Использование: энергетика, утилизация теплоты уходящих газов. Сущность изобретения: поток газов увлажняют путем его пропускания через пленку конденсата, сформированную на двухгранном дырчатом листе 4, где газы насыщаются водяными парами. В камере 2 над листом 4 происходит объемная конденсация водяных паров на пылевидных частицах и мельчайших капельках парогазового потока. Подготовленная парогазовая смесь охлаждается до температуры точки росы путем передачи тепла потока нагреваемой среды через стенку теплообменных элементов 8. Конденсат из потока выпадает на наклонные перегородки 5 с желобами 10 и далее поступает на лист 4 по сливной трубе 9. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области котельной техники, а более конкретно к сфере утилизации теплоты отходящих газов. Известен способ утилизации теплоты уходящих газов (СССР авт.св. N 1359556, МКИ F 22 В 33/18, 1986), являющийся ближайшим аналогом, при котором продукты сгорания последовательно принудительно увлажняются, сжимаются в компрессоре, охлаждаются до температуры ниже температуры точки росы совместно с конденсацией водяных паров при давлении выше атмосферного, сепарируются в сепараторе, расширяются с одновременным понижением температуры в турбодетандере и удаляются в атмосферу. Известен способ утилизации теплоты отходящих газов (ГДР, пат. N 156197, МКИ F 28 D 3/00, 1982) достигающийся противоточным движением в теплообменнике отходящих газов и промежуточной жидкой среды, нагревающейся до температуры больше температуры точки росы отходящих газов, которые охлаждаются до температуры ниже точки росы. Известен способ низкотемпературного нагрева с использованием высшей теплотворной способности топлива (ФРГ, заявка N OS 3151418, МКИ F 23 J 11/00, 1983), заключающийся в том, что в нагревательном устройстве сжигается топливо с образованием горячих газов, которые поступают в нагревательное устройство вперед и в сторону. На части тракта течения топливные газы направляются вниз с образованием конденсата. Топливные газы на выходе имеют температуру 40 45 o С. Известный способ позволяет производить охлаждение отходящих газов ниже температуры точки росы, что несколько повышает тепловую экономичность установки. Однако, при этом имеет место распыл конденсата через форсунки, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии на собственные нужды и увеличивает содержание водных паров в продуктах сгорания. Включение в схему компрессора и турбодетандера, осуществляющих, соответственно, сжатие и расширение продуктов сгорания, не дает повышения экономичности, и, кроме того, приводит к дополнительному расходу электроэнергии, связанному с потерями в компрессоре и турбодетандере. Задачей изобретения является интенсификация теплообмена при глубокой утилизации теплоты уходящих газов. Поставленная задача решается благодаря тому, что увлажнение газового потока осуществляют путем его пропускания через пленку конденсата с насыщением потока водяными парами с последующей конденсацией последних, а также выпадением конденсата на упомянутую пленку и стеканием неиспарившейся части. Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на чертеже, где: 1 сборник конденсата, 2 камера, 3 корпус, 4 двугранный неравносторонний наклонный дырчатый лист, 5 наклонные перегородки, 6 - суживающийся двумерный диффузор, 7 расширяющийся диффузор, 8 теплообменная поверхность, 9 сливная труба, 10 желоб, 11 сопрягаемая поверхность, 12 - сепаратор, 13 теплообменник перегрева, 14 дымосос, 15 дымовая труба, 16 гидрозатвор, 17 горизонтальная ось. Работа устройства по предлагаемому способу утилизации теплоты продуктов сгорания аналогична тепловой трубе атмосферного типа. Испарительная ее часть находится в нижней части камеры 2, из которой поднимается подготовленная парогазовая смесь, а конденсационная на теплообменных поверхностях 3, с которых по наклонным перегородкам 5 с желобами 10 через сливные трубы 9 конденсат стекает на двугранный неравносторонний дырчатый лист 4, а избыток - в сборник конденсата 1. Продукты сгорания, поступившие из теплообменника перегрева 13, барботируют пленку конденсата на двугранном неравностороннем наклонном дырчатом листе 4. Конденсат распыляется, нагревается и испаряется, а его излишек стекает в сборник конденсата 1. Дымовые газы насыщаются водяными парами при давлении, примерно равном атмосферному. Оно зависит от режима совместной работы вентилятора и дымососа 14. В камере 2 водяные пары находятся в пересыщенном состоянии, так как давление пара в газовой смеси больше давления насыщенного пара. Мельчайшие капельки, пылевидные частицы продуктов сгорания становятся центрами конденсации, на которых в камере 2 без теплообмена с окружающей средой идет процесс объемной конденсации водяных паров. Подготовленная парогазовая смесь конденсируется на теплообменных поверхностях 8. При температуре поверхности этих теплообменных элементов 8 существенно ниже температуры точки росы влагосодержание продуктов сгорания после утилизатора теплоты ниже исходного. Заключительной фазой этого непрерывного процесса является выпадение конденсата на наклонные перегородки 5 с жалобами 10 и его попадание на дырчатый лист 4 по сливной трубе 9. Подтверждением достижения поставленной задачи служит следующее: 1. Величина коэффициента теплопередачи увеличилась до 180 250 Вт/м 2 o C, что резко снижает площадь теплообменной поверхности и соответственно уменьшает массогабаритные показатели. 2. Уменьшение в 2,5 3 раза начального влагосодержания водяных паров в уходящих газах снижает интенсивность коррозионных процессов газового тракта и дымовой трубы. 3. Колебание нагрузки парогенератора не влияет на снижение эффективности котельной установки.

