Экономия тепловой энергии за счет глубокой утилизации тепла влажных газов

Влажные газы возникают при сжигании водородосодержащих топлив (природный газ, попутный нефтяной газ, мазут) и влажных твердых топлив (уголь, торф, горючие сланцы) в котельных, промышленных печах, аппарата с погружными горелками и других топливоиспользующих установках. Влага содержание продуктов сгорания может составлять100 и более граммов на килограмм сухого газа. Тепло таких газов можно полезно использовать. Если при этом происходит конденсация влаги с выделением теплоты конденсации водяных паров, то это процесс называют глубокой утилизацией тепло влажных газов.

Глубокая утилизация теплоты влажных газов дает ряд технических преимуществ:

- при ее осуществлении используется не только физическая теплота газов, но и теплота конденсации содержащихся в них паров:

- процесс передачи тепла становится гораздо интенсивнее и для утилизации можно использовать теплообменные аппараты с существенно меньшей поверхностью нагрева:

- при конденсации влаги из продуктов сгорания в ней растворяется часть окислы азота, что положительно влияет на состояние окружающей среды:

- образовавшийся конденсат можно использовать на технологические нужды.

 Для утализации тепла важныхгазов применяются поверхностные и контактные теплообменные аппараты. Если используются аппараты поверхностного типа, то их теплообменная поверхность должна быть защищена от корразии.

Рсчет систем утилизации влажных газов существенно сложнее, чем обычных тепловых ВЭР, поскольку процесс теплообмена сопровождается процессом массообмена. При этом к ошибки в расчетах таких утилизационных установок могут привести к негативным последствиями.

На выходе из теплообменников - утилизаторов необходимо поддерживать вполне определенные температуры и концентрации влажных газов, так как нельзя допустить конденсации содержащихся в них паров в дымовых трубах и газоходах.

 При нагревании холодных газов возникает возможность обмерзания поверхности теплообмена, которая ухудшает работу теплообменного аппарата и может привести к выходу его из строя.

При расчете систем утилизации влажных газов необходимо решить два вида задач. К первому виду относится определение количества влаги в парогазовых смесях, которые определяет количество тепла, выделяющееся при конденсации и интенсивность теплообмен при охлаждении газа. Второй вид связан с определением площади поверхности теплообмена конденсационных теплообменников утилизаторов или определением их тепловой нагрузки и параметров теплоносителей на выходе для аппаратов с заданной конструкцией и площадью теплообменной поверхности.

 Влагосодержание продуктов сгорания топлива зависит от влажности топлива, от содержания водорода и водородосодержащих соединений в его составе, от влагосодержания воздуха, направляемого на сжигание, коэффициента избытка воздуха, присосов воздухе по тракту.

Объем теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг твердого топлива составит [9,10]:

V⁰=0,0889(C^p+0,375 S^p)+0,265H^p-0,0333O^p,                                                         (5.1)              

где C^p, S^p, H^p, O^p – массовые процентное содержание углерода, серы водорода и кислорода в топливе.

Масса теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг твердого топлива составит G⁰ = V^O где =1,29 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях.

Теоретический объем водяных паров, получаемый при сжигании 1 кг твердого топлива с учетом влаги, содержащейся в воздухе, составит, м³/кг

V⁰_H20 = 0,111H^P+0,01243W^P + 0,016V^O,                                                                (5.2)

где W^P – влажность топлива, кг/кг.

Если топливо сжигается с коэффициентом избытка воздуха _изб>1, то объем получаемых водяных паров с учетом влаги, содержащейся в избыточном воздухе:

V_H20 = V⁰ _H20 + 0,0161 ( _изб>1) V⁰                                                                          (5.4)

Масса водяных паров получающихся при сжигании 1 кг твердого топлива составит G_H2O = V _H2O ·ρ _H2O где ρ _{H2O =} 0,804 кг/м³ – плотность водяных паров при нормальных условиях.

Общая масса продуктов сгорания, получающихся при сжигании 1 кг твердого топлива, составит:

G = G _топ + α G⁰ (1+х_в) = 1 + α _изб G^O (1+х_в),                                                        (5.5)

где х_в - влагосодержание дутьевого воздуха, кг/кг.

