автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Методика расчета системы термосифонных рекуператоров для утилизации теплоты паровоздушной смеси сушильных машин

На правах рукописи Ш 65.047.1.002.8(043.3)

4 / • ПЕРВАК ГЖША ИВАНОВНА

ШОДШ. РАСЧЕТА СИСГЕШ ТЕРШШЯЩЖ РЕКУПЕРАТОРОВ ДНЯ 2ТМШАЦИИ ТЕПЛОТЫ ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ: СТ1ШЫЖ мшж

Сведиальность: 05.14.04- Проглшшнаая

re пло энергетика

АВТОРЕФЕРАТ

джссертации на соискание ученой cíe пени кандидата хе-хнкчБОяих наук

Р Г Б од

1 О ЯР i

МО G К В А

13 3 5

Работа выполнена в Мэсковской государственной текст аяьной екадеши т. А.Н. Кссыгпш

Научный руководитель

доктор технических наук, дрофе ссор

Охотш А.С.

Официальный оппонент щ

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, до цент

Гудад Л.И. Кочетков Ы.А.

Ведущая организация«

РоссийСЕНЙ заочаый ансгирут текстильной в легкой ярошшщенновгв, г» №скв&

Защита состоится р, в ^ часов

на заседании диссертационного совета К, 053.25.08 » Московской государственной текстильной академии им. А.Н« Косыгина ш адрес; I 117918» г, Москва, ул. Малая Калужская, д. 1.

С диссертацией южно ознакомиться в библиотека Анадзшш, Автореферат разослан

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДЙОЙЕРТАЩЮННОГО СОВЕТА , кандидат технических, наук, доцент

1шкш Л. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акгуацьвдодь Одной из важнейших задач, стоящей перед

текстильным предприятием является экономия топливно-энергетических ресурсов /ГЭР/, Совершенствование энергохозяйства монет осуществляться по двум направлениям* первое - повышение коэффициента полезного использования анергоресурсов технологического оборудования путем улучшения организации технологических процессов и режимов работы агрегатов, улучшения тепловой изоляции, совершенствования процесса сжигания топлива, сокращения не производя венных потерь энергоресурсов * Эти мероприятия позволяю® снизать расход энергоресурсов в самом технологииском агрегате. Второе -утилизация вторичных энергетических ресурсов /ВЭР/, что приводит к экономии первичных источников, Воцрооы экономии топлива за счвт утилизации ВЭР.,' следует рассматривать после реализации, мероприятий первого направления, которые снижают выход ВЭР.

На текстильном предприятии удельный вес тешопотребления процессов сушки достигает 30£, при этом количество теплоты, удаляемой из сушильного оборудования вместе с паровоздушной смесью. ЛВС/, составляет 50-70$ подведенной теплоты. Следовательно, утилизация теплоты отработанной ПВО играет важную роль в экономии ТЭР текстильных предприятий вследствие того, что при высокой температуре воздух мэжет содержать большое количество водяного пара /из высушиваемого материала/, удельная теплота парообразования которого является основной составлявшей энтальпии. ПВО,

В настоящее вреш теплота ПВС сушильных, машин и других тепяотехнологических агрегатов используется редко, т.к. требуются значительные капитальные л эксплутацюннве расходы. Тем не менее утилизация теплоты ПВС необходюв, т.к. выход ВЭР этого вида соизиврим с суммарным выходом всех других видов ВЭР текстильной цромшшенюсти.

Работа выполнялась в соответствии о госбюджетной тешхикой НИР кафедры ПГЭ Тедлоэнергосбережение на предприятиях и использование возобновляемых источников энергии" , К 94-839-33.

Дедь работы. Заявить наыЗолее рациональный вариант схема утилизации теплоты ПВС сушильных шакн. Разработать мэтбдщу * расчета -схемы. ути.тпкзацш теплоты ИВС •■оугшьшЬс^шлшн. Разрабо-—

тать програшу расчета это? охекн на Ш^. а зыеолнйеь вариантные расчеты с оптимизацией при заданной те готовой нагрузке ш мини-ьвльной площади поверхности теплообшна.