Формула изобретения

Способ утилизации теплоты уходящих газов, заключающийся в том, что поток газов увлажняют и охлаждают до температуры точки росы путем передачи тепла потока нагреваемой среде через стенку, отличающийся тем, что увлажнение газового потока осуществляют путем его пропускания через пленку конденсата с насыщением потока водяными парами с последующей конденсацией последних, а также выпадением конденсата на упомянутую пленку и стеканием неиспарившейся его части.

Предлагаю к рассмотрению деятельность по утилизации дымовых газов. Дымовые газы в избытке имеются в любом поселке и городе. Основная часть производителей дыма, это паровые и водогрейные котлы и двигатели внутреннего сгорания. Дымовые газы двигателей рассматривать в этой идее я не буду (хотя они тоже по составу подходят), а вот на дымовых газах котельных остановлюсь подробнее.

Проще всего использовать дым газовых котельных (промышленных или частных домов), это самый чистый вид дымового газа, в котором находится минимальное количество вредных примесей. Можно использовать и дым котельных сжигающих уголь или жидкое топливо, но в этом случае придется выполнять очистку дымовых газов от примесей (это не так сложно, но все-таки дополнительные затраты).

Основные компоненты дымового газа — азот, углекислый газ и водяной пар. Водяной пар никакой ценности не представляет и может быть легко удален из дымового газа соприкосновением газа с прохладной поверхностью. Оставшиеся компоненты цену уже имеют.

Газообразный азот применяется в пожаротушении, для перевозки и хранения легковоспламеняющихся и взрывчатых сред, как защитный газ для предохранения от окисления легкоокисляемых веществ и материалов, для предотвращения коррозии цистерн, продувки трубопроводов и емкостей, для создания инертных сред в силосных зернохранилищах. Азотная защита предотвращает рост бактерий, применяется для очистки сред от насекомых и микробов. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству повышающему срок хранения скоропортящихся продуктов. Широкое применение находит газообразный азот для получения из него жидкого азота.

Для получения азота достаточно отделить от дымового газа водяной пар и углекислый газ. Что касается следующего компонента дыма — углекислого газа (СО2, углекислота, диоксид углерода) то ассортимент его применения еще больше и цена на него значительно выше.

Предлагаю информацию о нем получить более полную. Обычно углекислый газ хранится в 40-литровых баллонах окрашенных в черный цвет с желтой надписью «углекислота». Более правильное название СО2, «двуокись углерода», но к названию «углекислота» все уже привыкли, оно за СО2 закрепилось и поэтому надпись «углекислота» на баллонах пока сохраняется. Находится углекислота в баллонах в жидком виде. Углекислота не имеет запаха, нетоксична, негорюча и невзрывоопасна. Является веществом, естественным образом, образующимся в организме человека. В выдыхаемом человеком воздухе ее содержится обычно 4,5%. Основное применение углекислота находит при газировании и реализации в розлив напитков, применяется в качестве защитного газа при проведении сварочных работ с использованием сварочных полуавтоматов, используется для повышения урожайности (в 2 раза) с/х культур в теплицах за счет увеличенияконцентрации СО2 в воздухе и увеличения (в 4-6 раз при насыщении углекислотой воды) производства микроводорослей при их искусственном выращивании, для сохранения и улучшения качества кормов и продуктов, для производства сухого льда и использования его в установках криобластинга (очистка поверхностей от загрязнений) и для получения низких температур при хранении и транспортировке пищевых продуктов и т.д.

