English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Повышение энергоэффективности и энергосбережения являются основными показателями модернизации и роста конкурентоспособности экономики любого государства , ее полномасштабному внедрению в современный мировой рынок товаров и услуг. Сберегать и экономить необходимо на всех этапах преобразования энергии, начиная с добычи энергоносителей и заканчивая потреблением чистой (адаптированной к энергопотребителям) энергии инженерными оборудованиями зданий и сооружений.

Одной из основных характеристик энергетической эффективности зданий принято считать удельный расход энергии на системы отопления и вентиляции помещений в год.

1. Исследование проблем

Одним из энергоэффективных мероприятий компании можно назвать применение теплоутилизационных установок на котельных малой и средней мощностей, работающих на дымовых газах.

На котельных средней мощности эксплуатационный КПД котельного агрегата можно поднять до 7,5 % и довести его до значения 97-98 %. Надо полагать, что повышение КПД любой тепловой машины и котельного агрегата в частности можно реализовать за счет уменьшения теплоты уходящих газов (дымовых газов для котла). Для реализации этих целей используются утилизаторы тепла. Существует два вида теплоутилизаторов, возможных к применению: это теплоутилизаторы контактного типа (непосредственный контакт дымовых газов с рабочим телом) и поверхностного типа.

Существует несколько основных аспектов применения данной системы. Это, в частности, экологическая составляющая. При применении утилизации тепла можно снизить температуру уходящих газов с водогрейных котлов с 120-130 °C до 50-60 °C и ниже и перевести теплообменник в конденсационный режим.

Проблема повышения эффективности работы систем теплоснабжения путем снижения нерациональных потерь тепла с уходящими газами актуальна, так как, в настоящее время температура уходящих газов в крупных энергетических и промышленных котельных агрегатах составляет 120 - 160°С. Соответственно, потери тепла с уходящими газами при составлении теплового баланса этих установок по низшей теплоте сгорания топлива колеблются от 5-7% до 25-60%.

Газифицированные котельные имеют сравнительно высокие технико-экономические показатели в связи с отсутствием при сжигании природного газа потерь теплоты в результате механической неполноты сгорания, близостью к нулю химической неполноты сгорания и весьма небольшой потерей теплоты в окружающую среду. Потери теплоты с уходящими газами значительны и в котлах без хвостовых поверхностей могут достигать 25 %. При номинальной нагрузке газомазутных паровых котлов типа ДЕ температура уходящих продуктов сгорания за экономайзером при работе на газе составляет 140…160 °C, а на мазуте — 170… 190 °C. У водогрейных газомазутных котлов эта температура еще выше: соответственно 140…190 и 180…230°C. Снижение температуры уходящих газов — главный путь повышения использования топлива.

Согласно технической литературе, одно из составляющих в тепловом балансе теплогенерирующей установки – это потери с уходящими газами. Даже после стальных и чугунных экономайзеров паровых котлов температура дымовых газов может достигать 150-200°C, в водогрейных котлах дополнительное охлаждение изначально не предусматривается. Потери теплоты с уходящими газами в водогрейных котлах достигают 10%, а это тысячи Гкал тепловой энергии, выброшенной в атмосферу. Вспомним, из чего состоит тепловой баланс котла:

q1+q2+q3+q4+q5+q6=100%,

где q1 - теплота, полезно использованная в котле на получение пара или горячей воды.
q2 - потери теплоты с дымовыми газами, уходящими из котла.
q3 - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива. В газовых котлах с современными горелками q3=0.
q4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива. Этот вид потерь свойственен твердотопливным котлам.
q5 - потери тепла в окружающую среду с поверхности котла.

В широко распространенных промышленных, коммунальных и отопительных котельных, не имеющих хвостовых поверхностей нагрева, потери с физическим теплом уходящих газов оставляют 15-25%. Кроме того, с уходящими газами выбрасываются водяные пары, скрытая теплота парообразования которых составляет до 10-15% низшей теплоты сгорания топлива. Суммарные потери тепла с уходящими газами при составлении теплового баланса по высшей теплоте сгорания топлива, таким образом, 15-20% в наиболее совершенных котельных агрегатах. Обычно они являются наиболее крупными из всех потерь тепла, имеющих место в тепловых установках.