Влагосодержание продуктов сгорания твердого топлива, кг/кг:

х = .                                                                                                               (5.6)

При определении влагосодержания продуктов сгорания газообразного топлива имеются некоторые отличия.

Объем теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 м³ газообразного топлива составит:

V⁰ = 0,0476 [0,5 CO + 0,5 H₂ + 1,5 H₂S + Σ(m+n /4)C_mH_n – O₂],                       (5.7)

где CO, H_2, H₂S, C_mH_n, O₂ – объемное процентное содержание различных компонентов топлива.

Масса теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 м³ газообразного топлива составит G = V⁰· ρ, где ρ=1,29 кг/м³ - плотность воздуха при нормальных условиях.

Теоретический объем водяных паров, получаемый при сжигании 1 м³ газообразного топлива с учетом влаги, содержащейся в топливе воздухе, составит, м³/кг:

V⁰_H2O = 0,01                           (5.8)

Здесь  - влагосодержания газообразного топлива и воздуха, выраженные в г/кг сухого газа.

При сжигании топлива с коэффициентом избытка α > 1 объем получаемых водяных паров с учетом влаги, содержащейся в избыточном воздухе, будет составлять:

= .                                                                         (5.9)

Масса   водяных паров получающихся при сжигании 1м³ газообразного топлива составит: =  где =0,804кг/м³ плотность водяных паров при нормальных условиях.

Общая масса продуктов сгорания, получающихся при сжигании 1м³ газообразного топлива

G = (ρ·V)_топ+αG⁰(1+х_в)=(ρ·1)_топ+ αG⁰(1+х_в),                                                       (5.10)

где х_в- влагосодержание дутьевого воздуха, кг/кг.

Влагосодержание продуктов сгорания газообразного топлива, кг/кг:

(5.11)

Необходимую в расчетах плотность газообразного топлива и продуктов сгорания при нормальных условиях можно определить, считая топливо смесью идеальных газов и знаю его процентный состав

                                                                                              (5.12)

где  - молярная масса и процент содержание - молярная масса и процент содержание і-й компоненты газовой смеси.

Определение содержание водяных паров в продуктах сгорания природного газа х, кг/кг (при условий полного сгорания) можо также по формуле Л.Г.Семенюка.

                                                                                                             (5.13)

В том случае, если продукты сгорания смешиваются с воздухом или проходят термовлажностную обработку, их влагосодержание может быть определено с помощью H-d-диаграммы влажного воздуха.

Вторая группа задач относится к определению площади поверхности теплообменных аппаратов, предназначенных для утилизации теплоты влажного воздуха. Чаще всего такие аппараты представляют собой газожидкостные калориферы с гладкими или оребренными трубками. Если температура холодного теплоносителя ниже температуры точки росы горячего теплоносителя, то в теплообменном аппарате происходит процесс конденсации пара из парогазовой смеси. Полная теплота, передаваемая в таких теплообменниках, складывается из теплоты охлаждения газов и тепла конденсации водяных паров.

Процесс передачи тепла в теплообменниках с влаговыпадением существенно интенсивнее, чем в обычных теплообменниках.

При небольшом изменении температуры теплообменной поверхности и если конденсация имеет место на всей поверхности теплообмена, то определение площади поверхности теплообменного аппарата может быть проведено по методу коэффициента влаговыпадения. При выпадении влаги из парогазовой смеси для теплообменного аппарата с гладкими трубами площади теплообменной поверхности F может быть рассчитана по следующим формулам:

,                                                                              (5.14)

где, - тепловая нагрузки теплообменного аппарата, К – коэффициент терлопередачи: средняя логорифмическая разность температур в теплообменном аппарате  - коэффиценты телпоодачи со стороны горячего и холодного теплоносителя при сухом телпообмена:  - термическое сопротивление стенки: - коэффициент влаговыпадения, представляющий собой отношение количества полного тепла, передаваемого в теплообменном аппарате к количеству явного тепла.

Для расчета коэффициента влаговыпадания используют выражение:

= ,                                                                                                 (5.15)

где в теплообменный аппарат и на выходе из него.

