Теплоутилизаторы с применением тепловых труб

Теплообменники на тепловых трубах и термосифонах в отличие от традиционных рекуперативных позволяют осуществлять подвод и отвод теплоты из узлов, доступ к которым затруднен, придавать теплообменным поверхностям форму, наиболее эффективную для конкретных условий процесса, надежно разделять зоны обменивающихся сред, повышать эксплуатационные характеристики (под этим понимается возможность очистки теплообменных поверхностей) В ряде конструкций предусмотрена возможность автономности работы каждого элемента, что обеспечивает повышенную надежность работы теплообменника в агрессивных средах, так как выход из строя нескольких элементов практически не влияет на эффективность всего аппарата.

Тепловая труба и термосифон:

а — тепловая труба;

б — термосифон:

1-отвод теплоты;

2-подвод теплоты;

3-пар;

4-конденсат;

5-фитиль.

Тепловая труба (рис. а) представляет собой закрытую герметичную трубу или камеру самой разнообразной формы, внутренняя поверхность которой выложена капиллярнопористым фитилем. Фитиль насыщен жидкой фазой рабочего вещества (теплоносителем), а остальной объем трубы заполнен паровой фазой теплоносителя. Зона тепловой трубы, в которую подводится теплота, называется испарителем, а зона отвода теплоты — конденсатором. Теплота, поступающая от внешнего источника к испарителю тепловой трубы, вызывает испарение теплоносителя на этом участке трубы. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя к конденсатору, где он конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования внешнему нагреваемому потоку. В результате постоянного испарения количество жидкости в фитиле уменьшается, и поверхность раздела фаз жидкостьпар сдвигается внутрь его объема. При этом в фитиле возникает капиллярное давление, под действием которого жидкость из зоны конденсации возвращается в зону испарения.

Таким образом в тепловой трубе скрытая теплота парообразования непрерывно переносится от испарителя к конденсатору при постоянно смоченном фитиле.

Более простым устройством по сравнению с тепловой трубой является термосифон (рис. б), который представляет собой гладкую герметичную трубу, частично заполненную жидкостью (теплоносителем). При нагреве нижнего конца трубы жидкость испаряется и пар направляется к верхнему холодному концу трубы, где конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил стекает к нижнему концу трубы. Так как скрытая теплота парообразования вещества, заполняющего термосифон велика, значительное количество теплоты передается приемнику теплоты даже при очень малой разности температур между концами термосифона, что обеспечивает высокую эффективную теплопроводность. Иногда термосифон называют безфитильной тепловой трубой.

Для повышения эффективности процессов испарения и конденсации из внутренней полости тепловых труб и термосифонов откачивают воздух. В отличие от термосифона расположение испарителя в тепловой трубе не влияет на показатели ее работы, и труба может работать при любой ориентации в пространстве, так как возврат конденсата в испаритель происходит под воздействием капиллярных сил. В качестве теплоносителя в зависимости от рабочего интервала температур используют жидкие металлы, воду, метанол, фреон, азот и др.

Теплообменники с тепловыми трубами или с термосифонами обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными теплообменниками, особенно при передаче теплоты от газа к газу:

1. отсутствие подвижных элементов, исключение внешнего источника энергии для перекачки промежуточного теплоносителя; каждая тепловая труба является автономным теплопередающим элементом;

2. большая площадь теплообменной поверхности в единице объема;

3. разгерметизация нескольких тепловых труб не приводит к прямому контакту обменивающихся сред;

4. простота обслуживания, легкий доступ к теплообменным поверхностям со стороны каждого из потоков, что упрощает процесс очистки теплообменника;

5. возможность рекуперации теплоты при малых разностях температур, что обеспечивает эффективность использования теплообменника;

6. возможность работы в потоках с высокой влажностью; при охлаждении потока влажного газа ниже температуры точки росы конденсат стекает в расположенные внизу дренажные каналы, при этом характеристики устройства не ухудшаются и;

7. реверсивность; в системах кондиционирования воздуха теплообменники могут как охлаждать, так и нагревать приточный воздух в зависимости от периода года.

Теплообменники из тепловых труб можно использовать в генераторах абсорбционных теплонасосных и холодильных установок для подвода теплоты от потока горячих отходящих газов (рис. 1). Применение такого теплообменника позволяет интенсифицировать процесс отвода теплоты от газового потока путем оребрения тепловых труб.

Рис. 1. Абсорбционная теплонасосная установка с теплообменником из тепловых труб:

1-конденсатор; 2-испаритель; 3-абсорбер; 4-теплообменник; 5 — генератор;

6-теплообменник из тепловых труб; 7-отработанные горячие газы

При неравномерном подводе или отводе теплоты теплообменник из тепловых труб можно совместить с аккумулятором теплоты (рис. 2)

В этом случае аккумулирующий материал периодически или нагревается, или охлаждается. В отдельных случаях можно использовать скрытую теплоту плавления или конденсации аккумулирующего вещества.