Известны различные способы утилизации тепла, в том числе глубокая утилизация тепла (с использованием теплоты парообразования) уходящих газов на газовых котлах и применение контактных теплообменников для работы в автономных тепловых сетях в качестве теплогенерирующего устройства. При этом эффективность использования топлива повышается на 5-10 %. В связи с этим все большее распространение получают конденсационные теплоутилизаторы контактного и поверхностного типов, позволяющие охлаждать уходящие дымовые газы ниже точки росы и дополнительно полезно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров. Эффективность применения КТ для утилизации теплоты продуктов сгорания природного газа объясняется повышенным содержанием в них водяных паров и высоким качеством выделяющегося из продуктов сгорания конденсата (обессоленной воды).

Конденсационные теплоутилизаторы поверхностного и контактного типов позволяют охлаждать продукты сгорания ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров.

2. ПУТИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Уменьшение потерь тепловой энергии – это не только вопрос экономии топлива, но и снижение вредных выбросов в атмосферу. Сокращение потерь тепловой энергии возможно при использовании теплоутилизаторов различных конструкций.

Большинство технологических процессов сопровождаются с образованием большого количество уходящего тепла. Примерами могут служить выпускные трубы котлов или печей; выпарные установки; сушилки. Излишнее тепло, в большинстве случаев, выбрасывается в атмосферу и не используется в полезных целях. Одним из способов энергосбережения заключается в использовании тепловой энергии, образующиеся при различных технологических процессах, для нужд потребителя. В настоящее время утилизация тепла широко используется, но чаще всего применяемые методы не в полной мере используют тепловую энергию уходящих газов.

Тепловую энергию топочных газов можно поделить на две части. Первая связана с высокой температурой дымовых газов. Утилизация этой тепловой энергии происходит путем снижения температуры топочных газов за счет нагрева другого (воды, воздуха и т.д.). В данном случае температуру топочных газов можно снизить до температуры точки росы водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Вторая является скрытой теплотой конденсации водяных паров. Утилизация этого тепла в данном случае происходит только при конденсации водяных паров, а выделяемое при этом тепло нагревает теплоноситель. В общепринятой терминологии такая утилизация называется глубокой.

Глубокая утилизация тепла подразумевает снижение температуры дымовых газов ниже точки росы водяных паров с их последующей конденсацией. При этом утилизируется значительная часть скрытой теплоты конденсации, а конденсат после дополнительной обработки может быть использован для восполнения потерь воды в энергетическом цикле или теплосети. Осушение дымовых газов снижает точку росы остаточных водяных паров и предотвращает выпадение влаги в дымовой трубе, что приводит к снижению затрат на ее ремонт и продлению срока службы.

На практике теплоутилизаторы не могут сконденсировать все водяные пары. Для оценки глубины процесса удобно использовать два коэффициента. Коэффициент осушения дымовых газов равный отношению расхода конденсата к его максимально извлекаемому значению. Так при коэффициенте, равном 1, конденсация водяных паров теоретически максимально возможная, а при коэффициенте, равном 0, конденсации не происходит. Здесь определяющим фактором является конечная температура дымовых газов равная температуре точки росы остаточных водяных паров. Она определяет конечное влагосодержание, итоговый расход конденсата и мощность конденсатора. Коэффициент глубины утилизации тепла, определяемый как отношение действительной мощности теплоутилизатора к теоретической (максимально возможной). Данный коэффициент более предпочтителен для сравнения теплоутилизаторов, так как учитывает тепловую мощность, включающую в себя охлаждение горячих топочных газов и потери тепла с конденсатом и остаточными водяными парами.

3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Конденсационные теплоутилизаторы поверхностного и контактного типов позволяют охлаждать продукты сгорания ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров.

Принцип действия контактных теплообменников заключается в подогреве воды горячими продуктами сгорания при непосредственном их соприкосновении. Тепло- и массообмен между дымовыми газами и водой при их непосредственном соприкосновении происходит благодаря разности температур и парциальных давлений водяных паров. Поверхностью нагрева в контактных аппаратах является поверхность пленки, капель и струек воды, через которую и происходит теплообмен между газами и водой. Одновременно осуществляется и массообмен между теплоносителями.

В контактных теплообменниках в отличие от поверхностных подогрев воды возможен лишь до температуры мокрого термометра tм, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах. При температуре мокрого термометра между газами и водой достигается динамическое равновесие. При этом все тепло от продуктов сгорания затрачивается на испарение воды и в виде парогазовой смеси возвращается в поток продуктов сгорания. Такой процесс называют адиабатическим испарением (без подвода и отвода тепла извне), а температуру tм — температурой воды при адиабатическом испарении. Таким образом, после установления и достижения водой температуры мокрого термометра охлаждение дымовых газов происходит только за счет испарения воды при постоянном значении этой температуры.

