Рекуператор принцип работы: Рекуператор: устройство, принцип работы, применение, виды

Содержание

особенности, принцип работы, разновидности. Установка, минусы и плюсы

Вопросы энергоэффективности жилых домов, коммерческих и промышленных объектов являются одними из наиболее актуальных в современной климатической инженерии. Снижение расходов на отопление или охлаждение помещений достигается с помощью самых разных инструментов. К числу устройств, которые повышают эффективность использования тепловой энергии, относится рекуператор воздуха. Он представляет собой теплообменник специальной конструкции, совмещенный с системой вентиляции. Его устанавливают в жилых помещениях, производственных цехах, больницах, на транспортных средствах и других объектах.

Конструкция и принцип действия

Система для рекуперации воздушных масс состоит из двух частей. Через первую отводится воздух из помещения, а через вторую производится нагнетание свежего уличного воздуха. Внутри рекуператора между этими потоками происходит обмен теплом. В летнее время воздух из помещений охлаждает приточные воздушные массы, а в зимнее – наоборот, нагревает. Это позволяет снижать нагрузку на системы отопления и кондиционирования, обеспечивать экономию электроэнергии, поддерживать в помещении комфортный и здоровый микроклимат.

В большинстве моделей рекуператоров реализована система автоматизированного управления. Она обеспечивает оптимальный режим работы без вмешательства человека. Также многие разновидности устройств оснащаются фильтрами. Благодаря этому оборудование не только подогревает или охлаждает поступающий с улицы воздух, но и очищает его от пыли и аллергенов.

Виды устройств

роторные. Их конструкция включает вращающийся элемент – барабан. Он изготавливается из алюминиевой фольги, которая отличается очень высокой теплопроводностью. Частота вращения ротора контролируется электроникой и определяется перепадом температур воздуха внутри и снаружи помещения. КПД устройства составляет до 87 %;
пластинчатые. Наиболее простой и популярный вид рекуператоров. Оборудование не имеет подвижных частей, не потребляет энергию и практически не ломается. К недостаткам пластинчатой конструкции относится сравнительно невысокий КПД (65 %), возможность замерзания зимой, отсутствие влагообмена;
рециркуляционные водяные. В таких рекуператорах теплообмен осуществляется с помощью воды. Поскольку исходящий и входящий потоки воздуха отделены друг от друга, происходит только передача тепла между ними, без обмена влажностью. Коэффициент полезного действия находится в пределах 40-70 %;

камерные. Оборудование этого типа имеет камеру с особой заслонкой. В нее поступает теплый воздух из помещения и нагревает ее стенки, после чего отводится наружу. Затем заслонка разворачивается и в камеру поступает холодный уличный воздух. Он нагревается от стенок и подается в помещение. КПД устройства может составлять до 80 %.

Плюсы и минусы

К преимуществам рекуператоров относится сокращение расходов на отопление и кондиционирование до 30-50 %, постоянная работа вентиляции, которая позволяет удалять избыточную влажность, неприятные запахи, углекислый газ, а также дает возможность полностью заменить естественное проветривание. При использовании фильтра обеспечивается эффективная очистка свежего воздуха и защита вентиляционного оборудования от загрязнений.

Есть у оборудования и определенные недостатки. Это шум при работе, необходимость периодической очистки каналов. Также нужно отметить необходимость больших разовых финансовых вложений. Правда, эти расходы довольно быстро окупаются.

Критерии выбора рекуператора

При покупке устройства нужно учитывать:

климатические условия. Например, пластинчатые модели хорошо подходят для умеренного климата;
собственное потребление электроэнергии;
класс воздушного фильтра. Модели G3 обеспечивают очистку только от крупных механических частиц. Самый высокий класс – F7 очищает воздух даже от мелкой пыли;
размер помещения;
способ управления (автоматический или ручной).

Также большое значение имеет фирма-производитель рекуператора. Предпочтение необходимо отдавать продукции проверенных компаний, которые изготавливают оборудование из качественных коррозионно-стойких материалов.

устройство и принцип работы теплообменника, известные модели, плюсы и минусы агрегата

Регенеративный теплообменник с непрерывным переключением теплоносителей называют роторным рекуператором. Агрегат широко применяется в системах приточно-вытяжной вентиляции. В нем тепло передается от нагретого воздуха холодному через вращающийся ротор, который состоит из набора тонких пластин. Агрегаты используются также в больших котлах для утилизации тепла дымовых газов. Такие устройства называются роторными теплоутилизаторами.

Содержание

Устройство агрегата
Корпус и опциональное оборудование
Принцип действия
Популярные модели
Достоинства и недостатки устройства

Устройство агрегата

Роторный теплообменник состоит из ротора, корпуса и привода. Ротор, или аккумулирующая тепловая емкость, представляет собой два вида металлической фольги, гофрированной и гладкой, намотанных друг на друга. Внутри ротора расположены треугольные или коаксиальные каналы. Толщина фольги колеблется от 60 до 120 мкм. По своему назначению роторы разделяются на следующие виды:

конденсационный;
энтальпийный;
сорбционный.

Конденсационный ротор изготавливается из алюминия высокого качества. Энтальпийный прибор

отличается покрытием, изготовленным из специального вещества, способного накапливать тепловую энергию.

Сорбционный ротор покрывают обычно силикагелем для передачи влаги, что позволяет проводить газообразную передачу без конденсата. Роторы небольшого диаметра крепятся на двойных спицах, которые привариваются или прикручиваются к нему.

Агрегаты большого диаметра изготавливают из сегментов, что позволяет продлить срок их службы. Роторный теплообменник вращается внутри корпуса, изготовленного из алюминиевого листа. Сам ротор крепится на ступице. Она расположена на двух подшипниках, закрепленных в корпусе, а ось соединяется с поперечными траверсами корпуса.

Такой крепеж дает следующие преимущества:

1. Подшипники защищены от грязи и занимают немного места.
2. Упорные кольца позволяют быстро проводить демонтаж оборудования.
3. Подшипники расположены в одной детали, что гарантирует их длительную работу.

В зависимости от размеров ротора существуют разные конструкции оборудования.