Научная новизна. В качестве утилизаторов теплоты ПВО сушильных мшин предлагается использовать систему термосифоннкх рекуператоров на базе стандартных калориферов» используемья: как в зоне испарении, так и а зоне конденсации промежуточного теплоносителя.

Практическая Р^таШи Шогоконтурная систеш термэсщ£он-ных рекуператоров на базе стандартных калориферов шает быть использована для утилизации теплоты» отработавшей ЛВС теплогсх-нологических ах^егатов, в четности сушильных машин. Методика расчета систеш термос иконных рекуператоров пришниш при расчете и проектировании высокоэффективных тегшоиснользуащих и теплопередавдих аппаратов с целью экономии ТЭР, а также в учебном процессе и методических пособиях для студентов.

Апробация: работы. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, докладывались на научно-практических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава МПГА им, А.Н» Косыгина, проходившие в 1931-1335 годах,

Дублиуа^рт, По вопросам, связанным с диссертацией, опубликовано 4 печные работы.

Объем и структура лиссеотапии. Диссертационная работа состоит из введения» четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы /128 наименования/, приложения.

Объем основной части изложен на 109 страницах, в том числе 11 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ ООДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены проблемы, решаемые в диссертации,и содержится краткая характеристика работы.

В пеоном, главе рассмотрено устройство и цринпип работы двухфазного термосифона, его конструкции, применение в промышленной теплотехнике, цромеяуточные теплоносители двухфазных тершоифонов а их совместимость с конструкционными кшгериаяами, из которых изготовлены термосифоны.

Наиболее ирос-Гси! конструкция испарительного- двухфазного термосифона,, представляет собой герметично закрытую шлость, частично заполненную теплоносителем /рис. ^ /. Внутри полости происходят ?азовыв превращения /процесс кипения/, в результате которых образуются две фазы - паровая и жидкая. При работе выделяют три процесса, протекающие в полости элемента - кипение /испарение/, конденсация и свободноконвективнык тештодассопереш* между у^эстками кипения и конденсации. В тершсисТоне можно выделить три зоны: зона нагрева - испаритель, транспортная зона и зона конденсации - конденсатор. Деление на эти зоны несколько условно, т.к. перенос квдкостя я пара происходит во всех зонах; кроме того,в некоторых случаях моано пренебречь длиной транспортной зоны ш сравненш с длиной испарителя и конденсатора.

Испарительный двухфазный тершсифон работает следуадим образом: при подводе теплоты к испарителю теплоноситель начинает кипеть, образующийся пар движется в конденсатор, где конденсируется на стенках, отдавая теплоту фазового перехода охлаждал-щем среде. Конденсат под действием гравитационных- или других массовых сил .движется в испаритель.,' Процессы в термэсифоне протекают непрерывно, что обеспечивает передачу теплоты от одной зоны к другой, В трансшртноп зоне обычно создают адиабатные условия,т.е. теплота не подводится и не отводится через стенки.

Терюси;Тонн обладают рядом достоинств: автоношость, простота исполнения, надежность работы тедлопередающих элементов и всего аппарата в целом, возшяаость трансформации плотности теплового ттока, возможность поддеркания температуры теплооб-менной тверхности на заданном уровне о учетом эксплуатационных ограничений, шлое гидравлическое сопротивление по обеим средам, возшжность оребрения тепло обменной тверхности как с горячей стороны, так и с холодной, простота установки теплообменников на существующих газоходах агрегатов - источников ВЭР, обеспечение гидравлической плотности теплообменника при повреждения элементов теплообшшой поверхности, отсутствие юшенсаторов температурных расширений, удобство компоновки теплообменника из отдельных секций и их замены, удобство очистки поверхности теплообмена от загрязнений с нарушой тверхности термос иконных элементов.