Углекислота является всюду востребованным товаром и потребность в ней постоянно увеличивается. В домашнем и малом бизнесе получать углекислоту можно извлечением ее из дымового газа на углекислотных установках малой производительности. Лицам имеющим отношение к технике несложно изготовить такую установку самостоятельно. При соблюдении норм технологического процесса, качество получаемой углекислоты соответствует всем требованиям ГОСТ 8050-85.
Углекислоту можно получать как из дымовых газов котельных (или отопительных котлов частных домовладений) так и способом специального сжигания топлива в самой установке.

Теперь экономическая сторона дела. Установка может работать на любом виде топлива. При сжигании топлива (специально для получения углекислоты), выделяется следующее количество СО2:
природный газ (метан) – 1,9 кг СО2 от сжигания 1 куб. м газа;
каменный уголь, разных месторождений – 2,1- 2,7 кг СО2 от сжигания 1 кг топлива;
пропан, бутан, дизтопливо, мазут — 3,0 кг СО2 от сжигания 1 кг топлива.

Полностью всю выделяемую углекислоту извлечь не удастся, а до 90% (можно достичь и 95% извлечения) вполне возможно. Стандартное наполнение 40-литрового баллона 24-25 кг, поэтому можно самостоятельно посчитать удельный расход топлива для получения одного баллона углекислоты.

Он не такой уж большой, например, в случае получения углекислоты от сжигания природного газа достаточно сжигать 15 м3 газа.

По самому высокому тарифу (г.Москва) это 60 руб. на 40-литр. баллон углекислоты. В случае извлечения СО2 из дымовых газов котельных себестоимость получения углекислоты снижается, так как снижаются затраты на топливо и прибыль с установки увеличивается. Установка может работать круглосуточно, в автоматическом режиме с минимальным привлечением человека к процессу получения углекислоты. Производительность установки зависит от количества содержащегося СО2 в дымовом газе, конструкции установки и может достигать 25 баллонов углекислоты в сутки и более.

Цена 1 баллона углекислоты в большинстве регионов России превышает 500 рублей (декабрь 2008 г.) Месячная выручка от реализации углекислоты в этом случае достигает: 500 руб./бал. х 25 бал./сут. х 30 сут. = 375 000 руб. Выделяемое при сжигании тепло можно использовать одновременно для отопления помещений, и нерационального использования топлива в этом случае не будет. При этом следует иметь ввиду, что экологическая обстановка по месту извлечения углекислоты из дымовых газов только улучшается, так как выбросы СО2 в атмосферу снижаются.

Неплохо себя рекомендует и способ извлечения углекислоты из дымовых газов получаемых от сжигания древесных отходов (отходы лесозаготовки и деревопереработки, столярных цехов и проч.). В этом случае та же самая углекислотная установка дополняется древесным газогенератором (заводского или самостоятельного изготовления) для получения древесногенераторного газа. Древесные отходы (чурки, щепа, стружки, опилки и т.п.) 1-2 раза в сутки засыпаются в бункер газогенератора, в остальном работа установки происходит в том же режиме, как и в вышеприведенном.
Выход углекислоты из 1 тонны древесных отходов составляет 66 баллонов. Выручка с одной тонны отходов составляет (при цене баллона углекислоты 500 руб.): 500 руб./бал. х 66 бал. = 33 000 руб.

При средней величине древесных отходов с одного деревоперерабатывающего цеха в 0,5 тонны отходов в сутки, выручка от реализации углекислоты может достигать 500 тыс. руб. в месяц, а в случае привоза отходов и с других деревоперерабатывающих и столярных цехов выручка становится еще больше.

Возможен вариант получения углекислоты и от сжигания автомобильных покрышек, что также только на пользу нашей экологии.