Корпус и опциональное оборудование

В роторах диаметром до 2620 мм несущие детали корпуса изготовлены из листовой стали. Обычно сталь покрывают сплавом алюминия или цинка для увеличения срока службы. Чтобы получить меньшие размеры ротора, используют профильный алюминий, который позволяет ускорить монтаж оборудования, что особенно важно для сегментных деталей.

Профильный корпус не может превышать в высоту и ширину более 4,2 м. Если требуется установка более мощной конструкции, то прибегают к использованию сварочного аппарата. Для вентиляции корпус выполняется с открытыми сторонами, что облегчает техническое обслуживание агрегата.

Радиальное и поперечное уплотнение предотвращает утечку воздуха. На корпусах из листовой стали монтируются пружины с нулевой жесткостью, которые прижимают к нему скользящие сальники.

В профильном корпусе уплотнение по периметру прижимается двойными пружинами, которые герметизируют ротор. Его вращение обеспечивают электродвигатель и ремень. Существует несколько видов подключения двигателя.

Для постоянного вращения ротора достаточно включить или выключить электрический мотор, поэтому регулировка мощности оборудования невозможна. Но существуют двигатели с регулировкой через блок управления. Для этого используют преобразователь частоты и блок регулировки числа оборотов.

Принцип действия

Принцип работы роторного рекуператора воздуха основан на передаче тепла от выходящих потоков к входящим из внешней среды.

Свежий воздух попадает между пластинами ротора, нагревается и под воздействием аккумулированного тепла поступает в пространство помещения. Объем входящего и исходящего воздуха соответствует размерам и мощности агрегата.

Обмен тепла зависит от взаимодействия вращающихся пластин с поступающим воздухом. Аппарат работает от электросети. Настройка электропривода позволяет прибору работать в определенном скоростном режиме. При работе теплообменника оба потока воздуха не смешиваются между собой, только влияют друг на друга.

Из-за разницы температуры входящего и исходящего воздуха происходит теплообмен. При этом действии холодный воздух нагревается, а горячий остывает. В отличие от пластинчатых рекуператоров, в роторных механизмах происходит частичное смешивание обеих частей воздуха.

Непосредственно передача тепла происходит во время вращения ротора, когда его лопасти отдают тепло восходящим потокам. Производительность процесса зависит от скорости вращения, которая поддается регулировке. В такой конструкции технически невозможно предотвратить смешивание поступающего и выходящего воздуха.

В отличие от пластинчатых механизмов вращающиеся рекуператоры требуют частого технического обслуживания. Такие механизмы пользуются наибольшей популярностью, так как в них возврат тепла составляет почти 90%.

Коммерческие устройства утилизации тепла

Коммерческие устройства рекуперации отработанного тепла

Рекуператоры

В рекуператоре происходит теплообмен между дымовыми газами и воздух через металлические или керамические стены. Воздуховоды или трубки несут воздух для предварительного нагрева горения другая сторона содержит отработанное тепло транслировать. Показан рекуператор для утилизации отработанного тепла дымовых газов. на рисунке 8.1.

Простейшая конфигурация рекуператора – металлическое излучение рекуператор, который состоит из двух концентрических отрезков металлических труб как показано на рисунке 8.2. Внутренняя труба несет горячие выхлопные газы, в то время как внешнее кольцо переносит воздух для горения из атмосферы в воздухозаборники горелок топки. Горячие газы охлаждаются поступающий воздух для горения, который теперь несет дополнительную энергию в горение камера. Это энергия, которая не должна поставляться с топливом; следовательно, при данной загрузке печи сжигается меньше топлива.

Рисунок 8.2. Металлический рекуператор излучения

Экономия топлива также означает уменьшение количества воздуха для горения и, следовательно, потери дымовых газов уменьшаются не только за счет снижения температуры дымовых газов но и путем выпуска меньшего количества выхлопных газов. Радиация рекуператор получил свое название из-за того, что значительная часть теплопередача от горячих газов к поверхности внутренней трубы происходит за счет лучистого переноса тепла. Холодный воздух в однолетниках, однако, почти прозрачен для инфракрасного излучения, так что только конвекционное тепло передача происходит в поступающий воздух. Как показано на схеме, два газовых потока обычно параллельны, хотя конфигурация была бы проще и теплообмен эффективнее, если бы потоки были встречными по направлению (или противотоку). Причина использования параллельного потока заключается в том, что рекуператоры часто выполняют дополнительную функцию охлаждения воздуховод, уносящий выхлопные газы и, следовательно, расширяющий его срок службы.

Вторая распространенная конфигурация рекуператоров называется трубчатой. или конвективный рекуператор.

Горячие газы проходят через ряд параллельных отверстий малого диаметра трубы, а поступающий на подогрев воздух поступает в оболочку, окружающую трубы и проходит над горячими трубами один или несколько раз в направлении нормально к своим осям

Если трубы снабжены перегородкой, позволяющей газу пройти через них дважды, теплообменник называется двухходовым рекуператором; если используются две перегородки, трехходовой рекуператор и т. д. теплообменника и падение давления в тракте воздуха для горения, это повышает эффективность теплообмена. Рекуператоры кожухотрубного типа как правило, более компактны и имеют более высокую эффективность, чем излучение рекуператоры из-за большей площади теплопередачи, которая стала возможной благодаря использование нескольких трубок и многократных проходов газов.

Радиационно-конвективный гибридный рекуператор:

Для максимальной эффективности теплопередачи, комбинации излучения используются конвективные конструкции, с рекуператором высокотемпературного излучения за ним следует конвекционный тип.

Они дороже, чем простые металлические рекуператоры радиации, но менее громоздки. Показан конвективно-радиационный гибридный рекуператор. на рис. 8.4

Керамический рекуператор

Принципиальное ограничение на рекуперацию тепла металлических рекуператоров – снижение ресурса футеровки при температурах на входе более 1100°С. Чтобы преодолеть температурные ограничения металлических рекуператоров, разработаны керамические трубчатые рекуператоры, материалы которых позволяют эксплуатировать на стороне газа до 1550°C и на стороне предварительно нагретого воздуха до 815°C на более-менее практическую основу. Ранние керамические рекуператоры были построены из плитка и соединены с печным цементом, а термоциклирование вызвало растрескивание стыков и быстрого износа труб. Представлены более поздние разработки различные виды коротких трубок из карбида кремния, которые можно соединить гибкими уплотнения, расположенные в воздуховодах.

