Технические средства утилизации тепла

 

Одним из основных элементов утилизационных систем является теплообменное устройство, которое позволяет эффективно отбирать теплоту вторичных энергетических ресурсов технологических и энергетических процессов. В зависимости от параметров теплоты и вида теплоносителя в утилизационной системе используют теплообменники различных типов.

Наиболее широко применяются поверхностные теплообменники, в которых обменивающиеся среды разделены теплообменной поверхностью. Эта аппаратура и ее применение описаны в технической литературе.

Теплоутилизаторы с применением тепловых труб. Тепловая труба представляет собой закрытую трубу или камеру самой разнообразной формы, внутренняя поверхность которой выложена капиллярно-пористым фитилем. Фитиль насыщен жидкой фазой рабочего вещества (теплоносителем), а остальной объем трубы заполнен паровой фазой теплоносителя. Зона тепловой трубы, куда подводится тепло, называется испарителем, а зона отвода тепла – конденсатором. Теплота, поступающая от внешнего источника к испарителю тепловой трубы, вызывает испарение теплоносителя на этом участке трубы. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя к конденсатору, где конденсируется, отдавая теплоту парообразования внешнему нагреваемому потоку. В результате постоянного испарения количество жидкости в фитиле уменьшается, и поверхность раздела фаз жидкость-пар сдвигается внутрь его объема. При этом в фитиле возникает капиллярное давление, под воздействием которого жидкость из зоны конденсации возвращается в зону испарения. Таким образом, в тепловой трубе теплота парообразования непрерывно переносится из зоны испарения в зону конденсации при постоянно смоченном фитиле.

Термосифон. Термосифон представляет собой герметичную гладкостенную трубу, частично заполненную жидкостью (теплоносителем). При нагреве нижнего конца трубы жидкость испаряется, и пар направляется к верхнему холодному концу трубы, где конденсируются. Конденсат под действием гравитационных сил стекает к нижнему концу трубы. В результате постоянного испарения и конденсации теплота переносится от первичного источника к потребителю тепла. Иногда термосифон называют безфитильной тепловой трубой.

Контактные (распылительные) и контактно-поверхностные теплоутилизаторы применяются, главным образом, для нагрева воды за счет использования тепла горячих отходящих газовых потоков. В контактных теплообменниках вода превращается в дисперсную фазу, и за счет значительного роста поверхности контакта создаются условия для эффективного охлаждения газов и нагрева воды. По сути дела- это распылительные абсорберы.

Контактно-поверхностные теплоутилизаторы. Это обычные насадочные аппараты.

 

 

Тепловой насос (парокомпрессионного типа).

Установка относится к техническим средствам, с помощью которых можно использовать низкопотенциальное тепло вторичных энергоресурсов. Схема установки приведена на рис. 15.

Рис. 15 Схема теплового насоса

1. Компрессор; 2- конденсатор; 3- дроссель 4 – испаритель

– поток носителя, потенциал энергии которого необходимо повысить;

– поток носителя с повышенным потенциалом.

В замкнутом контуре теплового насоса циркулирует рабочий агент (например – хладон, фреон, аммиак). Температура кипения рабочего тела при атмосферном давлении ниже 0 ^оС, обычно в пределах (-60 - -20) ^оС. Компрессор, потребляя энергию извне, обеспечивает циркуляцию агента по контуру. В испарителе 4 рабочий агент испаряется, отбирая тепло от внешнего потока ; в конденсаторе конденсируется, отдавая теплоту внешнему потоку . Назначение дросселя –сброс давления и сжижение паров рабочего тела. Схема может работать для производства холода (оборудование 1, 3, 4), либо для подъема потенциала (тогда работают все 4). Для того чтобы схема работала, надо подводить энергию к компрессору.

Тепловой баланс теплового насоса (без учета потерь):

_{. (87)}

Эффективность трансформации энергии при применении теплового насоса определяется коэффициентом преобразования, который независимо от эффективности самого теплового насоса всегда больше единицы:

 

, . (88)

 

Установка работает следующим образом. В испаритель поступает вторичный энергоноситель. Испаритель нагревает его до температуры кипения и испаряет. Образовавшиеся пары попадают в компрессор, где их сжимают, и они нагреваются. Сжатый газ поступает в дроссель, в котором расширяется до атмосферного давления и охлаждается. Газы конденсируются,образуя жидкость. Жидкость поступает в испаритель, в котором принимает тепло от низкотемпературного тела (поток 1), и испаряется. Образовавшиеся пары поступают в компрессор. Цикл повторяется. Для того чтобы схема заработала, надо подводить энергию на компрессор.

Потенциальная энергия возрастает потому, что при сжатии паров возрастает давление и, следовательно, возрастает температура конденсации и повышается потенциал носителя тепла q_m2 по сравнению потенциалом носителя q_m1.

Коэффициент преобразования как идеального, так и реального теплового насоса выражается через температуры процесса следующим образом:

, (89)

где Т_к, Т_и – температуры конденсации и кипения в конденсаторе и испарителе теплового насоса, соответственно; ­^оК

Количество тепловой энергии, воспринимаемое хладоном в испарителе:

 

(90)

 

Количество испарившегося в аппарате хладона:

(91)

В компрессоре осуществляется адиабатическое сжатие хладона от давления начального p₁ до давления p₂, обеспечивающего нагрев паров до температуры T _. Энергия, затрачиваемая на сжатие в компрессоре:

 

. (92)

Температура газов в конце адиабатического сжатия:

. (93)

Количество тепла, отдаваемое парами хладона в конденсаторе:

. (94)

Количество воды, нагреваемое в конденсаторе от температуры до температуры :

. (95)

Определим эксергетический к.п.д. установки:

. (96)

Эксергия потоков, поступающих на установку:

. (97)

Эксергия потоков, уходящих с установки:

. (98)

После подстановки значений эксергий потоков и преобразования, получим:

 

. (99)

Построить диаграмму Гроссмана - Шаргута