В случае производства углекислоты в количестве большем, чем может ее потребить местный рынок сбыта, произведенную углекислоту можно самостоятельно использовать для других видов деятельности, а также перерабатывать ее в другие химвещества и реактивы (например, по несложной технологии в экологически чистые углеродсодержащие удобрения, разрыхлители теста и проч.) вплоть до получения из углекислоты автомобильного бензина.

Описание:

Брянские тепловые сети совместно с проектным институтом ООО «ВКТИстройдормаш-Проект» разработали, изготовили и внедрили в двух котельных г. Брянска установки утилизации тепла дымовых газов (УУТГ), отходящих от водогрейных котлов

Установка утилизации тепла дымовых газов

Н. Ф. Свиридов , Р. Н. Свиридов , Брянские тепловые сети,

И. Н. Ивуков , Б. Л. Терк , ООО «ВКТИстройдормаш-Проект»

Брянские тепловые сети совместно с проектным институтом ООО «ВКТИстройдормаш-Проект» разработали, изготовили и внедрили в двух котельных г. Брянска установки утилизации тепла дымовых газов (УУТГ), отходящих от водогрейных котлов.

В результате указанного внедрения получено следующее:

Дополнительные капитальные вложения на 1 Гкал/ч получаемого тепла более чем в 2 раза ниже в сравнении, если бы строилась новая котельная, и окупаются приблизительно за 0,6 года;

Ввиду того, что используемое оборудование чрезвычайно простое в обслуживании и используется бесплатный теплоноситель, т. е. дымовой газ (ДГ), ранее выбрасывавшийся в атмосферу, стоимость 1 Гкал тепла оказывается в 8–10 раз ниже стоимости тепла, вырабатываемого котельными;

Коэффициент полезного действия котлов повышен на 10%.

Так, все затраты в ценах марта 2002 года на внедрение первой УУТГ мощностью 1 Гкал тепла в час составили 830 тыс. руб., а ожидаемая экономия в год составит 1,5 млн руб.

Такие высокие технико-экономические показатели объяснимы.

Существует мнение, что коэффициент полезного действия лучших отечественных котлов тепловой мощностью от 0,5 МВт и выше достигает 93%. В действительности он не превышает 83% и вот почему.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания топлива. Низшая теплота сгорания меньше высшей на то количество тепла, которое затрачивается на испарение воды, образующейся при сгорании топлива, а также влаги, содержащейся в нем. Пример для наиболее дешевого топлива – природного газа: в ДГ, образуемых при его сжигании, содержатся пары воды, занимающие в их объеме до 19%; высшая теплота его сгорания превышает низшую ориентировочно на 10%.

Для повышения работоспособности дымовых труб, через которые ДГ выбрасываются в атмосферу, необходимо, чтобы пары воды, находящиеся в ДГ, не начали конденсироваться в дымовых трубах при самых низких температурах окружающей среды.

Проектами УУТГ реанимированы и улучшены давно забытые технические решения, направленные на утилизацию тепла ДГ.

УУТГ содержит контактный и пластинчатый теплообменники с двумя самостоятельными контурами оборотной и расходной воды.

Устройство и работа УУТГ ясны из приведенной на рисунке схемы и описания ее позиций.

В контактном теплообменнике в вертикальном противотоке движутся ДГ и распыленная оборотная вода, т. е. ДГ и вода напрямую контактируют друг с другом. Для поддержания равномерного распыления оборотной воды используются форсунки и специальная керамическая насадка.

Нагретая оборотная вода, перекачиваемая в своем водном контуре самостоятельным насосом, отдает тепло, приобретенное в контактном теплообменнике, расходной воде в пластинчатом теплообменнике.

Для требуемого охлаждения оборотной воды должна быть использована только холодная водопроводная вода, которая после нагрева в УУТГ доводится до кондиционной температуры в бойлерах существующих котельных и используется далее для горячего водоснабжения жилья.

В контактном теплообменнике охлажденные ДГ дополнительно проходят каплеуловитель и, потеряв в итоге более 70% влаги в виде конденсата паров воды, соединяются с частью горячих ДГ (10–20% от объема ДГ, отходящих от котла), направленных сразу от котла в дымовую трубу, образуя при этом смесь ДГ с низким влагосодержанием и с температурой, достаточной для прохождения дымовой трубы без конденсации остатка паров воды.