В настоящее вреда известны много численные конструкции т.ер-шсифэнов. Рассштрим схему простейшего термосМонного теплооб-

Г. « i <-л ( ï 1 i 1 v n>

1 1

X] 1 Ä nj

* 9 — < # • — « — * —» lit 1 * n3

РИС. I

i <L 3 it

tí

¿t

1 V

V

V

' 1 " '

'/////////////

S

2

2

s«

3 - мзолмтмг* fíe/>c/4?pe»9¿*

Ц - Т€Р MPCM&û/fô/

рис. л.

ЛЗЗНКПКс* /^р 11С» */* ТсПЛООбГыЕППЛК СССХСжП? ИЗ Двух ГаЗО^СОДЗВ X л

2, разделенных газоплотной перегородкой 3, В перегородке закреплены замкнутые тедяопередаащие элемэнты в виде термосифонов 4 со свободными концами, размещенными в газоходах с горячим и холодным теплоносителем. Внутри замкнутых элементов находится промежуточный теплоноситель, с помощьа которого теплота в испа-рительно-конденсационном цикле передается от горячего к холод-ноиф теплоносителю.

С оэмзщ&ю термосифонов юнно решиь ряд задач*

1. обеспечить пространственное разделение источника стока теплоты,

2. выравнивать температуру поверхности,

3. трансформировать плотность теплового потока,

4. осуществлять регулирование температуры,

В диссертационной работе рассмотрены различные прошяуто"ч-ные теплоносители для двухфазных термосифонов, проведен анализ их тершдинаш^ЕСКих и теплофизических свойств. Сделан вывод о возможности использования воды в качестве промежуточного теплоносителя в тершсщонных рекуператорах. Она имеет высокие значения теплоты парообразования, теплопроводности и поверхностного натяжения, дешева, общедоступна, дадаро- и взрывобезопасна, нетоксична для обслуживающего персонала.

Рассмотрены различные конструкционные шгериалы для двухфазных термосифонов, проведен анализ совместимости промежуточных теплоносителей с конструкцконнкми материалами. Вода может использоваться с нержавеющей сталью, из которой изготовляются тершси^онные рекуператоры на базе стандартных стальных калориферов.

Во второй главе проведен анализ методов расчета характеристик теплообмзна двухфазных тершсифонов.Вшокая теплопере-даащая способность тершосайона определяется процессами, протекающими в его полости: кипением теплоносителя в испарителе, перемещением пара за счет разности давления в испарителе и конденсаторе, создающегося в результате уменьшения объема при конденсации пара. От и процессы позволяют передавать большие тепловые потоки цри №лоы перепаде температур на значительнее расстояния.

Чем большее количество термосифонов приходится на единицу поверхности охлаждаемого элемзнта, тем выше его надежность»- Выход из строя одного термосифона не нарушает герметичности; ох~-

лаждаешхо эле шита, В некоторых, случаях тершсибоны в результате своей конструктивной простоты могут работать автоношо без обслуяавающего персонала, контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, а также без дополнительных источников электроэнергии для перемещения теплоносителя, т.к. для этих целей исшльзуагся гравитационные силы.

Процесс теплопередачи в термосифоне является слокным и зависит от шогих факторов. Работа двухфазного термосифона, его тедлопередаэдие характеристики определяется внутренними процессами, как. кипение /испарение/ теплоносителя, .движение пара к участку конденсации, конденсация паров теплоносителя, возврат конденсата в зону испарения, В стационар! условиях работы термосифона имваг место следующие одновременно протекающие процессы которые образуют замкнутый цикл!

1, перенос теплоты теплопроводность» от наружной юверхности термосифона к поверхности раздела в зоне испарения стенка-жидкость,

2, фазовый переход явдкости в пар с поглощением теплоты,

3, перетекание пара из горячей зоны тершсийона в более холоднуд

4, (Тазовый переход в жидкость пара о выделением теплоты, т.е. конденсация на поверхности пар - жидкость,

5, переход теплоты от юверхности раздела жидкость-пар к наружной поверхности термосифона в зоне конденсации,

6, перетекание рабочей жидкости ш стенкам термосифона из области конденсации в область парообразования.