В более ранних конструкциях степень утечки составляла от 8 до 60 процентов. Сообщается, что новые конструкции прослужат два года при температуре предварительного нагрева воздуха. до 700°C, с гораздо более низким уровнем утечки.

Регенератор

Регенерация, предпочтительная для больших мощностей, была очень широко используется в стекольных и сталеплавильных печах. Существуют важные отношения между размером регенератора, временем между реверсами, толщиной кирпича, проводимость кирпича и коэффициент накопления тепла кирпича.

В регенераторе важным аспектом является время между реверсами. Длительные периоды будут означать более высокий запас тепла и, следовательно, более высокую стоимость. Кроме того, длительные периоды реверсирования приводят к более низкой средней температуре предварительного нагрева. и, следовательно, снизить расход топлива. (См. рис. 8.5).

Накопление пыли и шлака на поверхностях снижает эффективность теплопередачи по мере старения печи. Потери тепла от стенки регенератора и воздух в неплотностях в газовый период и утечках в воздушный период также снижает теплоотдачу.

Тепловые колеса

Тепловое колесо находит все большее применение при низких и средних температурах системы рекуперации отработанного тепла. Рисунок 8.6 представляет собой эскиз, иллюстрирующий приложение. теплового колеса.

Это большой пористый диск, изготовленный из материала, имеющего довольно высокая теплоемкость, которая вращается между двумя рядом расположенными воздуховодами: один канал холодного газа, другой канал горячего газа. Ось диска расположена параллельно и на перегородке между двумя воздуховодами. Как диск медленно вращается, явное тепло (влага, содержащая скрытое тепло) переносится на диск горячим воздухом и, по мере вращения диска, от диск на холодный воздух. Общая эффективность явного теплообмена для этого типа регенератора может достигать 85 процентов. Тепловые колеса были построены диаметром 21 метр с пропускной способностью воздуха до 1130 м3/мин.

Разновидностью теплового колеса является роторный регенератор, в котором матрица находится в цилиндре, вращающемся поперек потоков отработавших газов и воздуха. Жара или колесо рекуперации энергии представляет собой вращающийся газовый регенератор тепла, который может передавать тепла от выхлопных газов к входящим газам. Основная сфера его применения там, где теплообмен между большими массами воздуха, имеющими малую разницу температур требуется. Системы отопления и вентиляции и рекуперация тепла от осушитель отработанного воздуха является типичным применением.

Тепловая трубка

Тепловая трубка может передавать в 100 раз больше тепловой энергии, чем медь, самый известный дирижер. Другими словами, тепловая труба – это тепловая энергия. поглощающей и передающей системы и не имеют движущихся частей и, следовательно, требуют минимальное техническое обслуживание.

Тепловая трубка состоит из трех элементов – герметичного контейнера, капилляра. фитильная структура и рабочая жидкость. Капиллярная структура фитиля интегрально встроен во внутреннюю поверхность трубки контейнера и запаян под вакуумом. Тепловая энергия, приложенная к внешней поверхности нагревателя труба находится в равновесии с собственным паром, так как трубка контейнера герметизирована под вакуумом. Тепловая энергия, приложенная к внешней поверхности нагревателя труба вызывает мгновенное испарение рабочей жидкости у поверхности. Образующийся при этом пар поглощает скрытую теплоту парообразования, и эта часть тепловой трубы становится областью испарения. Затем пар проходит на другой конец трубы, где тепловая энергия удаляется, вызывая пар снова конденсируется в жидкость, тем самым освобождая латентное тепло конденсации. Эта часть тепловой трубы работает как конденсатор. область, край. Конденсированная жидкость затем течет обратно в область испарения. Изображение тепловой трубы показано на рис. 8.7

Производительность и преимущества

Теплообменник с тепловыми трубками (HPHE) представляет собой легкий компактный рекуператор тепла. система. Практически не требует механического обслуживания, т.к. нет движущихся частей, которые могут изнашиваться. Для его работы не требуется входная мощность и свободен от охлаждающей воды и систем смазки. Это также снижает потребность вентилятора в лошадиных силах и увеличивает общую тепловую эффективность системы. Системы рекуперации тепла с тепловыми трубками способны работать при 315°С. с рекуперацией тепла от 60% до 80%.

Типичное применение

Тепловые трубы используются в следующих промышленных целях:

От процесса к отоплению помещений: теплообменник с тепловыми трубками передает тепловая энергия от технологических выхлопов для отопления здания. при необходимости можно смешать подогретый воздух. Требование дополнительных нагревательное оборудование для подачи нагретого подпиточного воздуха резко сокращается или устранены.
От процесса к процессу: теплообменники с тепловыми трубками утилизируют отходы тепловую энергию от технологического выхлопа и передать эту энергию поступающий технологический воздух. Таким образом, поступающий воздух нагревается и может использоваться для того же процесса/других процессов и снижает энергопотребление процесса потребление.
Области применения HVAC:

Охлаждение: теплообменники с тепловыми трубками предварительно охлаждают состав здания. воздуха летом и, таким образом, снижает общее количество тонн холода, кроме от эксплуатационной экономии системы охлаждения. Тепловая энергия подача рекуперируется из холодного выхлопа и передается на горячий подача подпиточного воздуха.

Обогрев: зимой описанный выше процесс выполняется в обратном порядке для предварительного нагрева. макияж воздуха.

Другие применения в промышленности:

Подогрев воздуха для горения котла
Утилизация отработанного тепла печей
Подогрев свежего воздуха для осушителей горячим воздухом
Утилизация отработанного тепла каталитического дезодорирующего оборудования
Повторное использование отработанного тепла печи в качестве источника тепла для другой печи
Охлаждение закрытых помещений наружным воздухом
Предварительный подогрев питательной воды котла с рекуперацией тепла дымовых газов газов в экономайзерах с тепловыми трубками.
Печи для сушки, соления и обжига
Утилизация отработанного пара
Печи для обжига кирпича (вторичное восстановление)
Отражательные печи (вторичная регенерация)
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Экономайзер

В случае котельной системы может быть предусмотрен экономайзер для использования теплота дымовых газов для предварительного нагрева питательной воды котла. С другой стороны, в воздухоподогревателе отработанное тепло используется для нагрева воздуха для горения. В В обоих случаях происходит соответствующее снижение потребности в топливе. котла. Экономайзер показан на рис. 8.8.