Объем оборотной воды непрерывно увеличивается за счет конденсата паров воды, находившихся в ДГ. Образуемый излишек автоматически сливается через вентиль с электромеханическим приводом и может с подготовкой использоваться в качестве дополнительной воды в отопительной системе котельной. Удельный расход сливаемой воды на 1 Гкал утилизированного тепла составляет около 1,2 т. Слив конденсата контролируется уровнемерами В и Н.

Описанный способ и оборудование утилизации тепла ДГ способны работать с чистыми от пыли продуктами сжигания топлива, имеющими не ограниченную по максимуму температуру. При этом чем выше будет температура дымового газа, тем до более высокой температуры будет нагреваться расходная вода. Более того, в этом случае есть возможность оборотную воду частично использовать на нагрев отопительной воды. Учитывая то, что контактный теплообменник одновременно работает как мокрый уловитель пыли, можно практически утилизировать тепло запыленных ДГ, очищая оборотную воду известными способами от пыли перед подачей ее в пластинчатый теплообменник. Есть возможность нейтрализовать оборотную воду, загрязненную химическими соединениями. Поэтому описанную УУТГ можно использовать для работы с ДГ, участвовавшими в технологических процессах при плавке (например, мартеновские, стекловаренные печи), при прокалке (например, кирпича, керамики), при нагреве (слитков перед прокаткой) и т. д.

К сожалению, в России отсутствуют стимулы, побуждающие заниматься энергосбережением.

Система конденсации уходящих дымовых газов позволяет получить и рекуперировать большое количество тепловой энергии, содержащейся во влажном уходящем дымовом газе котла, который обычно выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу.

Система рекуперации тепла/конденсации уходящих дымовых газов позволяет увеличить на 6 - 35% (в зависимости от типа сжигаемого топлива и параметров установки) отпуск тепла потребителям или снизить потребления природного газа на 6-35%

Основные преимущества:

• Экономия топлива (природный газ) - такая же или увеличенная тепловая нагрузка котла при меньшем объеме сжигания топлива
• Снижение выбросов - CO2, NOx и SOx (при сжигании угля или жидкого топлива)
• Получение конденсата для системы подпитки котла

Принцип работы:

Система рекуперации тепла/конденсации уходящих дымовых газов может работать в две ступени: с использованием или без использования системы увлажнения воздуха, подающегося на горелки котла. Если необходимо, то устанавливается скруббер перед системой конденсации.

В конденсаторе уходящие дымовые газы охлаждаютя с помощью воды обратки теплосети. При снижении температуры уходящих дымовых газов происходит конденсация большого количества водяных паров, содержащихся в уходящем газе. Тепловая энергия конденсации паров используется для нагрева обратки теплосети.

Дальнейшее охлаждение газа и конденсация водяных паров происходит в увлажнителе. Охлаждающей средой в увлажнителе является дутьевой воздух, подаваемый на горелки котла. Так как дутьевой воздух нагревается в увлажнителе, а теплый конденсат впрыскивается в поток воздуха перед горелками - таким образом происходит дополнительный испаренительный процесс в уходящем дымовом газе котла.

Дутьевой воздух, подаваемый на горелки котла содержит повышенное количество тепловой энергии ввиду повышенной температуры и влажности.

Это приводит к увеличению количества энергии в уходящем дымовом газе поступающем в конденсатор, что в свою очередь приводит к более эффективному использованию тепла системой централизованного теплоснабжения.

В установке конденсации уходящих дымовых газов также получают конденсат, который, в зависимости от состава уходящих дымовых газов, будет доочищен перед подачей его в систему котла.

Экономический эффект.

Сравнение тепловой мощности при условиях:

1. Без конденсации
2. Конденсация дымовых газов
3. Конденсация вместе с увлажнением воздуха подаваемого для горени

Системаконденсации уходящих дымовых газов позволяет существующей котельной:

• Увеличить выроботку тепла на 6,8% или
• Уменьшить потребление газа на 6,8%, а так же увеличить доходы от продажи квот на СО,NO
• Размер инвестиций около 1 млн. евро (для котельной мощностью 20 МВт)
• Срок окупаемости 1-2 года.

Экономия в зависимости от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе:

В.С.Галустов, д.т.н., профессор, генеральный директор ГП НПО «Политехника»
Л.А.Розенберг, инженер, директор УП «Юмиран».

Введение.

