6948

10

Схема использования теплотыпродуктов сгорания

7

2

9

9

5

9

8

Рис 1. Схема использования теплоты продуктов сгорания

Продукты сгорания природного газа после экономайзера с начальной температурой 140 ºС (средняя за год) парогазовую смесь поступают на распределительный клапан, который делит их на два потока, один из них 55% направляется в конденсационные теплообменники типа КСк-4-9-02ХЛЗА, в котором охлаждается до температуры 40 ºС, что соответствует температуре ниже температуры точки росы.

В данном теплообменнике можно выделить три различные зоны. Первая будет иметь место в той части теплообменной поверхности, в которой температура нагреваемого теплоносителя выше температуры точки росы дымовых газов; в этой зоне происходит обмен явной теплотой между газами и стенкой.

Внекотором сечении газохода температура воды и стенки снижается до температуры точки росы продуктов сгорания, в этом сечении начинается конденсация паров на неоребренной поверхности трубы. При этом температура всей поверхности ребра выше температуры точки росы и на ребре конденсации нет (вторая зона).

Внижележащих сечениях теплообменника температура воды продолжает снижаться; соответственно снижается температура стенки и ребер. Зона конденсации распространяется вверх по высоте ребра до тех пор, пока по всей поверхности ребра не установится температура ниже точки росы продуктов сгорания.

Втретьей зоне конденсация паров будет происходить уже по всей поверхности ре-

бер.

11

Процесс охлаждения продуктов сгорания в теплоутилизаторе сопровождается уменьшением влагосодержания со 115 до 50 г/кг с.г и выпадением конденсата в количестве 170 л/ч (среднее значение за год при работе котельной на газе). Охлажденные до 40° С продукты сгорания с относительной влажностью 100% и влагосодержанием 50г/кг с. г, пройдя через каплеуловитель, смешиваются с продуктами сгорания (оставшиеся 45%), направленными по обводному газоходу и с помощью дымососа выбрасываются в дымовую тубу.

Температура продуктов сгорания после смешения поддерживается на уровне не ниже 64° С, что выше температуры точки росы, влагосодержание - 65 г/кг с. г и относительная влажность - 40%. Это позволяет при всех режимах работы котельной благодаря подсушке исключить выпадение конденсата в газовом тракте, при этом:

∙количество полученной теплоты в теплоутилизаторе при работе одного котла ДКВр-6,5/13 составляет - 2041200 кДж/ч;

∙снижение температуры уходящих газов с 140° С до 70° С;

∙повышение коэффициента использования потенциала топлива на 3 — 4%. Основным элементом установки, смонтированной за действующим котлом, являет-

ся промышленный конденсационный теплообменник. Корпус выполнен из листовой стали толщиной 0,003 м; для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду поверхность конденсатора покрыта слоем асбестовой изоляции. Теплообменный элемент конденсатора состоит из двух трубок, напрессованных одна на другую. Внутренняя трубка - стальная диаметром 16x1,2 мм наружная - алюминиевая с накатным оребрением. При накатке ребер между стальной и алюминиевой трубкой образуется контакт, который исключает необходимость оцинковки этих калориферов и обеспечивает высокие значения коэффициентов теплопередачи при относительно небольшом сопротивлении проходу продуктов сгорания. Ребристая поверхность имеет диаметр на вершинах ребер 39 мм. На основаниях ребер 20 мм, толщина ребер у основания 1,15 мм, у вершины 0,5 мм. Ребра накатываются с шагом 3,4 мм и имеют гладкую винтообразную поверхность. Площадь поверхности теплообмена 29,57 м2, площадь фронтального сечения 0,455 м2, площадь сечения по теплоносителю 0,001112м2, число ходов по теплоносителю 6, масса 68 кг. Данную установку в своей кандидатской диссертации исследовала Кочева М.А..

Благодаря компактности теплоутилизатор можно устанавливать в действующих котельных, в которых, как правило, недостаточно места для размещения контактных экономайзеров.

Применение данного теплоутилизатора так же решает ряд экологических проблем:

∙сокращение расхода продуктов сгорания за счет конденсации водяных паров;

∙снижение теплового загрязнения атмосферы в результате снижения расхода и температуры уходящих газов;

∙уменьшение парникового эффекта вследствие снижения выброса СО2; Использование конденсационных поверхностей нагрева для утилизации теплоты

продуктов сгорания может быть рекомендовано только при сжигании бессернистого природного газа. Следовательно, опасность сернокислой коррозии не является актуальной для теплообменников предлагаемого типа. Полнота сгорания газа обеспечивается проведением следующих мероприятий:

∙применение горелок, прошедших государственные испытания и обеспечивающих при надлежащем контроле полноту сгорания газа;

∙использование автоматики, поддерживающей оптимальное соотношение количества газа и воздуха; осуществление систематического контроля за процессом горения;

∙установка дожигательных устройств для обеспечения полноты сгорания горючих компонентов.

12

2.3.4 Энергосбережение.

Схема 1. Замкнутая. Используется для нужд топливоиспользующей установки.

I II

Схема 2. Разомкнутая. Используется для нужд предприятия.

I II

Схема 3. Замкнуто-разомкнутая. Используется для нужд предприятия и для нужд топливоиспользующей установки.

I II III

Cхема 4. Энерго-технологическая. Использование продуктов сгорания в качестве сырья.

I IV

Рис 2: Классификация схем использования теплоты уходящих газов. Примечание к схемам: I – топливоиспользующий агрегат (печь, котел); II, III - теплоутилизатор (экономайзер, рекуператор, регенератор); IV – устройство, в котором продукты сгорания используются в качестве сырья.