За каждые 220°C снижения температуры дымовых газов за счет прохождения через экономайзер или предпусковой подогреватель, экономия топлива в котле 1%. Другими словами, на каждые 60°C повышения температуры питательной воды на экономайзер, или повышение температуры воздуха для горения на 200°С за счет предпусковой подогреватель, экономия топлива в котле 1%.

Кожухотрубный теплообменник:

Когда среда, содержащая отходящее тепло, представляет собой жидкость или пар, которые нагревают другую жидкость, то необходимо использовать кожухотрубный теплообменник, т.к. оба пути должны быть закрыты, чтобы сдерживать давление соответствующих жидкости. Оболочка содержит пучок труб и, как правило, внутренние перегородки. для направления жидкости в оболочке по трубкам в несколько проходов. оболочка по своей природе слабее, чем трубы, поэтому более высокое давление жидкость циркулирует в трубках, в то время как жидкость с более низким давлением течет через оболочку. Когда пар содержит отработанное тепло, он обычно конденсируется, отдавая свою скрытую теплоту нагреваемой жидкости. В этом приложении пар почти всегда содержится внутри оболочки. Если наоборот попытка конденсации паров в пределах малого диаметра параллельно трубы вызывают нестабильность потока. Доступны трубчатые и кожухотрубные теплообменники. в широком диапазоне стандартных размеров с множеством комбинаций материалов для труб и оболочек. Изображен кожухотрубный теплообменник. на рисунке 8.9.

Рисунок 8.9 Кожухотрубный теплообменник

Типичные области применения кожухотрубных теплообменников включают отопление жидкости с теплотой, содержащейся в конденсатах от охлаждения и системы кондиционирования воздуха; конденсат технологического пара; охлаждающие жидкости от топочные дверцы, решетки и опоры для труб; охлаждающие жидкости двигателей, воздушных компрессоров, подшипники и смазочные материалы; и конденсаты процессов дистилляции.

Пластинчатый теплообменник

Стоимость поверхностей теплообмена является основным фактором затрат, когда температура отличия не большие. Одним из способов решения этой проблемы является пластина тип теплообменника, который состоит из ряда отдельных параллельных пластин образуя тонкий проход. Каждая пластина отделена от следующей прокладками и горячий поток проходит параллельно через альтернативные пластины, в то время как нагреваемая жидкость проходит параллельно между горячими пластинами. К для улучшения теплоотдачи пластины имеют гофрирование.

Горячая жидкость, проходящая через нижнее отверстие в головке, может проходят вверх между каждой второй пластиной, в то время как холодная жидкость находится в верхней части головке разрешается проходить вниз между нечетными пластинами. Когда направления горячих и холодных жидкостей противоположны, расположение описано как противоток. Пластинчатый теплообменник показан на рис. 8.10.

Типичные промышленные применения:

Участок пастеризации на заводе по упаковке молока.
Выпарные установки в пищевой промышленности.

Теплообменник с вращающейся катушкой

Принципиально аналогичен теплообменнику с тепловыми трубками. Жара из горячей жидкости передается в более холодную жидкость через промежуточный жидкость, известная как теплоноситель. Один виток этого замкнутого контура установлен в горячем потоке, а другой в холодном потоке. Тираж этой жидкости поддерживается с помощью циркуляционного насоса.

Это более полезно, когда горячая земля, холодные жидкости расположены далеко друг от друга и труднодоступны.

Типичными промышленными применениями являются рекуперация тепла от вентиляции, кондиционирование воздуха и низкотемпературная рекуперация тепла.

Котлы-утилизаторы

Котлы-утилизаторы – это обычно водотрубные котлы, в которых выхлопные газы газовых турбин, мусоросжигательных заводов и т. д. проходят через ряд параллельных трубок с водой. Вода испаряется в трубках и собирается в паровой барабан, из которого отводится для использования в качестве обогревателя. или технологический пар.

Поскольку выхлопные газы обычно имеют среднюю температуру а в целях экономии места можно изготовить более компактный котел если водяные трубы оребрены для увеличения эффективной теплоотдачи переходная зона на стороне газа. На рисунке 8.11 показан грязевой барабан, комплект труб, по которым горячие газы проходят дважды, и паровой барабан который собирает пар, образующийся над поверхностью воды. Давление при которой вырабатывается пар и скорость производства пара зависит на температуру сбросного тепла. Давление чистого пара в наличие его жидкости зависит от температуры жидкости из которого испаряется. Таблицы пара табулируют это отношение между давлением насыщения и температурой. Если отработанное тепло в выхлопных газов недостаточно для создания необходимого количества технологических паровые, вспомогательные горелки, которые сжигают топливо в котле-утилизаторе или добавлены дожигатели в дымоходе. Котлы-утилизаторы встроенные емкости от 25 м3 почти 30 000 м3/мин. выхлопных газов.

Типичным применением котлов-утилизаторов является рекуперация энергии из выхлопы газовых турбин, поршневых двигателей, мусоросжигательных заводов и печи.

Тепловые насосы:

В различных коммерческих вариантах, обсуждавшихся ранее, мы находим отходы передача тепла от горячей жидкости к жидкости с более низкой температурой. Тепло должно течь самопроизвольно «вниз», то есть из системы, находящейся на высокой температуры к единице при более низкой температуре. Когда энергия многократно передается или трансформируясь, он становится все менее и менее доступным для использования. В конце концов что энергия имеет такую низкую интенсивность (находится в среде при такой низкой температуре) что он больше не доступен для выполнения полезной функции.

Это было принято в качестве общего практического правила в промышленных операциях. что жидкости с температурой ниже 120°С (а лучше 150°С для обеспечения безопасный запас), в качестве предела для рекуперации отработанного тепла из-за риска конденсация агрессивных жидкостей. Однако, поскольку стоимость топлива продолжает расти подъем, даже такое отработанное тепло может быть экономично использовано для обогрева помещений. и другие низкотемпературные приложения. Можно обратить вспять направление спонтанного потока энергии с помощью термодинамической системы известный как тепловой насос.