С дымовыми газами различного происхождения в атмосферу выбрасываются тысячи и тысячи Гкал теплоты, а также тысячи тонн газообразных и твёрдых загрязнителей, водяного пара. В настоящей статье остановимся на проблеме утилизации теплоты (об очистке газовых выбросов поговорим в следующем сообщении). Наиболее глубокое использование теплоты сжигания топлива осуществляется в теплоэнергетических котлах, для чего в большинстве случаев в их хвостовой части предусматриваются экономайзеры. Температура дымовых газов после них порядка 130—190°С, т.е. близка к температуре точки росы паров кислот, которая при наличии в топливе сернистых соединений является нижним пределом. При сжигании природного газа указанное ограничение менее существенно.

Дымовые газы после различного рода печей могут иметь значительно более высокую температуру (до 300-500°С и выше). В этом случае утилизация теплоты (и охлаждение газов) просто обязательна, хоть бы для ограничения теплового загрязнения окружающей среды.

Теплоутилизаторы.

Ещё в первом сообщении мы ограничили круг наших интересов процессами и аппаратами с непосредственным контактом фаз, однако для полноты картины вспомним и оценим также и другие варианты. Все известные теплоутилизаторы можно разделить на контактные, поверхностные, а также устройства с промежуточным теплоносителем. На первых мы подробнее остановимся ниже. Поверхностные теплоутилизаторы — это традиционные калориферы, которые размещаются непосредственно в газоходе после печи (котла) и имеют серьёзные недостатки, ограничивающие их применение. Во-первых, они вносят значительное аэродинамическое сопротивление в газовый тракт и ухудшают работу печей (снижается разряжение) с проектным дымососом, а его замена на более мощный может не компенсировать сопровождающих затрат экономией теплоты. Во-вторых, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к поверхности трубок обусловливают большие значения необходимой поверхности контакта.

Аппараты с промежуточным теплоносителем бывают двух типов: периодического действия с твёрдым теплоносителем и непрерывного — с жидким. Первые представляют собой минимум две колонны, заполненные, например, дроблёным гранитом (насадкой). Дымовые газы проходят через одну из колонн, отдавая теплоту насадке, нагревают её до температуры, несколько ниже температуры газов. Затем дымовые газы переключаются на вторую колонну, а в первую подаётся нагреваемая среда (обычно подаваемый в ту же печь воздух, или воздух системы воздушного отопления) и т.д. Недостатки такой схемы очевидны (большое сопротивление, громоздкость, нестабильность температур и т.п.), а её применение весьма ограничено.

Аппараты с жидким промежуточным теплоносителем (обычно это вода) получили название контактных теплообменников с активной насадкой (КТАН) , а авторы после незначительного усовершенствования назвали их теплообменными аппаратами с насыщенным теплоносителем и конденсацией (ТАНТЕК). В обоих случаях нагреваемая дымовыми газами вода затем отдаёт полученную теплоту через стенку поверхностного встроенного теплообменника чистой воде (например, системы отопления). По сравнению с калориферами сопротивление таких утилизаторов значительно ниже, а в части теплообмена в системе дымовые газы — вода полностью аналогичны интересующим нас прямоточно-распылительным аппаратам. Однако есть и существенные отличия, о которых скажем ниже.

Разработчики аппаратов КТАН и ТАНТЕК не рассматривают в своих публикациях особенности теплопереноса при непосредственном контакте дымовых газов и воды, поэтому остановимся на них несколько подробнее.

Основные процессы в системе дымовые газы — вода.

Результат взаимодействия нагретых дымовых газов (по составу и свойствам это фактически влажный воздух) и воды (в виде капель того или иного размера), которую назовём теплоаккумулирующей средой (она может использоваться в качестве основного или промежуточного теплоносителя), определяется целым комплексом процессов.

Одновременно с нагреванием может происходить конденсация влаги на поверхности капель или испарение. Фактически возможны три варианта взаимного направления потоков теплоты и влаги (теплопередачи и массопередачи), которые зависят от соотношения температур фаз и соотношения парциальных давлений пара в пограничном слое (возле капли) и в ядре газового потока (рис. 1а).

При этом первый (верхний) случай, когда потоки теплоты и влаги направлены от капель к газу, соответствует испарительному охлаждению воды; второй (средний) — нагреванию капель при одновременном испарении влаги с их поверхности; третий (нижний) вариант, по которому теплота и влага направлены от газа к каплям, отражает нагревание воды с конденсацией паров. (Казалось бы, что должен существовать и четвёртый вариант, когда охлаждение капель и нагревание газа сопровождаются конденсацией влаги, однако на практике это не встречается.)

