива:

якщо відомий елементарний склад палива, то масовий склад димових газів у розрахунку на 1 кг палива при повному його згоранні може бути визначений на підставі наступних рівнянь:

де m CO2, m H2O, m N2, m O2 - маса відповідних газів, кг.

Сумарна кількість продуктів горіння:

m п. с = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2

m п. с = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Перевіряємо отриману величину:

де W ф - питома витрата форсункової пари при спалюванні рідкого палива, кг/кг (для газового палива W ф = 0),

Оскільки паливо – газ, вміст вологи в повітрі нехтуємо, і кількість водяної пари не враховуємо.

Знайдемо обсяг продуктів згоряння за нормальних умов, що утворилися при згорянні 1 кг палива:

де mi - маса відповідного газу, що утворюється при згорянні 1 кг палива;

ρ i - щільність даного газу за нормальних умов, кг/м 3 ;

М i - молярна маса цього газу, кг/кмоль;

22,4 - молярний об'єм, м 3 /кмоль,

м 3 /кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; м 3 /кг.

Сумарний обсяг продуктів згоряння (н. у.) при фактичній витраті повітря:

V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2

V = 1,38 + 2,75 + 13,06 + 0,70 = 17,89 м3/кг.

Щільність продуктів згоряння (н. у.):

кг/м3.

Знайдемо теплоємність та ентальпію продуктів згоряння 1 кг палива в інтервалі температур від 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), використовуючи дані табл. 2.

Середні питомі теплоємності газів з р, кДж/(кг∙К) Таблиця 2

					Повітря
0	0,9148	1,0392	0,8148	1,8594	1,0036
100	0,9232	1,0404	0,8658	1,8728	1,0061
200	0,9353	1,0434	0,9102	1,8937	1,0115
300	0,9500	1,0488	0,9487	1,9292	1,0191
400	0,9651	1,0567	0,9877	1,9477	1,0283
500	0,9793	1,0660	1,0128	1,9778	1,0387
600	0,9927	1,0760	1,0396	2,0092	1,0496
700	1,0048	1,0869	1,0639	2,0419	1,0605
800	1,0157	1,0974	1,0852	2,0754	1,0710
1000	1,0305	1,1159	1,1225	2,1436	1,0807
1500	1,0990	1,1911	1,1895	2,4422	1,0903

Ентальпія димових газів, що утворюються при згорянні 1 кг палива:

де з CO2, з H2O, з N2, з О2 - середні питомі теплоємності при постійному тиску відповідних газон при температурі t, кДж/(кг · К);

t - середня теплоємність димових газів, що утворюються при згорянні 1 кг палива при температурі t, кДж/(кг К);

при 100 °С: кДж/(кг∙К);

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

Результати розрахунків зводимо у табл. 3.

Ентальпія продуктів згоряння Таблиця 3

Температура		Теплоємність продуктів згоряння з t, кДж/(кг∙К)	Ентальпія продуктів згоряння H t ,
°С	До
			гази, що відходять з регенератора скловарної печі, досить чисті. В інших випадках потрібно ще встановити спеціальний фільтр, який би відчистив гази перед тим, як вони підуть у теплообмінник. Мал. 1. Рекуперативний теплообмінник для утилізації теплоти газів, що відходять. Гаряча вода t = 95 °C Гарячі відхідні... Економія різних видів енергії. 2. Постановка задачі Проаналізувати роботу печі перегріву водяної пари та для ефективності використання теплоти первинного палива запропонувати теплоутилізаційне встановлення вторинних енергоресурсів. 3. Опис технологічної схеми Пекти перегріву водяної пари на установці виробництва стиролу призначена для підвищення температури... Об'єми азоту та водяної пари в продуктах згоряння ПГ. 1. МЕТА РОБОТИ 1.1 Ознайомитися з пристроєм котлів-утилізаторів 1.2 Отримати практичні навички проведення термодинамічного аналізу ефективності агрегатів енерготехнологічних систем і процесів, що протікають в них. 2. ЗМІСТ РОБОТИ 2.1 Проведення термодинамічного аналізу ефективності котла-утилізатора енергетичним та...