При тепловом конструктивном расчете теплообменного аппарата задают общее количество передаваемого в нем тепла, а следовательно, и разность энтальпий на входе и на выходе. Неизвестным является значение температуры на выходе. Определить это значение при малом изменении температуры холодного теплоносителя (и поверхности теплообмена) можно следующим образом. В H-d- диаграмме процесс обработки воздуха при малом изменении температуры представляет собой прямую линию, соединяющую точки, соответствующие состоянию влажного газа на входе в теплообменник и состоянию насыщенных водяных паров при средней температуре поверхности теплообмена (их положение соответствует кривой насыщеная и температуре поверхности). Конечная температура влажного газа лежит на пересечении линии обработки воздуха и линии постоянной энтальпии, соответствующей параметрам влажного газа на выходе (рисунок 5) Определенная таким образом температура позволяет найти коэффициент влаговыпадения и рассчитать площадь поверхности по приведенным выше формулам.

 

Рисунок 5 - Процессы в H-d- диаграмме

В большинстве случаев в теплообменниках для утилизации тепла влажных газов используются оребренные поверхности теплообмена. Тогда для расчета коэффициента теплопередачи со стороны оребренной поверхности справедливы формулы:

   .                                            (5.16)

где φ=  - коэффициент развития поверхности в оребреном теплообменнике, а η – КПД оребренной поверхности,  – КПД ребра, вычисляемый по известным формулам, либо по номограммам. Необходима помнить, что в случае движения влажных газов КПД ребра изменяется. Его можно приближенно вычислить по тем же формулам, что и для суких ребер, но коэффициент теплоотдачи, входящий в эти формулы вычисляется в этом случае с учетом коэффициента влаговыпадения

                                                                                                       (5.17)

Часто возникает задача поверочного расчета теплообменного аппарата, в котором неизвестной величиной является количества передаваемого тепла, а площадь поверхности и начальные параметры теплоносителей считаются заданными. В этом случае необходимо предварительно задаться конечной температурой холодного теплоносителя. Далее определяется теплавая нагрузки коэффициент влаговыпадания коэффициент теплопередачи и вычислить новое значение тепловой по заданной площади поверхности аппарата. Дальнейший расчет проводится методом подбора задаваемой конечной температуры холодного теплоносителя, поскольку метод последовательных приближенный при решении этой задачи обычно не сходится.

5.1 Пример расчёта экономии тепловой энергии за счёт установки теплообменника для утилизации тепла влажных продуктов сгорания

 

Определить экономию тепловой энергии при установке теплообменника для утилизации тепла влажных продуктов сгорания. Теплообменник представляет собой калорифер с оребренными трубками с площадью оребренной поверхности 114м³.

Температура поступающих в теплообменник газов составляет 135⁰С, их влагосодержание – 0,12 кг/кг. Продукты сгорания служат для предварительного подогрева вода, поступающей в теплообменник с температурой +9⁰С. Коэффициент теплоотдачи при сухом теплообмена со стороны воздуха составляет 22,1 Вт(м³·К), со стороны воды – 11000 Вт(м³·К), Расход газов через теплообменник составляет 1,48 кг/с, расход жидкости 7,0 кг/с.

Ребра изготовлены из алюминия, их толщина – 0,5 мм, высота – 10 мм, коэффициент развития поверхности при оребрении – 10.

 

Решение:

Зададим конечную температуру воды на выходе из теплообменника - 25⁰С. Тепловая нагрузка теплообменника при этом составит

Q = Вт

Энтальпия газов на входе в аппарат может быть определена по H-d- диаграмме или вычислена по формуле:

Энтальпия газов на выходе из аппарата найдем из выражения:

Температура газов на выходе из аппарата находится по H-d- диаграмме на линии, соединяющей точки, соответствующие начальным параметрам газа и средним параметрам воды (см.пример, приведенный выше), и составляет

35,6⁰С.

 Температура точки росы на выходе газов из теплообменника составляет 32⁰С. Таким образом, она выше, чем температура холодного теплоносителя, и конденсация пара из влажного газа имеет место на всей поверхности теплообмена.