Все описанные процессы наглядно можно представить на диаграмме состояния влажного воздуха Рамзина (Н — х диаграмме, рис. 1б).

Уже из сказанного можно сделать вывод, что наиболее желателен третий вариант, но чтобы понять, как его обеспечить, необходимо дополнительно к изложенному в напомнить:

— количество водяных паров, содержащихся в 1 м3 влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Водяной пар занимает весь объём смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна плотности водяного пара (в данных условиях) рп

— при насыщении воздуха паром наступает момент, когда начинается конденсация, т.е. достигается предельно возможное содержание пара в воздухе при данной температуре, что соответствует плотности насыщенного водяного пара рн;

— отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м3 воздуха при данном давлении и температуре называется относительной влажностью воздуха ф;

— количество водяного пара в кг, приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха х;

— влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией / (теплосодержанием), являющейся функцией температуры и влагосодержания воздуха и равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара . В наиболее удобном для применения на практике виде формулу для расчёта энтальпии можно представить

I= (1000 + 1,97 . 103х) t+ 2493 . . 103х Дж/кг сухого воздуха, где 1000 — удельная теплоёмкость сухого воздуха, Дж/кг*град); 1,97*103 — удельная теплоёмкость пара, Дж/(кг*град); 2493*103 — постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при 0°С; t— температура воздуха, °С;

I = 0,24t + (595 + 0,47t) Xккал/кг сухого воздуха; где 595 — постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при 0°С; 0,24 — удельная теплоёмкость сухого воздуха, ккал/(кгтрад); 0,47 — теплоёмкость пара, ккал/(кгтрад);

— при охлаждении воздуха (в условиях постоянного влагосодержания) относительная влажность будет возрастать до тех пор, пока не достигнет 100%. Соответствующая этому температура называется температурой точки росы. Её значение определяется исключительно влагосодержанием воздуха. На диаграмме Рамзина это точка пересечения вертикальной прямой х = const с линией ф = 1.

Охлаждение воздуха ниже точки росы сопровождается конденсацией влаги, т.е. осушкой воздуха.

Некоторую путаницу вносят издания, приводящие значения точки росы для различных твёрдых и жидких топлив порядка 130-150°С. Надо иметь в виду, что это касается начала конденсации паров серной и сернистой кислот (обозначим eetpK), а не водяного пара (tp), о котором мы говорили выше. Для последнего температура точки росы значительно ниже (40-50°С).

Итак, три величины — расход, температура и влагосодержание (либо температура мокрого термометра) — в полной мере характеризуют дымовые газы как источник вторичных энергоресурсов.

При контакте воды с горячими газами первоначально происходит процесс нагревания жидкости и конденсации паров на поверхности холодных капель (соответствует 3-му варианту на рис. 1а) до тех пор, пока не будет достигнута температура, соответствующая точке росы для газа, т.е. граница перехода ко второму режиму (3-й вариант на рис. 1а). Далее, по мере нагревания воды и роста парциального давления пара у поверхности капель, количество теплоты, передаваемой им за счёт теплоотдачи Q1 будет уменьшаться, а количество теплоты, передаваемой от капель к дымовым газам за счёт испарения Q2, — возрастать. Продолжаться это будет до достижения равновесия (Q1= Q2), когда вся теплота, получаемая водой от дымового газа, будет возвращаться газу в виде теплоты испарения жидкости. После этого дальнейшее нагревание жидкости невозможно, и происходит её испарение при постоянной температуре. Достигаемая при этом температура называется температурой мокрого термометра tM(на практике определяют как температуру, показываемую термометром, шарик которого покрыт влажной тканью, с которой происходит испарение влаги).

Таким образом, если в утилизатор подавать воду с температурой, равной (или большей) tM, то будет наблюдаться адиабатическое (при постоянном теплосодержании) охлаждение газов и никакой теплоутилизации не будет (не считая негативных последствий — потерь воды и увлажнения газов).

Процесс становится более сложным, если учесть, что состав капель полидисперсный (обусловлен механизмами распада жидкостей при распылении). Мелкие капли мгновенно достигают tMи начинают испарятся, изменяя параметры газа в сторону увеличения влагосодержания, средние — могут находиться между tpи tM, а крупные — ниже tp, т.е.

