3241

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИИ

И ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

Труды 22-й научно-технической конференции

(г. Воронеж, 30 октября 2020 г.)

Воронеж 2020

УДК 621.31.016:53:502(06) ББК 31.2:22.3:20.1я4

Ф503

Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды 22-й научно-технической конференции. [Электронный ресурс] – Электрон. текстовые и граф. данные (3,5 Мб). – Ф503 Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с

экрана.

ISBN 978-5-7731-0896-2

В сборнике представлены труды научно-технической конференции, посвящённые исследованиям гидродинамики и тепломассообмена в энергетических

итеплотехнических установках различного назначения. Тематика исследований направлена на улучшение технико-экономических показателей этих установок и уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду.

Отдельные результаты имеют также практическую направленность, так как посвящены разработке и внедрению в производство технических, алгоритмических

ипрограммных компонентов.

Материалы сборника соответствуют научному направлению ВГТУ «Теоретическая и прикладная теплотехника» и перечню критических технологий Российской Федерации, утверждённому Президентом Российской Федерации.

Издается по решению редакционно-издательским совета Воронежского государственного технического университета

2

УДК 66.045.1

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА УХОДЯЩИХ ГАЗОВ НА ПРИМЕРЕ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

О.А. Алехина1, А.В. Бараков2, К.Г. Хрипунов3

1Магистрант гр. мПТ – 182, olgaheat@yandex.ru

2Д-р техн. наук, профессор, pt_vstu@mail.ru ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

3Канд. техн. наук, доцент, Hripunov_KG@voronezh.quadra.ru

Филиал ПАО «Квадра» – «Воронежская генерация»

Аннотация: отходы тепла промышленных предприятий – это энергия, вырабатываемая в промышленных процессах, которая не используется на практике, а теряется и выбрасывается в окружающую среду. Извлечение отработанного тепла можно проводить с помощью различных технологий рекуперации, с целью сохранить ценные источники энергии и снизить общее потребление энергоресурсов. В статье сделан разбор методологий утилизации отработанного тепла уходящих газов, используемых в промышленных процессах. Исследование проводится на примере работы воздухоподогревателей.

Ключевые слова: теплообмен, воздухоподогреватель, рекуператор, регенератор, повышение эффективности, утилизация тепла

Введение. В связи с растущей тенденцией повышения цен на топливо в течение последних десятилетий, а также растущей озабоченностью в отношении глобального потепления, перед машиностроительными предприятиями стоит задача сокращения выбросов парниковых газов и повышения эффективности их объектов.

В связи с этим использование систем рекуперации отработанного тепла в промышленных процессах является ключевым в качестве одной из основных областей исследований, направленных на сокращение потребления топлива, снижение вредных выбросов и повышение эффективности производства.

Промышленное отработанное тепло – это энергия, которая генерируется в промышленных процессах и не используется на практике, а расходуется или сбрасывается в окружающую среду. Тепловые потери происходят в основном посредством теплопроводности, конвекции и излучения промышленных продуктов, оборудования и процессов, а также за счёт тепла,

3

отводимого в результате процессов горения. Потери тепла могут быть классифицированы на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные. Системы рекуперации отработанного тепла вводятся для каждого диапазона температур, чтобы обеспечить наиболее оптимальную эффективность.

Высокотемпературные потери состоят из регенерации отработанного тепла при температурах выше 400 °C, диапазон средних температур составляет от 100 до 400 °C, а низких – менее 100 °C [1]. Обычно большая часть отработанного тепла в высокотемпературном диапазоне поступает от процессов прямого сгорания, в среднем – от выхлопных газов, в низкотемпературном – от деталей, изделий и оборудования технологических установок.

Технологии утилизации тепла. Методы утилизации отработанного тепла включают в себя сбор и передачу отработанной теплоты от процесса с газом или жидкостью обратно в систему в качестве дополнительного источника энергии [2]. Эта энергия может быть использована для создания дополнительного тепла или для выработки электрической и механической энергии.