Процессы 2,3,4,6 определяют теплопередающую способность *. термосифонов» Все указанные процессы взаимосвязаны, что вызывает дополнительные трудности при расчете термосифонов.

Имеющиеся в настоящее время результаты /из литературного обзора/ не даюс полной характеристики процесса парообразования в двухфазном термосифоне, некоторые данные противоречивы, носят частный характер, поэтому при проектировании а расчете аппаратов с двухфазным® термосифонами пользуются экспериментальным* давни-т в связи в отсутствием надеяных расчетных зависимостей.

В третьей главе проведен анализ схем утилизации теплоты ПВО сушильных ыашш в шогосекдионном терюсифонном рекуператоре на базе стандартных калориферов, рассмотрены конструкции стальных калориферов и проведена оптимизация параметров при вы5оре калориферов при заданной тепловой нагрузке по минимальной пло-

щади поверхности теплообмена,

Тешгота ПВО оушильннх машин, как завито, расходуется для гсдогрева свежего воздуха, поступающего в оушильные «шины иди для подогрева технологической воды*

Предлагаются варианты схем для утилизации теплоты ПВС сушильных машин, в шогоеекцданных тершсифонных рекуператорах на базе стандартных калориферов. Шогосекционные термзсифэнныв рекуператоры - это набор нескольких контуров терюсафонов, каждый контур Нормируется из зоны конденсации и зоны исшрсния. На рис, 3 представлен участок рекуперации тепла, "который мажет быть использован как в сушильной шшине с замкнутым контуром циркуляции сушильного агента, так и в случае удаления из сушильной ьешшны ПВС в атшссеру. Отработавшая ПВС, выходя из сушильной шшош проходит чврез испарительные зоны 2 термэсифэн-ных рекуператоров, и та/» охлаждается, Свёшй "воздух, проходя через зонн конденсации 3 подогревается за счет теплоты промежуточного теплоносителя и направляется на вход в сушидьнуа ьшшну.

В зоне испарения и в зоне конденсации промежуточного теплоносителя воздух омывает поверхность теплообмена с. наружно3 стороны, что тзволяет выполнить ее эффективное, оребрение и облегчает очистку поверхности нагрева. В качестве зон испарения и конденсации предлагается использовать стандартные стальные халори $еры типа КЛС-П, КПЗ-П, При этом цредпочгение отдается калориферам с пластинчатыми ребрами, т.к. спиральное оребрение быстрее засоряется и труднее поддается очистке.

Несколько контуров тералсиаонов позволяй; снизить средний температурный напор в теплопередаэдих устройствах. При прочий равных условиях снижается металлоемкость всей конструкции и , увеличивается передаваемый тепловой поток.

При использовании теплоты ПВС .для предварительного подогрева свежего воздуха, поступающего в сушильную машину, шано исполь зовать схему представленную на рис, Н ,

В случае иотльзованшг теплоты отработавшей ПВС дяя нагревания технологической воды шжна использовать стандартные рекуперативные ТОА с оребренной шверхносааа теплообмена - риз. 51

Наилучшим, как с точки зрения экономии ТЭР, так и охраны . окружающей среды является вариант схемы утилизации теплоты, с замкнутым контуром циркуляции сушильного агента - рис, в , Кроме того в этой схеме движение греющей и нагревавмэй сред приб-

1 - тершсм+онте рркуяерягдщ;

2 - зоm i кмшя

3 - золы яондеисяцм

РИС. S

PU С. ?

возду* В

РИС. 5~

3 I

PUC. è

лижается к наиболее выгодно!? протнзсточной cxsüg.