Охлаждение в контактном теплоутилизаторе дымовых газов протекает при переменном влагосодержании последних, так как происходит влагообмен между водой и газами. Известно, что температура, при которой начинается насыщение и выпадение (конденсация) в виде росы водяных паров, содержащихся в газах, называется точкой росы tр.

Особенностью процессов глубокого охлаждения продуктов сгорания является изменение их количества вследствие конденсации части водяных паров.

В настоящее время глубокую утилизацию тепла дымовых газов реализуют путем использования теплообменника на участке газохода до дымовой трубы, который передает тепло уходящих газов нагреваемому теплоносителю. Нагреваемая среда обычно представляет собой холодную воду, используемую для подпитывания сетевого контура.

Несмотря на необходимость уменьшения температуры уходящих газов, а также целесообразного использования отобранного тепла, глубокое охлаждение имеет свои недостатки:


1. Низкая температура дымовых газов приводит к интенсивной коррозии. Сравнительно недавно появились технологии для устройства газоходов и дымовых труб из нержавеющих сталей, а при охлаждении дымовых газов выпадает конденсат, который, естественно, служит причиной коррозии стальных дымоходов. В Удмуртии сегодня несколько компаний предлагают теплоизолированные сборные газоходы из коррозионностойких материалов.


2. При глубоком охлаждении образуется сернистая кислота. При локальном охлаждении дымовых газов до точки росы (60-80 °С в зависимости от вида топлива [2]) выпадает конденсат и, соединяясь с продуктами сгорания серосодержащих топлив (каменный уголь, мазут), образует сернистую кислоту. Однако большинство котельных в малой энергетике Удмуртии по очевидным причинам сжигают исключительно природный газ, поэтому конденсат при охлаждении дымовых газов до точки росы представляет собой бесплатную чистую дисцилированную воду, пригодную для подпитки сети или хозяйственно-бытовых нужд. Ни для кого не секрет, что затраты на воду – одна из статей расходов в структуре тарифа.


3. При глубоком охлаждении дымовых газов температурный напор слишком мал для нагревания воды. В этой связи возникает вопрос: «Что нагреть, охлаждая дым?» Действительно, холодную воду за счет охлаждения дымовых газов даже теоретически можно нагреть лишь до 50 °С, остаточная температура продуктов сгорания при этом составит порядка 70 °С. На первый взгляд, при отсутствии централизованного горячего водоснабжения и значительного расхода исходной воды на подпитку сетей низкопотенциальную энергию дымовых газов утилизировать невозможно. Но это лишь на первый взгляд.


4. У охлажденных газов хуже рассеивание. Как показывает практика, высота дымовых труб из условий рассеивания выбросов при сжигании природного газа редко превышает 15-20 м даже в черте города, их самотяга намного меньше, чем напор вентилятора горелки или дымососа.

Выводы

При использовании теплоутилизаторов было выявлено, что топочные газы охлаждаются до температуры 35-45°С. Коэффициент осушения не превышает 0,7. Коэффициент глубины утилизации так же не достигает высоких значений. Это связано с применением воды в качестве нагреваемого теплоносителя. При этом температура воды не должна быть выше 40 °С.

Такая схемы осуществима в некоторых зарубежных странах, в которых применяются низкопотенциальные системы отопления. В большинстве случаев глубокую утилизацию тепла используют для подогрева подпиточной воды от 10 до 40°С.

Увеличить глубину утилизации можно при использовании другой среды нагрева, которая имеет отрицательные рабочие температуры, например, холодный воздух. В зимнее время на большинстве территорий устанавливается отрицательная температура. Использование воздуха в качестве нагреваемого теплоносителя позволяет снизить конечную температуру уходящих газов до предельных значений и приблизить коэффициент глубины утилизации к 1.

Воздух, нагретый топочными газами, может быть использован для подачи его в топку котельного агрегата и обеспечения более эффективного процесса сжигания топлива или для обогрева помещений. Таким образом, глубокая утилизация тепловой энергии уходящих газов решает комплексную задачу экономии природных ресурсов и защиты окружающей среды от загрязнений.

Список источников

  1. Поздняков С. Р. Глубокая утилизация тепла топочных газов // В сборнике: Международная научнотехническая конференция молодых ученых.
  2. Прохоров В. Б., Денищук Д. А. Влияние системы глубокой утилизации тепла дымовых газов с увлажнением первичного воздуха на работу мусоросжигательного котла // Новое в российской электроэнергетике. – 2020. – № 9.
  3. Кудинов, А.А. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. – М.: Машиностроение, 2011. – 373 с.