Большинство тепловых насосов работают по принципу сжатия пара. цикл. В этом цикле циркулирующее вещество физически разделяется от источника (утилизированное тепло, с температурой Tin) и потребителя (тепло для использования в процессе, Tout) потоков, и повторно используется в циклическом моды, поэтому называется «замкнутый цикл». В тепловом насосе происходит следующее. происходят процессы:

В испарителе тепло извлекается из источника тепла в кипятить циркулирующее вещество;
Циркулирующее вещество сжимается компрессором, поднимая его давление и температура; Низкотемпературный пар сжимается компрессором, который требует внешней работы. Работа, выполненная на пар повышает свое давление и температуру до уровня, при котором его энергия становится доступным для использования
Тепло подается в конденсатор;
Давление циркулирующего вещества (рабочей жидкости) снижено вернуться к состоянию испарителя в дроссельном клапане, где цикл повторяется.

Тепловой насос был разработан как система отопления помещений, где низкая температура энергия из окружающего воздуха, воды или земли передается в систему отопления температуры, выполняя работу сжатия с помощью компрессора с электродвигателем. Устройство теплового насоса показано на рисунке 8.12.

Тепловые насосы способны повышать тепло до значения, превышающего в два раза больше энергии, потребляемой устройством. Потенциал для применения тепловых насосов растет, и многие отрасли получили выгоду от утилизация низкопотенциального сбросного тепла путем его модернизации и использования в основном технологический поток.

Применение тепловых насосов наиболее перспективно, когда и отопление, и Возможности охлаждения можно использовать в комбинации. Один такой пример этого это завод по производству пластмасс, где охлажденная вода от тепла используется для охлаждения машины для литья под давлением, в то время как тепловая мощность теплового насоса Используется для обогрева фабрики или офиса. Другие примеры теплового насоса установка включает сушку продукта, поддержание сухой атмосферы для хранения и осушение сжатого воздуха.

Термокомпрессор :

Во многих случаях пар очень низкого давления повторно используется в качестве воды после конденсации. из-за отсутствия лучшего варианта повторного использования. Во многих случаях становится возможным сжимать этот пар низкого давления паром очень высокого давления и повторно использовать это пар среднего давления. Основная энергия пара находится в его скрытой теплотворной способности и, таким образом, термосжатие дало бы значительное улучшение рекуперация отработанного тепла.

Термокомпрессор представляет собой простое оборудование с насадкой, в которой пар ВД ускоряется в высокоскоростную жидкость. Это увлекает пар НД передачей импульса, а затем повторно сжимается в расходящейся трубке Вентури. Фигура термокомпрессора показан на рис. 8.13.

Обычно используется в испарителях, где кипящий пар рекомпрессируется. и используется в качестве греющего пара.

Рисунок 8.13 Термокомпрессор

Теплообменник прямого контакта:

Пар низкого давления может также использоваться для предварительного нагрева питательной воды или некоторых другая жидкость, где допустима смешиваемость. Этот принцип используется в Теплообменник с прямым контактом и находит широкое применение в парогенерирующих установках. станция. По сути, они состоят из нескольких лотков, установленных один над другой или упакованные кровати. Пар подается под насадку, в то время как сверху брызжет холодная вода. Пар полностью конденсируется в поступающая вода нагревает ее. Фигура теплоты прямого контакта теплообменник показан на рис. 8.14. Типичное применение в деаэраторе парогенераторной станции.

Утилизаторы отходящего тепла – IspatGuru

Устройства утилизаторы отработанного тепла

satyendra
19 июня 2017
0 комментариев

Утилизаторы отработанного тепла

Промышленные печи используются для выполнения определенных процессов, требующих тепла. Тепло в печи обеспечивается за счет (i) энергии топлива, (ii) химической энергии, (iii) электрической энергии или (iv) комбинации этих энергий. Газы, которые образуются во время процесса, выходят из печи при температуре, которая является внутренней температурой печи, и, следовательно, имеют высокое содержание явного тепла. Иногда выхлопные газы несут некоторую химическую энергию, которая еще больше повышает температуру выхлопных газов из-за дожигания из-за этой химической энергии. Тепловая энергия, содержащаяся в выхлопных газах, является отработанной энергией, поскольку она сбрасывается в окружающую среду. Однако часть этой энергии можно рекуперировать, если вложить средства в устройства утилизации отработанного тепла (WHRD).

Методы рекуперации отработанного тепла включают (i) передачу тепла между выхлопными газами и воздухом для горения для его предварительного нагрева, (ii) передачу тепла на вход печи, (iii) выработку пара и электроэнергии, или (iv) использование отходов тепло с тепловым насосом для обогрева или охлаждения помещений.

WHRD работают по принципу теплообмена. В процессе теплообмена тепловая энергия выхлопных газов передается другой текучей среде. Этот теплообмен снижает температуру выхлопных газов и одновременно повышает температуру текучей среды. Нагретая текучая среда либо возвращается в процесс, либо используется для производства некоторых коммунальных услуг, таких как пар, электроэнергия и т. д.

Преимущества устройств WHRD многочисленны, а именно: (i) экономичность, (ii) экономия ресурсов (топлива) и (iii) экологичность. Преимущества этих устройств включают (i) экономию топлива, (ii) производство электроэнергии и механической работы, (iii) снижение потребности в охлаждении, (iv) снижение капитальных затрат в случае нового объекта, (v) увеличение производства, ( vi) сокращение выбросов парниковых газов и (vii) преобразование тепла в полезные формы энергии.

Теплообменники чаще всего используются для передачи тепла от выхлопных газов горения воздуху горения, поступающему в топку. Поскольку подогретый воздух для горения поступает в топку с более высокой температурой, топливо должно выделять меньше энергии. Типичные WHRDS, используемые для предварительного нагрева воздуха, включают рекуператоры, печные регенераторы, рекуперативные и регенеративные горелки, пассивные подогреватели воздуха, кожухотрубные теплообменники, ребристые трубчатые теплообменники или экономайзеры, роторный регенератор или тепловое колесо, предварительный нагрев загрузки, котлы-утилизаторы и теплогенераторы. насосы.