Важнейшими параметрами тершсиеонннх рекуператоро'Т- яаляаг-ся общая поверхность теплообмена, тегшература промзяугочного теплоносителя, соотношение участков тершсифонов, находящихся^ в зонах подвода и отвода тепла. Зада1® оптимизации характеристик решалась как поиск мшимую поверхности теплообмена при-мзнительно к случаям тепло использования утилизируемы* ВЭР, Рас-чвтнш модели ориентированы на низкопотенциальное теплоисполь-зование. Указанная ориентация дает основание заведомо исключить возшваость появления известных термодинамических ограничений испарительно-конценсационного цикла в термосифоне, связанных с переходом промзауточного теплоносителя в однофазное состояние.

Условия теплопереноса на холодной и горячей сторонах считаем фиксированными: к, - tot>í¿ , je

Полученное в результате преобразований значение -важный ¡¡актор обеспечения минишльной штериалоемкости конструкции термосифонного рекуператора. Оно учитывается в методике конструктивного расчета»

В четвертой главе рассмотрено влияние шссообменных процессов на коэффициент теплоотдачи при охлаждении насыщенной ПВО и методика расчета системы тершси^онных рекуператоров для утилизации теплоты ИБС сушильных машин.

Проведенные исследована показали, что интенсивность теплообмена при охлаэдении насыщенной ЛВС зависит от массообменных процессов, В атих условиях расчеты теплообменного аппарата с . шющьа уравнений, предназначенных для определения коэффициента теплоотдачи в штоке сухого воздуха, приводят к существенным ошибкам. Позто&у при расчете коэффициента теплоотдачи при охлаяг-дении насыщенной ПВО нужно учитывать влияние тссообменных процессов.

При расчете шогоконтурной системы термос жданных рекуператоров с последовательном по ходу двиаения ШС соединениями секций интенсивность теплообмена с достаточной для инженерных расчетов точностьа можно определить по средним для каждой из секций тепло^изическим свойствам ЛВС и соответствующей средней температуре поверхности теплообмена,

Теп^овоГ' расчет системы т ерш сифонных рекуператоров ведется для случая когда сумма термических сопротивлений теплоотдачи от ВВС к поверхности теплообмена калорифера и теплоотдачи от поверх-

шстя теплообмена калорифера к шдогреваешьу СЕвзему воздуху иного больше, чем сумга термических сопротивлений при кипении и конденсации промежуточного теплоносителя, которым заголнена сис-теш термосифонных рекуператоров и термического сопротивления тепяотссопереноса поверхности теплообмена калорифера.

Так как систеш термосифонов для утилизации теплоты ПВО состоит из нескольких контуров, то необходимо принять условие перехода при расчете от одной секции к другой»

^л.' = } /и*)

Кроме того, т.к. контуров несколько, то в каждом из них сво! температура насыщения промежуточного теплоносителя -¿^ , На начальном этапе расчета этой температурой задаемся, В ходе теплового расчета определяем передаваемый тепловой поток, температуру греющей и нагревав шй сред при известных расходах и начальных температурах. Расчет ведем мэтодом последовательных приближении* Расчет заканчиваем, когда тепловой поток, отдаваемый ЛВС цромежуточному теплоносители равен тепловому потоку, получав ш&у свеким нагреваемым воздухом от промежуточного теплоносителя: ¿V -

Наиболее эффективное решение задачи расчета систеш тер-шсифонных рекуператоров на базе стандартных калориферов для утилизации теплоты паровоздушной смеси сушияьннх машин связано с использованием ЭВМ, Целью расчета является определение требуемого числа секций терюсифонов в участке рекуперации тепла ЛВС, определение параметров греющей и нагреваемой срез на выходе из у-фстка рекуперации теша. На основе вариантных расчетов выЗираятся тип и типоразмер калориферов, используемых в секциях термосифонов, производится оптимизация вы5ора калориферов при заданной тепловой нагрузке по шнишльной площади поверхности теплообмена.