Рис. 2. Теплообменник из тепловых труб с аккумулятором теплоты:

1 -горячий поток; 2-холодный поток; 3-тепловые трубы; 4-аккумулятор.

Несмотря на эффективность и перечисленные преимущества тепловые трубы находят пока ограниченное применение в промышленной энергетике. Это связано в определенной мере со сложностью изготовления и установки фитиля тепловых труб.

Более широкое применение находят теплообменники из безфитильных тепловых труб — термосифонов (рис. 3)

с использованием термосифонов:

1- теплообменник из термосифонов; 2-дополнительный воздухонагреватель; 3-датчик температуры; 4 –регулирующий клапан; 5- теплообменник предварительного подогрева воздуха; 6-приточный воздуховод; 7-вытяжной воздуховод.

В отдельных случаях испарители и конденсаторы являются автономными теплообменными устройствами, которые могут отстоять один от другого иногда на значительном расстоянии. Их соединяют трубопроводами, для того, чтобы обеспечить возврат конденсата самотеком в испаритель и подачу пара в конденсатор.

В зависимости от конструкции аппарата конденсатор может находиться как внутри герметичного корпуса (рис. 1 а) так и вне его (рис. 1 б, в). Пар и конденсат в зависимости от расположения конденсаторов и формы герметичной камеры транспортируются либо по общему каналу (рис. 1, а), либо по раздельным каналам (рис. 1 б, в), причем раздельные каналы могут быть вынесены за пределы герметичного корпуса (рис. 1 б, в).

Охлаждающий теплоноситель проходит внутри трубок конденсатора.

Рис. 1 а, б, в - охлаждение плоских или цилиндрических вертикальных поверхностей;

1-промежуточный теплоноситель; 2-конденсатор; 3-каналы для транспортировки пара и конденсата; 4-вставки; 5-герметичный корпус.

В некоторых случаях целесообразно, чтобы пар проходил внутри трубок конденсатора, а охлаждающий тепло носитель - через межтрубное пространство (рис. в). При достаточно развитой поверхности конденсации и соответствующем ее оребрении тепловые потоки большой плотности можно отводить из зоны нагрева (рис. в), используя естественную конвекцию, не прибегая к организации принудительной циркуляции охлаждающего газа.

Для охлаждения технологического оборудования применяют СОВ (системы оборотного водоснабжения) открытого типа, когда технологическое оборудование непосредственно соединено с градирнями в один циркуляционный контур или закрытого типа, когда технологическое оборудование и градирни включены в независимые циркуляционные контуры, проходящие через общий теплообменник.

В зависимости от конкретных условий возможны различные сочетания систем охлаждения и нагревания: открытые двухконтурные (рис. 2a), включающие независимые циркуляционные контуры нагревания низкотемпературного теплоносителя I и охлаждения технологического оборудования и оборотного водоснабжения I I; закрытые двухконтурные (рис. 2б), когда создаются независимые циркуляционные контуры охлаждения технологического оборудования и нагревания низкотемпературного теплоносителя 1 и оборотного водоснабжения I I; закрытые трех контурные (рис. в), включающие независимые циркуляционные контуры нагревания низкотемпературного теплоносителя 1, охлаждения технологического оборудования I I и оборотного водоснабжения III.

Рис. 2.Системы утилизации теплоты охлаждаемого технологического оборудования:

а - открытая двухконтурная; б - закрытая двухконтурная; в - закрытая трех- контурная; 1 - теплоутилизатор; 2 - циркулянионный насос; 3 - техноло гическое оборудование; 4 - градирня; 5 - водоподогреватель

Применение тепловых насосы и использование низкопотенциальных ВЭР для выработки одновременно теплоты и холода позволяет по новому подойти к решению вопросов энергосбережения.

Одновременная выработка энергоносителей на тепловых насосах всегда более эффективна, чем раздельное получение теплоты и холода на традиционных установках, поскольку в этом случае необратимые потери холодильного цикла используются для получения теплоты, отдаваемой потребителю

Внедрение тепловых насосов в системы отопления и кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий актуально в связи с устойчивой тенденцияей повышения цен на топливо.

Тепловой насос — это устройство, позволяющее перенести: тепловую энергию с уровня низкого потенциала на уровень среднего потенциала с затратой энергии.

Энергетический баланс идеального теплового насоса (рис.) имеет вид:

Q₂ = Q₁+ Q₀

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

j = Q₂ / Q₁ = 1 + Q₀ / Q₁

где Q₀ / Q₁ = e - холодильный коэффициент обычной компрессионной холодильной

машины.

На отечественных предприятиях тепловых насосов двух типов: парокомпрессионных, использующих электроэнергию в качестве энергии высокого потенциала, и абсорбционных, в которых первичным является пар или горячая вода с температурами 150-170 С.

