Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Учебно-методическое пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ»
Кафедра «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»
О.В. Шайхед, Б.В. Кляус
ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В СИСТЕМАХ ТГВ.
УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ
РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Учебно-методическое пособие
Макеевка 2020
УДК 62.682
ББК 31.368
Ш 12
Рекомендовано к изданию советом факультета
ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
инженерных и экологических систем в строительстве
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ»
«30» июня 2020 г., протокол № 11
А.Б. Бирюков – доктор технических наук, профессор, заведующий
Рецензенты:
кафедрой «Техническая теплофизика», ГОУВПО «ДОННТУ»;
и
кафедрой
ГОУ ВПО «ДОННАСА».
А.В. Лукьянов – доктор технических наук, профессор, заведующий
«Теплотехника,
теплогазоснабжение
вентиляция»
Ш 12 Шайхед, О.В. Утилизация вторичных энергоресурсов в системах
ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов : учебнометодическое пособие / О.В. Шайхед, Б.В. Кляус. – Макеевка : ГОУ ВПО
«ДОННАСА», 2020. – 109 с.
пароводяных теплообменных аппаратов.
рекуперативных аппаратов в соответствии с рабочей программой курса
«Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ».
раздела лекционного курса, методики и рекомендации гидравлического,
теплового и конструктивного расчетов рекуперативного водоводяного и
пароводяного теплообменных аппаратов, рекомендуемая учебная и справочная
литература.
теоретические положения, оказать помощь студентам по самостоятельному и
своевременному выполнению заданий.
Учебно-методическое пособие к расчету рекуперативных водоводяных и
Пособие
составлено
для
студентов,
выполняющих
расчет
В пособии приведены краткие теоретические сведения соответствующего
Основная цель пособия заключается в том, чтобы, используя основные
УДК 62.682
ББК 31.368
© О.В. Шайхед, Б.В. Кляус, 2020
© ГОУ ВПО «ДОННАСА», 2020
Содержание
Введение ....................................................................................................................... 6
1 Теоретические положения ....................................................................................... 8
1.1 Виды вторичных энергоресурсов ........................................................................ 8
1.2 Основные показатели использования вторичных энергоресурсов ................ 16
1.3 Классификация теплоутилизаторов, используемых в системах отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха ............................................................ 19
1.4 Рекуперативные теплоутилизаторы ................................................................... 20
1.4.1 Конструктивное исполнение рекуперативных теплообменников ............... 24
1.4.2 Рекуперативные кожухотрубные теплообменники ТКТ .............................. 26
1.4.3 Рекуперативные пластинчатые теплообменники .......................................... 28
1.4.4 Рекуперативный теплоутилизатор РТ ............................................................ 31
1.4.5 Рекуператор для энергосберегающей приточно вытяжной вентиляции
жилых комнат и других помещений - Теплая Форточка (ТеФо) ......................... 31
1.4.6 Принципиальные схемы вентиляции с утилизацией теплоты в
рекуператорах ............................................................................................................ 34
1.4.7 Решения по предотвращению обмерзания рекуперативных
теплообменников ....................................................................................................... 35
1.4.8 Оборудование систем утилизации с промежуточным теплоносителем на
базе рекуперативных теплообменников ................................................................. 38
1.4.9 Использование систем утилизации с промежуточным теплоносителем на
основе рекуперативных теплообменников ............................................................. 40
1.5 Регенеративные теплоутилизаторы ................................................................... 41
1.5.1 Регенеративный теплообменник с неподвижной насадкой РТНН ............. 42
1.5.2 Вращающийся регенеративный теплоутилизатор ВРТ ................................ 43
3
1.5.3 Принципиальные схемы систем утилизации с регенеративными
теплоутилизаторами и меры по предотвращению обледенения
теплоаккумулирующей насадки .............................................................................. 47
1.6 Контактные теплоутилизаторы .......................................................................... 49
1.6.1 Основные виды контактных теплообменников и рабочей жидкости ......... 49
1.6.2 Форсуночные камеры ....................................................................................... 53
1.7 Оборудование для утилизации теплоты высокопотенциальных
энергоресурсов ........................................................................................................... 56
1.7.1 Общая характеристика теплоутилизационного оборудования .................... 56
1.7.2 Системы водяного и испарительного охлаждения ....................................... 58
1.7.3 Водяные экономайзеры.................................................................................... 60
1.7.4 Теплоутилизаторы с активной насадкой (КТАН) ......................................... 64
1.7.5 Высокопотенциальные рекуператоры ............................................................ 66
1.8 Схемы использования тепловых вторичных энергоресурсов через сеть
централизованного теплоснабжения ....................................................................... 68
1.8.1 Общая характеристика схем утилизации теплоты в теплоснабжении ....... 68
1.8.2 Принцип действия и практические приложения последовательной схемы
использования вторичных энергоресурсов в централизованном теплоснабжении
..................................................................................................................................... 69
1.8.3 Принцип действия и практические приложения параллельной схемы
использования вторичных энергоресурсов в централизованном теплоснабжении