Рекуператоры

В рекуператоре происходит прямая передача тепла. Две жидкости (выхлопные газы и воздух для горения) разделены поверхностью теплопередачи и не смешиваются. Теплообмен между выхлопными газами и воздухом происходит через металлические или керамические стенки. Воздуховод или трубы несут воздух для горения, который необходимо предварительно нагреть, а другая сторона содержит поток отработанного тепла.

Рекуператоры обычно утилизируют тепло от выхлопных газов печи со средней или высокой температурой и передают его поступающему воздуху для горения. Рекуператоры можно разделить на категории по относительному направлению потока газа, например, (i) «в прямоточных теплообменниках», где оба газа текут в одном и том же общем направлении, (ii) «в противоточных теплообменниках», где оба газа текут в в противоположных направлениях или (iii) «в поперечном потоке», когда газы текут под прямым углом друг к другу. Противоточные теплообменники имеют наибольшую эффективность, а прямоточные теплообменники имеют наименьшую эффективность.

Рекуператоры могут быть основаны на принципе передачи тепла излучением, конвекцией или их комбинациями. Рекуператоры изготавливаются из металлических или керамических материалов. Металлические рекуператоры используются в приложениях с температурами ниже 1050 ° C, в то время как рекуперация тепла при более высоких температурах лучше подходит для рекуператоров с керамическими трубами, которые могут работать при температуре горячей стороны до 1500 ° C и температуре холодной стороны около 950 ° C. принцип рекуперации и различные типы рекуператоров показаны на рис. 1.

Рис. 1 Принцип рекуперации и различные типы рекуператоров

Наиболее простой конструкцией рекуператора является металлический радиационный рекуператор. Он состоит из двух концентрических металлических трубок. Горячие отработанные выхлопные газы проходят через внутреннюю трубу, и теплопередача в основном излучается на стену и на холодный входящий воздух во внешней оболочке. Затем подогретый воздух кожуха поступает к горелкам печи. Рекуператор излучения получил свое название из-за того, что значительная часть теплопередачи от горячих газов к поверхности внутренней трубы происходит за счет лучистого теплообмена. Однако холодный воздух во внешней оболочке почти прозрачен для инфракрасного излучения, так что передача тепла поступающему воздуху происходит только за счет конвекции. Два газовых потока обычно параллельны, хотя конфигурация была бы проще, а передача тепла более эффективной, если бы потоки были противоположными по направлению (или встречными потоками). Причина использования параллельного потока заключается в том, что рекуператоры часто выполняют дополнительную функцию охлаждения канала, отводящего отработанные газы, и, следовательно, продлевают срок его службы.

Вторым распространенным типом рекуператора является рекуператор конвективного или трубчатого типа. В этом типе рекуператора горячие выхлопные газы проходят через ряд параллельных труб малого диаметра, содержащихся в большей оболочке, в то время как поступающий нагреваемый воздух входит в оболочку и проходит над горячими трубами один или несколько раз в перпендикулярном направлении. к осям трубок. Поступающий воздух для горения, как правило, рассеивается вокруг труб, забирая тепло от отработавших газов. Если трубы снабжены перегородками, позволяющими газу проходить по ним дважды, рекуператор называется двухходовым рекуператором, а если используются две перегородки, — трехходовым рекуператором. Хотя перегородки увеличивают как стоимость теплообменника, так и падение давления в тракте воздуха для горения, они повышают эффективность теплообмена. Кожухотрубные рекуператоры, как правило, более компактны и имеют более высокую эффективность, чем радиационные рекуператоры, из-за большей площади теплопередачи, которая стала возможной благодаря использованию нескольких труб и многократных проходов газов.

Для максимальной эффективности теплопередачи используются комбинации радиационной и конвективной конструкции. Рекуператор включает секцию излучения, за которой следует секция конвекции, чтобы максимизировать эффективность теплопередачи. Они дороже, чем простые металлические рекуператоры излучения, но менее громоздки.

Керамический рекуператор обычно используется для преодоления основного ограничения металлических рекуператоров, заключающегося в сокращении срока службы при температуре на входе более 1100°С. Керамические трубчатые рекуператоры допускают работу на газовой стороне при температуре 1550°С и на подогретом воздухе стороне при 810°С на более или менее практической основе. Керамические рекуператоры состоят из коротких карбидокремниевых трубок, соединенных гибкими уплотнениями, расположенными в воздуховодах.

Регенераторы

Регенераторы обычно используются для печей большой емкости. Регенераторы состоят из двух кирпичных «шашечных» камер, через которые попеременно проходит горячий и холодный воздух. По мере того, как дымовые газы проходят через одну камеру, кирпичи поглощают тепло дымовых газов, и происходит повышение их температуры. После того, как кирпичи наберут тепло, поток затем меняет направление, так что поступающий воздух для горения проходит через горячую насадку, которая передает тепло воздуху для горения, поступающему в печь.

Используются как минимум две камеры, так что одна из них поглощает тепло от выхлопных газов, а другая передает тепло воздуху для горения. Направление воздушного потока изменяется примерно через фиксированный интервал времени.

Существуют важные взаимосвязи между размером регенератора, временем между реверсами, толщиной кирпича, проводимостью кирпича и коэффициентом накопления тепла кирпичом. Время между реверсами является важным аспектом регенератора. Длительные периоды означают более высокое накопление тепла и, следовательно, более высокую стоимость. Кроме того, длительные периоды реверсирования приводят к более низкой средней температуре предварительного подогрева и, следовательно, к снижению экономии топлива.

Регенераторы особенно подходят для высокотемпературных применений с грязными выхлопными газами. Основными недостатками являются его большие размеры и капитальные затраты, которые значительно превышают затраты на рекуператоры. Другими недостатками регенератора являются скопление пыли и шлаков на поверхностях, что снижает эффективность теплообмена. Потери тепла со стенок регенератора и воздуха в неплотности газового периода и утечки в воздушный период также снижают эффективность теплообмена. Регенераторы вместе с печью показаны на рис. 2.