В обоих типах тепловых насосов низкопотенциальная (отбросная) теплота расходуется на испарение рабочего агента. Далее перенос низкопотенциальной энергии на более высокий уровень осуществляется с затратой высокопотенциальной энергии: в парокомпрессионном

тепловом насосе - сжатие паров рабочего агента в компрессоре, в абсорбционном – поглощение паров рабочего агента жидким абсорбентом с повышением температуры раствора, перекачка слабого раствора в зону повышенного давления и его выпаривание (разделение) с одновременным понижением температуры раствора.

Когда тепловой насос используется только для теплоснабжения, преследуется одна цель-экономия топлива по сравнению с его расходом при сжигании в котлах и печах.

Однако применение этих устройств на промышленных предприятиях позволяет рационально решить вопрос обеспечения потребителей не только теплотой, но и искусственным холодом повышенных параметров. В этом случае можно считать, что при применении тепловых насосов обеспечивается экономия топлива и снабжение потребителей одновременно теплотой и искусственным холодом повышенных параметров, а также существенно повышается качество технического водоснабжения. Последний фактор очень важен для промышленных предприятий, хотя и не выражается в столь явной форме, как экономия топлива.

Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса не отличается от схемы холодильной машины такого же типа, но интервал температур подводимых и отводимых потоков несколько иной, а объем источников и приемников теплоты

противоположный.

Компрессор I, потребляя электроэнергию, обеспечивает циркуляцию рабочего агента по замкнутому контуру, включающему конденсатор II, дроссель Ш и испаритель IV. В испарителе рабочий агент, испаряясь, отбирает теплоту от внешнего потока 1; в

конденсаторе, конденсируясь, отдает теплоту внешнему потоку 2. Поскольку парокомпрессионные тепловые насосы базируются на уже выпускаемом оборудовании, где в качестве рабочего агента в основном используется хладон R = 12; то температура теплоносителя 2 на выходе из конденсатора не превышает 80 ⁰С. При этом к испарителю необходимо подвести поток 1 с температурой 12 — 35 ⁰С, который будет охлаждаться соответственно до 5-25 ⁰С.

Температура теплоносителя 2 на выходе из конденсатора определяется конечным давлением сжатия паров рабочего агента, которое в свою очередь выбирается в зависимости от физических свойств рабочего агента, прочностных характеристик корпуса компрессора и температуры теплоносителя на входе в конденсатор.

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

j = Т_к / (Т_к – Т_и)

где Т_к и Т_и - температуры, соответственно, конденсации и кипения в конденсаторе

и испарителе теплового насоса, К.

Коэффициент преобразования растет при снижении Т_к и повышении Т_и, поэтому при выборе режима теплового насоса необходимо стремиться к сокращению разности этих температур. Не следует без необходимости повышать температуру воды, нагреваемой в конденсаторе, а при выборе температуры хладоносителя, отводимого от испарителя, надо учитывать температуру процесса в технологическом оборудовании, использующем этот хладоноситель. При этом надо учитывать, что хладоноситель, охлаждаемый в испарителе теплового насоса, циркулирует между технологическим оборудованием и тепловым насосом по замкнутому контуру, несвязанному с атмосферой, поэтому он будет значительно лучшего качества, чем вода, охлаждаемая в градирнях традиционных водооборотных систем, и может нагреваться до более высоких температур без образования отложений на теплообменных поверхностях.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса также в основном повторяет схему холодильной машины этого же типа, но последовательность прохождения потоков, подводимых к агрегату, через отдельные узлы может выполняться в нескольких вариантах в зависимости от параметров исходных потоков. Один из возможных вариантов:

В абсорбционном агрегате (тепловом насосе, холодильной машине); как правило, используются два вещества рабочий агент и абсорбент (поглотитель), имеющие различные нормальные температуры кипения и обладающие свойством — при адиабатном смешении образовывать смеси, температуры которых отличаются от температур смешивающихся веществ.

В данном случае представлена бромистолитиевый тепловой насос на базе холодильной машины АБХА-2500, в которой рабочим агентом является вода, а абсорбентом - раствор бромида лития. Исходя из физических свойств водного раствора бромида лития, можно обеспечить нагрев подведенного теплоносителя 3 от 40 до 80 С при одновременном охлаждении потока 1 от 12-35 до 5-25 ⁰С. Рабочий цикл этого теплового насоса осуществляется следующим образом. В испарителе VI из водного раствора бромида лития испаряется часть воды, отбирая теплоту от охлаждаемого внешнего потока 1. Образовавшийся водяной пар 2 поступает в абсорбер I, где поглощается раствором бромида лития. Процесс идет с выделением теплоты, используемой для начального подогрева внешнего потока 3. Разбавленный раствор бромида лития 4 насосом 11 перекачивается в генератор 111, где выпаривается до первоначальной концентрации за счет теплоты повышенного потенциала, подводимой с потоком 5 от внешнего источника. Концентрированный раствор 6 возвращается в абсорбер I, а водяной пар 7 поступает в конденсатор IV, где конденсируется, догревая поток 3. Конденсат водяного пара 8 через дроссель поступает в испаритель VI, и цикл повторяется.