Результаты расчетов на ЭВМ цредставлены на рш. '/

рис-

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проанализщюваны возшяныв варианты использования систем для утилизации теплоту отработавшей ЛВС от технологических агрегатов текстильной промышленности,

2. Выявлены преимущества систем утилизации теплоты ПВО аа (базе термосяфонных рекуператоров, заключающиеся в иаютченш загрязнения нагреваемого воздуха и возюдаоотью юлучения развитой поверхности теппосбмэна за с-чет элективного оребрения, как в зоне отвода теплоты от ИБС, так и в зоне надевания свежего воздуха,

3. Выполнен сравнительный анализ различных видов термзси-фзнных рекуператоров. Определены принципы выбора промежуточного теплоносителя для заполнения тершсийона и штериала для изготовления его корпуса« Выполненный анализ показал, что для изготовления зоны испарения и конденсации тершсифоиного рекуператора юхно использовать стандартные, стальные калориферы, в качестве промежуточного теплоносителя - воду, .

4. Проведен анализ теплового расчета термоси$онного рекуператора, ВыЗран мэтод расчета тершегфэнного рекуператора, применительно к случаю из пользования в качестве зон испарения в конденсации стандартных стальных калориферов,

5» Разработана ьетоцика раочета схемы утилизации теплоты ПВО сушильных шпшн на основе тершси' онннх рекуператоров с зонами испарения и конденсации на базе стандартных калориферов, В ходе расчета определяется передаваемый тепловой соток в зонах испарения и конденсации, температура греющей и нагреваемой сред при известных раоходах и начальных температурах. Расчет коэффициента теплоотдачи при охлаждении насьвденной ПВС в терш-оифонных рекуператорах цроводигся с учетом шссообменнцх процессов.

6.Вредусмэтрена возюкность расчета шогооекционной системы утилизации теплоты ПВС, обеспечивающей приближение охеш движения гревдей в нагреваемой сред к наиболее выгодной протв-воточно! схеав, В ходе расчета определяется требуемэе число секций терюоифонных рекуператоров» тип и типоразмер калориферов, используемых в секциях термосифонов.

7. Иитттгненн -вдпияифныр ряс-ар-ур. ОТЙКН утилизвция тепяотн ПВО сушияьаых шашн с использованием терюсиаонных рекуператоров на базе стандартных калориферов КПС-П 01 АУЗ и КПБ-П-01 АУЗ применительно к оушмьно-ширипьноЁ шишне йирмы "Кого" с оптимизацией выЗора калориферов по минимальной площади поверхности теплообмена, при заданной тепловой нагрузке, что позволяет снизить сто шесть всей системы в целом.

По ,Б9ЩС?ам дцодщащц 9ИйДЮ9Р¥га 9Д9ЩЩ ра0ОТИ

1, Корнеев С.Д., Первак Г.И. Исшльзование теплоты отработавшей паровоздушной омвси сушильных машин // Текстильная промышленность, - 1ЭЭ2. - 19. - с,32-33«

2, Корнеев СД,, Первак Г, И, Тепловой расчет системы терыо-ои?онных рекуператоров - утилизаторов тепла паровоздушной, смеси сушильных шшин //Текстильная прошшленность. - 1994. - Й1. -С,38-39,

3, Корнеев С.Д., Первак Г,И. Расчет коэффициента теплопередачи от насыщенной ПВО // Текстильная промышленность. - 1994. -£2. - о,39-40.

' 4. Корнеев С,Д., Первак Г,И. Работа терюсщовного рекуператора в систешх использования вторичных энергоресурсов //Текстильная цромшшешюсть. - 1994, - Ш-й, - с.54-55.

ЛР А 020753 от 04.03.93

Подписано впечать I5.XII.95 Сдано в производство 15.XII.95 Фориат бумаги 60 х 84/16 Бумага ШОК. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 0,75 Заказ 525 Тираж 80

Электронный набор МГТА, 117918, Малая Калужская, I