Рис. 2 Регенераторы с печью

Регенеративные и рекуперативные горелки

Регенеративная горелка, необходимая для сжига топлива на горелке. Использование регенеративных горелок для нагревательных печей может обеспечить значительную экономию энергии.

Регенеративные горелки предназначены для рекуперации тепла приточного воздуха путем передачи тепла от выхлопных газов впускному воздуху, который используется для сжигания. Регенеративная горелка состоит из двух комплектов горелок, каждая с регенератором и реверсивным клапаном. В регенераторе для сбора тепла используются керамические (обычно глиноземные) шарики. Пока работает первая регенеративная горелка, вторая отводит топочные газы. Выхлопной газ проходит через корпус регенеративной горелки и передает тепло керамическим шарикам. Следовательно, тепло от выхлопных газов передается впускному воздуху, так как он проходит через нагретые керамические шарики. Реверсивный клапан задает направление потока воздуха, поступающего в головку горелки, что делает температуру входящего воздуха близкой к рабочей температуре. Благодаря высокой температуре предварительного подогрева воздуха для горения регенеративная горелка позволяет экономить топливо и делает процесс горения высокоэффективным.

В случае рекуперативной горелки конструкция горелки аналогична трубе радиационного теплообменника, которая нагревает входящий воздух до более высокой температуры (около 750°С) за счет рекуперации тепла от выхлопных газов во впускной воздух. Следовательно, обмен тепла в горелке может повысить эффективность сгорания и сэкономить стоимость топлива примерно на 25–30 %.

В случае регенеративной горелки первая горелка находится в режиме розжига, а вторая горелка в режиме отвода газов. Первая горелка зажигается теплым воздухом для горения, обдувающим ее горелку. Вторая горелка принимает горячий выхлопной газ из топки на свои керамические шары, чтобы сохранить тепло в горелке. Только после передачи тепла выхлопные газы выделяются. По прошествии периода от полминуты до одной минуты вторая горелка переключается в режим пожаротушения, а первая горелка начинает получать горячий выхлопной газ. Режим розжига и приема горелки работает попеременно и непрерывно до остановки нагревательной печи. Высокая температура предварительно нагретого воздуха делает процесс горения очень эффективным.

В случае рекуперативной горелки температура приточного воздуха предварительно нагревается перед сжиганием в топке методом теплообмена. Отходящий газ проходит через горелку, снабженную теплообменником, установленным внутри горелки. Тепло от выхлопных газов передается входящему воздуху до того, как он выйдет из горелки. Выхлопные газы проходят через пространство вокруг горелки снаружи, и происходит теплообмен внутри горелки.

Сечения рекуперативной и регенеративной горелок показаны на рис. 3

Рис. 3. Поперечные сечения рекуперативных и регенеративных горелок

Пассивные подогреватели воздуха

Пассивные подогреватели воздуха представляют собой устройства рекуперации тепла от газа к газу для применений с низкими и средними температурами, где требуется перекрестное загрязнение между газовыми потоками быть предотвращено. Пассивные предварительные нагреватели обычно бывают двух типов, а именно (i) пластинчатого типа и (ii) типа тепловых трубок. Подогреватель пластинчатого типа состоит из нескольких параллельных пластин, которые создают отдельные каналы для потоков горячего и холодного газа. Горячие и холодные потоки чередуются между пластинами и обеспечивают значительные площади для теплообмена. Теплообменник с тепловыми трубками состоит из нескольких труб с запаянными концами. Каждая труба имеет структуру капиллярного фитиля, облегчающую движение рабочей жидкости между горячим и холодным концами трубы. Горячие газы проходят через один конец тепловой трубы, вызывая испарение рабочей жидкости внутри трубы. Градиенты давления вдоль трубы заставляют горячий пар двигаться к другому концу трубы, где пар конденсируется и передает тепло холодному газу. Затем конденсат возвращается на горячую сторону трубы за счет капиллярного действия. Пластинчатый подогреватель пассивного типа показан на рис. 4.9.0003

Рис. 4 Пластинчатый пассивный подогреватель

Кожухотрубные теплообменники

По конструкции они аналогичны конвективным рекуператорам, но представляют собой теплообменники жидкость-жидкость. Кожухотрубный теплообменник обычно используется, когда среда, содержащая отходящее тепло, представляет собой жидкость или пар, нагревающий другую жидкость. Это связано с тем, что оба пути должны быть герметизированы, чтобы сдерживать давление соответствующих жидкостей. Оболочка содержит пучок труб и, как правило, внутренние перегородки для направления жидкости в оболочке по трубам за несколько проходов. Перегородки обычно устанавливаются параллельно оси кожуха, создавая боковой поток по всей длине кожуха. Оболочка по своей природе слабее трубки, поэтому жидкость с более высоким давлением циркулирует в трубках, а жидкость с более низким давлением течет через оболочку. Когда пар содержит отработанное тепло, он обычно конденсируется, отдавая свою скрытую теплоту нагреваемой жидкости. В этом применении пар почти всегда содержится внутри оболочки. При попытке наоборот конденсация паров в параллельных трубах малого диаметра вызывает нестабильность потока. Трубчатые и кожухотрубные теплообменники доступны в широком диапазоне стандартных размеров с множеством комбинаций материалов для трубок и кожухов. На рис. 5 показаны типичные кожухотрубные теплообменники без перегородок и с перегородками.

Рис. 5 Типовые кожухотрубные теплообменники без и с перегородками

Ребристый трубчатый теплообменник или экономайзер нагревательные жидкости . Области применения включают в себя предварительный подогрев питательной воды котла, предварительный подогрев воздуха и т. д. Ребристая труба состоит из круглой трубы с прикрепленными ребрами, которые увеличивают площадь поверхности и скорость теплопередачи. Жидкость или воздух течет по трубкам и получает тепло от горячих выхлопных газов, протекающих по трубкам. Теплообменник с ребристыми трубами, в котором выхлопные газы котла используются для предварительного нагрева питательной воды, обычно называют экономайзером котла.

В котельных установках обычно предусмотрен экономайзер для использования тепла выхлопных газов для предварительного нагрева питательной воды котла. С другой стороны, в воздухоподогревателе отработанное тепло используется для нагрева воздуха для горения. В обоих случаях происходит соответствующее снижение потребности в топливе. Ребристый трубчатый теплообменник парового котла показан на рис. 6.