..................................................................................................................................... 70
1.8.4 Принцип действия и практические приложения параллельнопоследовательной схемы использования вторичных энергоресурсов в
централизованном теплоснабжении ........................................................................ 72
1.9 Основные показатели технико-экономической эффективности систем
утилизации теплоты .................................................................................................. 73
4
1.9.1 Термодинамические показатели ..................................................................... 73
1.9.2 Термоэкономические показатели ................................................................... 76
1.9.3 Технико-экономические показатели .............................................................. 77
2 Тепловой и конструктивный расчеты рекуперативного теплообменного
аппарата ...................................................................................................................... 79
2.1 Особенности расчета водоводяного ТА ............................................................ 81
2.2 Особенности расчета пароводяного ТА ............................................................ 88
2.3 Конструктивно–механический расчет ТА ........................................................ 90
2.4 Гидравлический расчет ....................................................................................... 91
2.5 Поверочный расчет рекуперативного ТА ......................................................... 95
2.6 Графическая часть работы .................................................................................. 96
Заключение ................................................................................................................. 97
Тесты для самоконтроля ........................................................................................... 98
Библиографический список .................................................................................... 103
Приложение А - Теплофизические характеристики теплоносителей ............... 105
Приложение Б - Технические характеристики трубной решетки ...................... 106
Приложение В - Схемы размещения трубок в трубной решетке ....................... 107
Приложение Г - Критерии подобия при вынужденном движении жидкости по
трубкам и каналам ................................................................................................... 108
Приложение Д - Коэффициенты гидравлического сопротивления трением .... 109
5
ВВЕДЕНИЕ
Ключевой проблемой мировой энергетики в настоящее время и на
ближайшую перспективу является проблема энергосбережения.
Энергосбережение классифицируется как новый источник энергии, источник
более дешевый, чем многие другие традиционные и нетрадиционные источники
энергии. Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов
достаточно велико. Поэтому полезное их использование – одно из важнейших
направлений экономии энергетических ресурсов. Утилизация этих ресурсов
связана с определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому
возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой
утилизации. В этом отношении в комплексе всевозможных энергосберегающих
мероприятий важное место занимает использование вторичных энергоресурсов
(ВЭР).
Под ВЭР понимают энергетический потенциал продукции, отходов,
побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических
процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате,
но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения
других агрегатов (процессов). Термин “энергетический потенциал” здесь
следует понимать в широком смысле, он означает наличие определённого
запаса энергии – химически связанного тепла, физического тепла,
потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии
и др. Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих
установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных,
углеобогатительных и др.) к ВЭР не относятся.
Экономия топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) может быть
реализована в двух направлениях. Во-первых, за счет усовершенствования
технологических процессов и аппаратов (новых энергосберегающих
технологий), благодаря чему достигается повышение КПД и снижается расход
топлива и энергии. Во-вторых, посредством утилизации ВЭР, которые
6
неизбежно возникают в больших объемах особенно в энергоемких
производствах, и за счет которых можно получить 30 – 35% сбережения ТЭР.
Под вторичными энергоресурсами понимают энергетический потенциал
отходов продукции, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в
теплотехнологических агрегатах (установках), который может быть частично
или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов или в самом
аппарате.
При внедрении утилизационных мероприятий речь идет об использовании
«энергетических отходов» - так называемых вторичных энергетических
ресурсов (ВЭР), при энергетической модернизации – о снижении количества
этих отходов без изменения принципиальных основ технологий и техники. В
случае интенсивного энергосбережения предполагается проведение
мероприятий, реализующих предельно высокий энергосберегающий эффект.
Энергетические отходы, которые возвращаются обратно на вход в
технологический агрегат, называются ВЭР внутреннего использования, а ВЭР,
утилизируемые в других установках – внешнего использования. Сам
технологический агрегат, который является источником энергетических
отходов, называется источником ВЭР.
Главная трудность при решении проблемы утилизации ВЭР обычно
состоит в поисках потребителя. Приходится анализировать уже не только своё
производство, но и в первую очередь сопутствующие, а иногда и совершенно
не связанные. Нередко для утилизации ВЭР создают тепличные хозяйства,
рыбоводные пруды и т.д. Способ утилизации ВЭР выбирают в зависимости от
требований потребителя в виде вторичной энергии.
Если на производстве имеются горючие отходы - топливные ВЭР, то
использовать их обычно не представляет труда. В крайнем случае, если не
удастся сжечь топливные ВЭР в обычных топках, создают специальные,
например топки с кипящим слоем для сжигания высокозольных твёрдых
остатков углеобогатительных фабрик.