нагреваются и конденсируют влагу. Всё это протекает одновременно при отсутствии чётких границ.

Всесторонне проанализировать результаты непосредственного контакта капель теплоаккумулирующей среды и горячих дымовых газов возможно только на основе математической модели, учитывающей весь комплекс явлений (одновременно протекающие тепло- и массоперенос, изменения параметров сред, аэродинамической обстановки, полидисперсный состав капельного потока и т.д.).

Описание модели и результатов анализа на её основе приведено в монографии , к которой мы и рекомендуем обратиться заинтересованному читателю. Здесь отметим лишь главное.

Для большинства дымовых газов температура мокрого термометра находится в пределах 45-55°С, т.е. вода в зоне непосредственного контакта с дымовыми газами, как отмечалось выше, может быть нагрета только до указанной температуры, хотя и с достаточно глубокой теплоутилизацией. Предварительное же увлажнение газов, как это предусматривается конструкцией ТАНТЕК, не только не приводит к увеличению количества утилизируемой теплоты, а даже к его снижению.

И, наконец, следует учитывать, что при утилизации теплоты даже из газов, не содержащих сернистые соединения, охлаждать их ниже 80°С не следует (затрудняется их эвакуация в окружающую среду через газоход и дымовую трубу).

Поясним сказанное на конкретном примере. Пусть дымовые газы после котла в количестве 5000 кг/ч, имеющие температуру 130°С и влагосодержание 0,05 кг/кг, контактируют с теплоутилизирующей средой (водой, tH= 15°С). Из Н—х диаграммы находим: tM= 49,5°С; tp= 40°С; I = 64 ккал/кг. Расчёты по модели показали, что при охлаждении газов до 80°С полидисперсным потоком капель со средним диаметром 480 мкм, влагосодержание фактически остаётся неизменным (испарение мелких капель компенсируется конденсацией на крупных), tMстановится равной 45°С, а теплосодержание I = 50 ккал/кг. Таким образом, утилизируется 0,07 Гкал/ч теплоты, а теплоаккумулирующая среда в количестве 2,5 м3/ч нагревается с 15 до 45°С.

Если же использовать ТАНТЕК и предварительно провести увлажнение — адиабатическое охлаждение газов до t- 100°С, а далее охлаждать до 80°С при X = const, то конечные параметры газа будут: tM = 48°С; I = 61,5°С. И хотя вода нагреется несколько выше (до 48°С), количество утилизируемой теплоты уменьшается в 4 раза и составит 0,0175 Гкал/ч.

Варианты организации утилизации теплоты.

Решение конкретной задачи утилизации теплоты дымовых газов зависит от ряда факторов, в том числе от наличия загрязняющих веществ (определяется видом сжигаемого топлива и объектом нагревания дымовыми газами), наличием потребителя теплоты или непосредственно горячей воды и т.д.

На первом этапе следует определить количество теплоты, которое в принципе может быть извлечено из имеющихся дымовых газов, и оценить экономическую целесообразность теплоутилизации, так как капитальные затраты на неё не пропорциональны количеству утилизируемой теплоты.

Если ответ на первый вопрос положительный, то следует оценить возможность использования умеренно нагретой воды (например, при сжигании природного газа направить её на подготовку подпиточной воды котлов или теплосети, а при загрязнении пылевыми частицами целевого продукта использовать на приготовление сырьевой массы, например в производстве керамических изделий и т.п.). Если вода слишком загрязнена, можно предусмотреть двухконтурную систему или теплоутилизацию сочетать с очисткой дымовых газов (получить более высокие (выше 45-5СРС) температуры или поверхностную ступень).

Вариантов организации процесса утилизации теплоты много. От выбора оптимального решения зависит экономическая эффективность мероприятия.

Литература:

1. Галустов B.C. Тепломассообменные процессы и аппараты с непосредственным контактом фаз в теплоэнергетике // Энергия и менеджмент.— 2003.— № 4.

2. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике.— М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Суханов В.И. и др. Установки утилизации тепла и очистки дымовых газов паровых и водогрейных котлов.— М.: АКВА-ТЕРМ, июль 2001.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.— М.: Госхимиздат, 1962.—С.736-738.