По полученным значениям температуры и энтальпии вычислим коэффициент влаговыпадания. Теплоемкость дымовых газов берем из таблиц [9,11] равной кДж/(кг·К)

                     ξ =

Вычисляем среднюю логарифмическую разность температур в теплообменнике, приводя перекрестноточную схему движения теплоносителей к противоточной:

=3,20

 Для вычисления коэффициента теплопередачи необходимо найти КПД влажного ребра. Определяем параметр m;

M= m=

 Эффективность круглого ребра может быть определена по номограмме или вычислена по формуле:

;

 КДП оребренный поверхности.

η=1- (1- )=1- =0,942

Коэффициент теплопередачи со стороны оребренной поверхности (термическим сопротивлением стенки трубы пренебрегаем)

Новое значение тепловой нагрузки теплообменника:

Q=KF  Q=62,7

Новое значение температуры воды на выходе из аппарата

Принимаем новое значение температуры воды на выходе средним между первым приближением и вновь полученным значением:  Повторяем расчеты, пока тепловая нагрузка теплообменника не будет меняться более чем на 1%.

В результате получаем окончательное значение тепловой нагрузки, температуры воды на выходе из теплообменника, а также температуры и влагосодержания парогазовой смеси на выходе из теплообменнике.

 Q=451,1

 

5.2 Задания для самостоятельного выполнения

 

Задание 1

В гладкотрубном теплообменном аппарате, имеющем площадь теплообменной поверхности F= 20 м² в соответствии с рисунком 6 утилизируется теплота влажных газов. Тепло используется для подогрева воды. Определить тепловую нагрузку, которую можно передать в теплообменнике. Термическим сопротивлением стенки труб пренебречь. Температура воды на входе в теплообменник t₁= 10 °С. Температура воды на выходе из теплообменника t₂=40 °С. Температура газов на входе в теплообменник, t₃ = 80°С. Влагосодержание газов на входе в теплообменник Х₃ = 0,09 (кг/кг). Температура газов на выходе из теплообменника, t₄=45°С. Влагосодержание газов на выходе из теплообменника Х₄ = 0,06 (кг/кг). Коэффициент теплоотдачи со стороны воды α₁ =8500 Вт/(м²К). Коэффициент теплоотдачи со стороны влажных газов при сухом теплообмене α₂ =30 Вт / (м²К). Теплота парообразования, r₀ = 2500кДж/кг. Теплоемкость сухого воздуха, С^в _р =1 кДж / (кг К). Теплоемкость пара, С^п р =1,807кДж / (кг К).

 

 

Рисунок 6 – Сxема движения теплоносителей в утилизационно теплообменнике и температурный график

 

Методика решения:

 

Средняя логарифмическая разность температур в теплообменном аппарате (противоток):

                                                                                            (5.18)

                                                                                                                                                                                                                       (5.19)

 

(5.20)

 

 

Для того, чтобы найти коэффициент влаговыпадения, необходимо знать энтальпии влажного воздуха, определяемые по формуле:

(5.21)                                                                                                           

(5.22)
                                                                            

Коэффициент влаговыпадения:

 

(5.23)

Коэффициент теплопередачи с учетом влаговыпадения:

(5.24)

Тепловая нагрузка теплообменника с учетом влаговыпадения:

 

                                                                                             (5.25)

Ответ: Тепловая нагрузка теплообменника с учётом влаговыпадения Q составляет 84.205 кВт.

 

Задание 2

Определить экономию тепловой энергии при установке теплообменника для утилизации тепла влажных продуктов сгорания. Теплообменник представляет собой калорифер с оребренными трубками с площадью оребренной поверхности 120м³.

Температура поступающих в теплообменник газов составляет 105⁰С, их влагосодержание – 0,8 кг/кг. Продукты сгорания служат для предварительного подогрева воды, поступающей в теплообменник с температурой +5⁰С. Коэффициент теплоотдачи при сухом теплообмене со стороны воздуха составляет 25 Вт(м³·К), со стороны воды – 12000 Вт(м³·К), Расход газов через теплообменник составляет 2 кг/с, расход жидкости 10,0 кг/с.