Рис. 1. Принципиальная схема системы утилизации с промежуточным теплоносителем
Рис. 2. Принципиальная схема
Не секрет, что в технологических процессах ряда промышленных предприятиях имеются избытки теплоты, а на других — потребность. Кроме того, потенциальными потребителями теплоты являются инженерные системы этих предприятий. Для полезного использования избытков теплоты (ВТЭ), выделяющегося в технологическом процессе, а также его перераспределения, широкое распространение нашли системы с промежуточным теплоносителем.
Как, правило, эти системы состоят из каналов, по одному из которых перемещают теплоноситель вторичных энергоресурсов (ВЭР), а по другим — теплоноситель потребитель теплоты ВЭР (например, наружный воздух приточной системы вентиляции) В каждом канале устанавливаются теплообменники. Теплообменники объединены между собой циркуляционным контуром, по которому специальным побудителем перемешается промежуточный теплоноситель [1].
Эти установки позволяют эффективно использовать теплоту ВЭР, в основном, для утилизации теплоты одиночных источников ВЭР. При наличии нескольких источников ВЭР приходится применять несколько таких установок, но при этом не всегда удается полностью использовать рабочие диапазоны начальных и конечных параметров теплоносителей ВЭР и потребителей теплоты ВЭР, не говоря уже о перераспределении теплоты ВЭР между потребителями.
Поэтому в технике нашли применение групповые теплоутилизационные системы. В этих системах имеется несколько теплоносителей с различными рабочими диапазонами начальных и конечных граничных параметров ВЭР и потребителей теплоты ВЭР. Теплообменники, установленные в каждом канале, соединены между собой циркуляционным контуром промежуточного теплоносителя [2]. Этим установкам свойственны следующие недостатки:
- хотя системы позволяют воспринять максимальные параметры теплоносителей ВЭР в ряде каналов, но тут же теряет их, за счет смешения с промежуточным теплоносителем, отводимых от теплообменников, размещенных в каналах теплоносителей ВЭР с пониженными параметрами;
- не представляется возможным эффективно использовать максимальный потенциал имеющегося в наличии теплоносителя ВЭР, для индивидуального нагрева, хотя бы одного из теплоносителя потребителя ВЭР.
Ниже дается описание теплообменной установки (рис. 1), которая позволяет устранить указанные недостатки, повысить эффективность передачи теплоты, ее использования и перераспределения. Это достигается тем, что теплообменники, в каждом канале, выполняются из секций. Количество и размер секции обусловливается промежутками между соседними по величине граничными параметрами всех теплоносителей в рабочем диапазоне начальных и конечных параметров теплоносителя соответствующего канала, а входы и выходы промежуточного теплоносителя из секций в пределах каждого промежутка, дополнительно соединены между собой перемычками.
Таким образом, перемычки позволяют регулировать расходы промежуточного теплоносителя по кольцам, обеспечивая оптимальные расходы промежуточного теплоносителя как по основным потокам теплоносителей ВЭР и потребителей ВЭР, но и также по образовавшимся индивидуальным циркуляционным кольцам промежуточного теплоносителя между основными теплообменивающимися потоками.
Именно перемычки позволяют регулировать расходы промежуточного теплоносителя по кольцам, обеспечивая оптимальные расходы промежуточного теплоносителя [1]. В зависимости от сочетаний начальных и конечных граничных параметров теплоносителей на некоторых перемычках может оказаться, что потребуется устанавливать местные побудители (насосы) движения теплоносителей.
На рис. 1 представлена принципиальная схема такой групповой системы утилизации с промежуточным теплоносителем. Система содержит две группы каналов 1, 2 для перемещения теплоносителей ВЭР 3, 4, 5, 6 и перемещения потребителей теплоты ВЭР 7, 8, 9, 10, 11. Каждый канал по своим техническим или технологическим особенностям теплоносителя допускает различные рабочие диапазоны начальных и конечных граничных параметров.
Следует отметить, что приводимый на рис. 1 вариант системы, умышленно взят несколько утрированным, чтобы наиболее полно пояснить работу системы. Так, в качестве примера, для теплоносителей ВЭР, перемещаемым по каналам 3, 4, 5, 6, примем рабочие диапазоны начальных и конечных граничных параметров для ВЭР канала 3: тепловой эквивалент теплоносителя — W3–3; начальный параметр (температура) T31–100 °C; конечный параметр (температура) T32–55 °C; соответственно, для каналов 4, 5, 6 — W4–4, T41–90, T42–15; W5–2, T51–70; T52–20; W6–1,5, T61–45, T62–30. Аналогично для теплоносителей потребителей ВЭР, перемещаемых по каналам 7, 8, 9, 10, 11, соответственно: W7–1,5, T71–90, T72–25; W8–2,5, T81–80, T82–20; W9–1, T91–70, T92–20; W10–2, T101–40, T102–5; W11–1,8, T111–50, T112–25 (численные значения приведены для примера и представлены на рис. 2). В каждом канале 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 размещены теплообменники 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, соединенные циркуляционным контуром 21 промежуточного теплоносителя с побудителем 22.