Рис. 6 Оребренный трубчатый теплообменник парового котла

Роторный регенератор или тепловое колесо

Вращающийся регенератор аналогичен стационарному регенератору, так как передача тепла облегчается за счет накопления тепла в пористой среде и за счет чередования потоков горячих и холодных газов через регенератор. Ротационные регенераторы, иногда называемые подогревателями воздуха и тепловыми колесами, используют вращающийся пористый диск, размещенный поперек двух параллельных каналов, один из которых содержит горячий отработанный газ, а другой — холодный. Диск, изготовленный из материала с высокой теплоемкостью, вращается между двумя каналами и передает тепло от канала горячего газа к каналу холодного газа. Тепловые колеса обычно используются только при низких и средних температурах из-за теплового напряжения, создаваемого высокими температурами. Большие перепады температур между двумя воздуховодами иногда приводят к дифференциальному расширению и большим деформациям, нарушая целостность воздушных уплотнений воздуховодов. В некоторых случаях керамические круги используются для более высоких температур. Еще одна проблема с тепловыми колесами заключается в предотвращении перекрестного загрязнения между двумя газовыми потоками, поскольку загрязняющие вещества могут переноситься в пористом материале колеса. Роторный генератор показан на рис. 7.

Рис. 7 Роторный теплогенератор

Предварительный нагрев загрузки

Предварительный нагрев загрузки представляет собой прямую рекуперацию тепла продукту и относится к использованию отработанного тепла, выходящего из системы, для предварительного нагрева загрузки, поступающей в систему. Это делается для прямой передачи тепла между отходящими газами сгорания и твердыми материалами, поступающими в разные топки. Прямая рекуперация тепла в продукт имеет наивысшую потенциальную эффективность, поскольку не требует никакого «носителя» для возврата энергии в продукт. Наиболее распространенным примером является печь повторного нагрева, в которой отходящие газы, выходящие из печи, предварительно нагревают шихтовый материал печи. Это показано на рис. 8.9.0003

Рис. 8 Предварительный нагрев заготовок выхлопными газами

Котел-утилизатор

Котел-утилизатор представляет собой обычный водотрубный котел, в котором горячие выхлопные газы из печи проходят по ряду параллельных труб, содержащих воду. . Котел-утилизатор обычно использует выхлопные газы средней и высокой температуры для производства пара. Котлы-утилизаторы доступны с различной производительностью, позволяющей потреблять газ в диапазоне от 30 до 25000 куб. м /мин. В тех случаях, когда отработанного тепла недостаточно для производства пара желаемого уровня, обычно добавляются вспомогательные горелки или камера дожигания для получения более высокого выхода пара. Пар может производиться для технологических целей или для выработки электроэнергии. Производство перегретого пара обычно требует добавления к котлу внешнего пароперегревателя. Типичный двухходовой водотрубный котел-утилизатор показан на рис. 9..

Рис. 9 Типовой двухходовой водотрубный котел-утилизатор

Тепловые насосы

В различных рассмотренных выше коммерческих устройствах теплопередачи отработанное тепло передается от горячей жидкости к жидкости с более низкой температурой . В этих устройствах тепло должно свободно течь «вниз», то есть от системы с высокой температурой к системе с более низкой температурой. Когда энергия передается повторно, она становится все менее и менее доступной для использования. В конце концов, эта энергия имеет такую низкую интенсивность (находится в среде при такой низкой температуре), что больше не может выполнять полезную функцию теплопередачи. Обычно считается, что жидкости с температурой менее 150°C являются пределом для рекуперации отработанного тепла из-за риска конденсации коррозионно-активных жидкостей. Однако, поскольку стоимость топлива продолжает расти, даже такое отработанное тепло можно экономично использовать для обогрева помещений и других низкотемпературных применений. Можно изменить направление спонтанного потока энергии, используя термодинамическую систему, известную как тепловой насос.

Большинство тепловых насосов работают по принципу цикла сжатия пара. В этом цикле циркулирующее вещество физически отделяется от исходного (отходящее тепло, с температурой Т-вх) и пользовательского (тепло, используемое в процессе, Т-вых) потоков и повторно используется в циклическом цикле. моды, поэтому называется «замкнутый цикл». В тепловом насосе происходят следующие процессы.

В испарителе тепло извлекается из источника тепла для кипения циркулирующего вещества.
Циркулирующее вещество сжимается компрессором, повышая его давление и температуру. Низкотемпературный пар сжимается компрессором, что требует внешней работы. Работа, совершаемая над паром, повышает его давление и температуру до уровня, при котором его энергия становится доступной для использования.
Тепло подается в конденсатор.
Давление циркулирующего вещества (рабочей жидкости) снижается обратно до испарительного состояния в дроссельном клапане, где цикл повторяется.

Тепловой насос был разработан как система отопления помещений, в которой низкотемпературная энергия окружающего воздуха, воды или земли повышается до температуры системы отопления за счет выполнения работы сжатия с помощью компрессора с электродвигателем. Устройство теплового насоса показано на рис. 10.

Рис. 10 Устройство теплового насоса

Преимущества и другие аспекты устройств рекуперации тепла

Преимущества устройств WHRD можно широко классифицировать на две категории, а именно (i) прямые выгоды, (ii) косвенные выгоды.

Прямые выгоды отражаются в снижении потребления ресурсов и коммунальных услуг, а также эксплуатационных расходов, поскольку утилизация отработанного тепла повышает энергоэффективность процесса и напрямую влияет на эффективность процесса. В нынешнем сценарии глобального изменения климата самым большим преимуществом рекуперации отработанного тепла является то, что это источник энергии, не содержащий парниковых газов.
Косвенными преимуществами являются снижение загрязнения окружающей среды, снижение потребления энергии для вспомогательных целей и уменьшение размеров оборудования. WHRD снижают расход топлива, что приводит к уменьшению образования выхлопных газов. Это приводит к уменьшению размеров всего оборудования для обработки топливного газа, такого как вентиляторы, дымовые трубы, воздуховоды, горелки и т.