В топливоиспользующем оборудовании выделяют следующие потери теплоты: q1 – КПД

q2 – потери с уходящими газами

q3 – потери с химическим недожогом

13

q4 – потери с механическим недожогом q5 – потери в окружающую среду

q6 – потери со шлакообразованием q1 = КПД =100 – (q 2 + q3 + q5)

Для оценки эффективности использования топлива вводят величину – коэффициент использования топлива.

КИТ (коэффициент использования топлива) = 100 – (q 2 + q3)

Для того чтобы определить неполное сгорание топлива, нужно искать в составе продуктов сгорания CH4 и CO.

В случае полного сгорания топлива:

КИТ = 100 – q 2

Таким образом, повышение эффективности использования топлива во многом зависит от величины потерь теплоты с уходящими газами – чем эта величина меньше, тем выше значение коэффициента использования топлива.

В целом все схемы по использованию теплоты уходящих газов можно классифицировать следующим образом (рис 2).

2.3.4 Конструктивные особенности энергосберегающего оборудования.

Под турбиной понимают ротационный тепловой двигатель, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу.

Основным элементом паровой турбины (рис. 3) является металлический вал (ротор), на который крепятся рабочие лопатки. Вал помещается внутрь корпуса (кожуха), также к корпусу крепится диафрагма – диск с неподвижными сопловыми лопатками (направляющими соплами). В соплах тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию, а затем на рабочих лопатках в механическую работу, передавая вращательное движение ротору турбины. Ротор турбины соединяется с ротором электрогенератора для выработки в последнем электрического тока.

Рис. 3. Принцип работы паровой турбины Стоит отметить, что для работы турбины необходим источник пара, как правило -

паровой котел (в ТЭЦ температура пара для турбин варьируется в пределах 450-550ºС). Совокупность этих элементов представляет собой достаточно громоздкую конструкцию, в то время как современные газовые турбины, как правило, уже содержат все элементы для их работы внутри одного корпуса. Газотурбинная установка условно делится на три области: область компрессора, в которой происходит забор и сжатие воздуха; камера сгорания,

15

Рис. 6. Общий вид стационарной газовой турбины

Использование альтернативных видов топлива. Солнечная энергетика

С позиции возобновляемых источников энергии, Солнце является первоисточником большинства из рассматриваемых видов: непосредственно солнечная радиация, ветер (ветряная энергетика), теплота грунта (геотермальная энергетика), энергия движения воды и т.д. Поэтому во избежание путаницы в дальнейшем под солнечной энергетикой будем понимать только энергию солнечного света, которая основана на преобразовании электромагнитного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 7. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую энергию

16

Рис. 8. Схема преобразования энергии электромагнитного излучения солнечных лучей в электрическую.

Рис. 9. Схема работы системы ГВС с вакуумным коллектором.

Солнечная энергетика (используемая для получения тепловой и электрической энергии), пожалуй, одно из самых перспективных направлений использования энергии возобновляемых источников на сегодняшний день. Они способны на равных конкурировать с установками, использующими органическое топливо в качестве источника энергии.

17

Ветроэнергетика

Первоисточником для возникновения ветра является тепловая энергия Солнца. Воздух, нагреваясь возле поверхности земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции. Скорость ветра увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 10. Схема получения электроэнергии из энергии ветра для бытового потребления.

Рис. 11. Сравнение ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осями вращения.

18

Как и солнечная энергетика, ветряная энергетика постоянно развивается, и новые модификации ветроэлектрических установок появляются с завидной периодичностью. Вместе с тем высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями, необходимость развитой инфраструктуры и шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду (последний из этих пунктов является предметом многочисленных споров) не позволяют полностью вытеснить традиционные способы получения энергии. Однако занять определенную нишу в данной области ветроэнергетике вполне по силам.

Низкопотенциальные источники энергии

Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно, выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 12. Схема работы компрессионного теплового насоса.

Наряду с солнечными коллекторами тепловые насосы все чаще появляются на страницах русифицированных каталогов компаний по производству различного теплотех-

19

нического оборудования. Более того – есть уже весьма успешные реализованные проекты по применению тепловых насосов на территории нашей страны. Определенно эта технология имеет огромные перспективы, несмотря на достаточно высокую базовую стоимость оборудования, во многом за счет индивидуальных потребителей, которые хотят создавать энергоэффективные и независимые системы энергоснабжения для своих сооружений.

Примерный перечень вопросов:

Нормативно-методическое обеспечение энергосбережения. Энергоаудит. Конструкции котлов-утилизаторов.

Расчет котлов-утилизаторов.

Контактные экономайзеры, принцип действия и конструкция. Конструктивный расчет контактных экономайзеров. Контактно-поверхностные теплоутилизаторы, конструкции, расчет. Конденсационные теплоутилизаторы, конструкции, расчет.

Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в машиностроении. Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в промышленности строи-

тельных материалов.

Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в химической промышленности.

Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в котельных установках. Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в газовой промышленно-

сти.

Комплексное использование теплоты продуктов сгорания в металлургической промышленности.

Снижение расчетных потерь теплоты зданиями. Системы газовоздушного лучистого отопления.

Комбинированные системы лучистого отопления и вентиляции. Схемы преобразования солнечной энергии в электрическую. Схемы преобразования солнечной энергии в тепловую. Установки работающие на твердом биотопливе.

Установки работающие на жидком биотопливе. Установки работающие на газообразном биотопливе.