Теплообменники выполнены из секций, количество которых в каждом канале обусловлено промежутками а, б, в, г, д, е, з, и, к, л, м между соседними по величине граничными параметрами Тi1 и Тi2 (здесь i — номер канала; 1 — больший параметр для канала; 2 — меньший) теплоносителей в рабочем диапазоне начальных и конечных параметров теплоносителя Тi1 и Тi2 соответствующего канала. Согласно рис. 1, если рассматриваем, например канал 4, то его рабочий диапазон ограничивается начальными и конечными параметрами Т41–90, Т42–15 и в этот диапазон включаются 10 промежутков б, в, г, д, е, з, и, к, л, м, обусловленных соседними по величине граничными параметрами T41; T81; T91; T51; T111; T32; T101; T61; T72, T112; T62, T82, T92; T52; T42; T102.
Для удобства каждой секции на рисунке присвоено обозначение, состоящего из номера теплообменника который она составляет с индексом, характеризующего промежуток. Так, секция 16е — это секция является неотъемлемой частью теплообменника 16, смонтированного в канале 7 и работающая в промежутке «е» соседних по величине граничных параметров теплоносителей. Входы и выходы промежуточного теплоносителя всех секций в пределах каждого промежутка, дополнительно соединены перемычками 23.
По крайней мере, на одной, из перемычек 24, может быть установлен вспомогательный побудитель 25 движения промежуточного теплоносителя. Как выявится из расчетов с учетом принятых выше параметров, именно на перемычке 24 требуется перекинуть часть промежуточного теплоносителя из теплообменников потребителей ВЭР в те6плообменники теплоносителей ВЭР. Через две перемычки все перемычки будут транспортировать промежуточный теплоноситель в аналогичном направлении. Порядок расчета таких систем:
- Рассматриваем каждое циркуляционное кольцо, образованное секциями теплообменников теплоносителя ВЭР и секциями теплообменников потребителей ВЭР (например, секции 12а и 16а, и т.д.) и соединяющими их перемычками.
- Определяем величины тепловых эквивалентов теплоносителей ВЭР Wи и потребителей теплоты ВЭР Wп.
- По зависимостям [1, 2] определяем общий тепловой эквивалент промежуточного теплоносителя, который должен циркулировать в рассматриваемом кольце Wц.
- Далее в тех случаях, когда в кольце с одной стороны несколько секции тепловой эквивалент распределяется между секциями одной стороны пропорционально тепловым эквивалентам, проходящим через них теплоносителей. Так, для циркуляционного кольца «Д» Wц–7,76 и распределяется соответственно W12д–2,59; W13д–3,45; W14д–1,72; W16д–1,71; W17д–2,85; W18д–1,14; W20д–2,054.
- Определяем величины тепловых эквивалентов промежуточного теплоносителя, которые должны перетекать от секций с одной стороны системы в секции на другую сторону. Одновременно определяется направления их движения. Начинаем с первого кольца по направлению движения теплоносителя ВЭР.
Согласно проведенным расчетам через первое кольцо протекает промежуточный теплоноситель с W–2,0, по второму соседнему должно циркулировать — W–5,1, следовательно, по второй перемычке должно быть переброшено на сторону потребителей теплоты ВЭР W = (5,1 – 2) = 3,1. Аналогично рассуждаем и на третьем кольце. По кольцу должно циркулировать W–5,83, со второго кольца поступает W–5,1, следовательно, по третьей перемычке должен проходить промежуточный теплоноситель, характеризующийся тепловым эквивалентом W–0,73.
- Определяем места размещения циркуляционных насосов. Основной циркуляционный насос следует установить на участке с большим тепловым эквивалентом.
- Проводим анализ возможного движения промежуточного теплоносителя от основного насоса и выявляем перемычки, на которых невозможно обеспечить требуемое движение промежуточного теплоносителя. На этих перемычках устанавливаем вспомогательный насос.
- Для определения степени нагрева и охлаждения теплоносителей ВЭР и потребителей теплоты ВЭР необходимо задаться температурами промежуточного теплоносителя. Обычно в системах утилизации ее принимают на стороне ВЭР на 3–5 °C ниже температуры ВЭР, а на стороне потребителей теплоты ВЭР на те же 3–5 °C выше.
Таким образом, рассмотренный в статье алгоритм компоновки систем утилизации обеспечивает наивысшую эффективность использования температурных потенциалов, гибкое перераспределение теплоты между потребителями и обеспечить утилизацию максимального количества теплоты.