Отработанное тепло может быть использовано при любой температуре, например, чем выше температура, тем выше качество и тем легче оптимизировать процесс утилизации. Поэтому важно определить максимальное количество извлекаемой теплоты с наибольшим потенциалом и обеспечить достижение максимальной эффективности от системы утилизации тепла [3].

Количество доступной теплоты может быть рассчитано с использованием уравнения

где V – расход вещества, м3/с; – плотность вещества, кг/м3; c p – удельная теплоёмкость вещества, Дж/(кг·K); T – изменение

температуры между конечной температурой на выходе и начальной температурой на входе, K.

Существует множество различных технологий, которые используются для улавливания и возвращения отработанного тепла, и они в основном состоят из теплообменников, которые представляют собой блоки рекуперации. Эти блоки обычно включают в себя обычные системы рекуперации отработанного тепла, такие как предварительные воздухонагреватели

4

(рекуператоры и регенераторы), регенеративные и рекуперативные горелки, теплообменники с тепловыми трубками, пластинчатые теплообменники, экономайзеры, котлы-утилизаторы и др. Все эти устройства работают по одному и тому же принципу, они захватывают, восстанавливают и обмениваются теплом. Рассмотрим более детально воздухоподогреватели.

Воздухоподогреватели. Подогреватели воздуха в основном используются для передачи тепла отработавших газов воздуху и применяются при низких и средних температурах. Воздухоподогреватели полезно применять, когда необходимо предотвратить перекрёстное загрязнение в процессе.

Предварительный нагрев воздуха может быть выполнен двумя различными конструкциями: тип пластины и тип тепловой трубы. Тип пластины состоит из параллельных пластин, которые расположены перпендикулярно к входному отверстию для подачи холодного воздуха. Горячий отработанный газ подаётся в каналы между пластинами, передавая тепло пластинам, и через которые затем проходит холодный воздух.

Тип тепловой трубы состоит из пучка нескольких герметичных труб, расположенных параллельно друг другу в корпусе. Корпус разделён на две секции, в которых размещается холодный и горячий воздух. Трубы внутри корпуса содержат рабочую жидкость, которая, сталкиваясь с горячим отработанным газом на одном конце труб, испаряется и движется к другому концу трубы, где проходит холодный воздух. Это приводит к тому, что тепло поглощается в горячей секции трубы, которая передаётся в холодную секцию, нагревая холодный движущийся воздух над трубами. Затем рабочая жидкость конденсируется и движется в направлении горячей секции трубы, повторяя цикл [4].

Как показано в [5], в основном существуют два типа воздухоподогревателей, которые классифицируются как регенераторы и рекуператоры. Все они работают по тому же принципу, что и воздухоподогреватели, однако имеют разные конфигурации и используются для разных целей.

Рекуперативные воздухоподогреватели. Рекуператоры – это вид теплообменников, которые обычно изготавливаются из металлических или керамических материалов, в зависимости от их применения, и они используются для рекуперации отработавших газов при средней и высокой температуре [6].

5

Рекуперативные (или трубчатые) воздухоподогреватели оснащаются неподвижной поверхностью нагрева, через которую непрерывно передаётся теплота от дымовых газов к воздуху. Таким образом, теплота, поступившая в систему, может быть описана как энергия, которая не должна поставляться вместе с топливом, а это в свою очередь означает, что достигается снижение спроса на энергию и производственные затраты.

Металлические рекуператоры используются при работе с низкими и средними температурами, а для возвращения тепла с высокими температурами лучше подходят рекуператоры с керамическими трубами. Рекуперативные воздухоподогреватели в основном передают тепло на основе конвекции и излучения или комбинации излучения и конвекции. Радиационный рекуператор состоит из металлических трубок, которые находятся внутри корпуса, куда подаются горячие отработанные газы. Холодный воздух затем нагнетается в трубки, и таким образом происходит процесс теплообмена через стенки трубок (рис. 1).

Рис. 1. Схема металлического рекуперативного воздухоподогревателя

6

С другой стороны, конвективный рекуператор обменивается теплом, пропуская горячие отработанные газы через трубы сравнительно небольшого диаметра, которые размещены в корпусе. Холодный воздух проходит через межтрубное пространство, нагреваясь от тепла маленьких горячих трубок внутри кожуха, которые, в свою очередь, нагреваются отходящими газами.