7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 Виды вторичных энергоресурсов
Вторичные энергетические ресурсы могут использоваться либо
непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения
потребности в топливе и теплоте, либо с изменением энергоносителя путем
выработки тепловой энергии, электроэнергии, холода или механической работы
в утилизационных установках.
Принципиальная схема использования энергетических ресурсов и
распределения энергетических потоков при утилизации ВЭР показана на
рисунке 1.1. На схеме указаны названия отдельных потоков и даны сечения, по
которым определяются количественные значения этих показателей, причем
наименования справа относятся только к правому потоку, а наименования слева
— к обоим потокам.
При утилизации ВЭР следует различать следующие термины и понятия:
Выход ВЭР — количество ВЭР, образующихся в процессе производства в
данном технологическом агрегате за единицу времени.
Выработка за счет ВЭР — количество теплоты, холода, электроэнергии
или механической работы, получаемых за счет ВЭР в утилизационных
установках.
Различают возможную, экономически целесообразную, планируемую и
фактическую выработку.
Возможная выработка — максимальное количество теплоты, холода,
электроэнергии или механической работы, которые могут быть практически
получены за счет данного вида ВЭР с учетом режимов работы агрегатаисточника ВЭР и утилизационной установки.
Экономически целесообразная выработка — максимальное количество
теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, целесообразность
получения которых в утилизационной установке (в течение рассматриваемого
периода) подтверждается экономическими расчетами.
8
Для проектируемых установок экономически целесообразная выработка —
такое количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы,
получение которого за счет ВЭР и использование потребителями дает
наибольший экономический эффект.
Поскольку параметры утилизационных установок выбирают из условия их
наибольшей эффективности, то возможная выработка тепловой энергии в
данной утилизационной установке экономически целесообразна.
Планируемая выработка — количество теплоты, холода, электроэнергии
или механической работы, которое предполагается получить за счет ВЭР при
осуществлении плана развития данного производства, предприятия, отрасли в
рассматриваемый период с учетом ввода новых, модернизации действующих и
вывода устаревших утилизационных установок.
Фактическая выработка — фактически полученное количество теплоты,
холода, электроэнергии или механической работы на действующих
утилизационных установках за отчетный период.
Коэффициент выработки за счет ВЭР — отношение фактической
(планируемой) выработки к экономически целесообразной (возможной).
Коэффициент выработки может определяться для одного агрегатаисточника ВЭР, для группы однотипных агрегатов, для цеха, предприятия,
отрасли по каждому виду ВЭР.
Использование ВЭР — количество используемой у потребителей энергии,
вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках, а также топлива и
теплоты, получаемых непосредственно как ВЭР.
Использование ВЭР, как и выработка за счет ВЭР, могут быть
возможными, экономически целесообразными, планируемыми и фактическими
(рисунок 1.1).
При определении возможного и экономически целесообразного
использования ВЭР учитывают наличие технически разработанных и
проверенных методов и конструкций по утилизации ВЭР, наличие места для
размещения утилизационных установок, наличие потребителей энергии и пр.
9
При использовании ВЭР с преобразованием энергоносителя в
утилизационной установке возможное использование ВЭР равнозначно
возможной выработке за счет ВЭР и численно равно ей.
Экономия топлива за счет ВЭР — количество первичного топлива, которое
экономится за счет использования вторичных энергетических ресурсов.
Экономия топлива соответственно использованию ВЭР также может быть
возможной, экономически целесообразной, планируемой и фактической. По
величине экономии топлива осуществляют суммирование различных видов
ВЭР.
Коэффициент утилизации ВЭР — отношение фактической (планируемой)
экономии топлива за счет ВЭР к экономически целесообразной (возможной).
Коэффициент утилизации может определяться для одного агрегата-источника
ВЭР или для группы агрегатов, для предприятия, отрасли по каждому виду ВЭР
и суммарно — для всех видов ВЭР.
Вторичные энергетические ресурсы одной группы классифицируются
также по источникам их образования. Например, теплота уходящих газов
мартеновских печей, теплота уходящих газов нагревательных печей, теплота
уходящих газов трубчатых печей нефтепереработки и т.д.
В зависимости от видов и параметров ВЭР различают четыре основных
направления использования вторичных энергоресурсов:
- топливное — непосредственное использование горючих ВЭР в качестве
топлива;
- тепловое — использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве
ВЭР или вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках. К этому
направлению относится также выработка холода за счет ВЭР в абсорбционных
холодильных установках;
- силовое — использование механической или электрической энергии,
вырабатываемой в утилизационных установках (станциях) за счет вторичных
энергоресурсов;
10