Комбинация радиационных и конвективных рекуператоров обеспечивает ещё одну возможность, которая может максимизировать эффективность теплопередачи. В этой технологии горячий отработанный газ подаётся в большой кожух, а затем разделяется и поступает в трубы меньшего диаметра. Холодный воздух подаётся в кожух и вокруг него, что приводит к количественному улучшению теплообмена (рис. 2) [7].

Рис. 2. Схема рекуперативного воздухоподогревателя комбинированного типа

Регенеративные воздухоподогреватели. В регенеративных воздухоподогревателях поверхность нагрева омывается попеременно дымовыми газами и воздухом, обеспечивая процесс теплопередачи. Регенеративный воздухоподогреватель представляет

7

собой противоточный теплообменный аппарат для прогрева воздуха, поступающего в горелочные устройства котла за счёт использования тепла уходящих газов. Система состоит из поверхности нагрева, используемая в качестве связующего элемента между потоками уходящих газов и холодного воздуха, который забирает тепловую энергию с горячей стороны, накапливает её и доставляет на холодную сторону. Например, регенеративные печи состоят из двух кирпичных камер, через которые уходящие газы и холодный воздух обмениваются теплом. Когда горячие газы продуктов сгорания проходят через кирпичную камеру, тепло от горячего дымового газа поглощается, накапливается и передаётся холодному воздушному потоку, когда он проходит через камеру. Затем подогретый воздух впрыскивается в поток, идущий в камеру сгорания, уменьшая количество энергии, необходимое для нагрева системы.

Две камеры используются так, что одна передаёт тепло потоку, поступающему в систему, другая поглощает тепло. Направление входного потока часто изменяется, чтобы обеспечить постоянную скорость теплопередачи [8].

Регенераторы подходят для высокотемпературных применений, таких как стекловаренные печи и коксовые печи, и они исторически использовались в мартеновских печах. Регенераторы особенно подходят для применений с грязными выхлопами, однако они могут быть очень большими по размеру и иметь очень высокие капитальные затраты, что является недостатком этой технологии.

Роторные регенеративные воздухоподогреватели. Роторные регенераторы работают аналогично стационарным регенераторам, однако в этой технологии тепло передаётся через пористое тепловое колесо между горячим и холодным потоками. Даная система состоит из двух параллельных каналов, которые содержат горячие и холодные потоки. Эти потоки распределяются на вращающемся диске (или тепловом колесе), которое изготовлено из материала с высокой теплоёмкостью. Тепловое колесо забирает и сохраняет тепло от потока, проходящего через горячий воздуховод, вращает и доставляет его потоку, проходящему через холодный воздуховод. Взаимное движение потоков противоточное. Роторные регенераторы используются для применений при низких и средних температурах и могут обеспечить очень высокую общую эффективность теплообмена (рис. 3) [9].

8

Рис. 3. Роторный регенеративный воздухоподогреватель:

1 – опорная рама; 2 – ротор; 3 – набивка; 4, 5 – зубчатое колесо и шестерня; 6 – редуктор; 7 – электродвигатель; 8 – корпус; 9, 10 – воздушный и газовый патрубки; 11 – разделительные перегородки

Выводы. Было обнаружено, что воздухоподогреватели очень полезны в качестве рекуператоров тепла отработавших газов. Было выявлено, что системы с воздухоподогревателями особенно полезны, когда необходимо предотвращать перекрёстное загрязнение в процессе. Данные теплообменные устройства более эффективны, позволяют экономить топливо, улучшают экологические показатели района, могут использоваться при широком диапазоне температур.

Подводя итог, можно сказать, что данная статья указывает на то, что повышение энергоэффективности за счёт использования утилизации тепла в промышленных процессах достижимо на основе различных подходов и с использованием разнообразных современных технологий. Однако, чтобы получить наиболее оптимальную работу системы за счёт рекуперации отработанного

9