CC BY
39
УДК 66.047
М.П. Тюрин, Л.М. Кочетов, В.Б. Сажин*, В.И. Курин, М.А. Апарушкина
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия *Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ЭФФЕКТИВНЫЕ ТИПОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Typical devices for recycling of warmth of technological emissions of the chemical and textile enterprises are considered. On the basis of their analysis for recycling of warmth of steam-air mixes the vortical multipurpose device allowing on a number with recycling of warmth to carry out clearing of emissions from a heat - of gas pollution is offered. Tests have shown its high efficiency.
Рассмотрены типовые устройства для утилизации теплоты технологических выбросов химических и текстильных предприятий. На основании их анализа для утилизации теплоты паровоздушных смесей предложен вихревой многофункциональный аппарат, позволяющий на ряду с утилизацией теплоты осуществлять очистку выбросов от пылегазовых загрязнений. Испытания показали его высокую эффективность.
Анализ тепловых балансов текстильных предприятий показал, что тепловые ВЭР на текстильных предприятиях могут достигать 50 и более процентов от всей технологической теплоты [1, 2]. Следует отметить, что технологическая теплота, подводимая к теплотехнологическим установкам (сушильные установки, красильные и промывные аппараты), практически вся переходит в теплоту ВЭР, т.е. теплоту сбросных растворов и теплоту паровоздушной смеси. Как показывает эксергетический анализ, в теплотехнологических установках данного типа низкопотенциальная отработанная теплота является основным резервом экономии ТЭР.
Как показал анализ, основную долю вторичных энергетических ресурсов составляют теплота выбрасываемой паровоздушной смеси, теплота отработанной воды и сбросных растворов, а также теплота уходящих газов парогенераторов. При этом температурный потенциал ПВС составляет 65-
110 ° С, сбросных растворов - 30-95 ° С, уходящих газов - до 400 ° С .
Технико-экономические исследования показали, что с точки зрения утилизации теплоты, тепловые ВЭР следует разделить на две группы: ВЭР с
температурой выше 60 -70 ° С и ВЭР с температурой до 60-70 ° С . Вторичные тепловые энергетические ресурсы первой группы целесообразно использовать для нагрева технологических теплоносителей в теплообменных аппаратах, либо непосредственно использовать в технологических процессах в зависимости от их состава и наличия загрязнений. Экономический эффект от использования тепловых ВЭР второй группы, имеющих температуру ниже 60 °С , может быть получен с помощью тепловых насосов, повышающих тепловой потенциал теплоносителя до такого уровня, при котором становится возможным его использование в соответствующих теплотехнологических аппаратах. С этой целью для условий текстильного производства разработана и предложена двухуровневая по температуре теплонасосная установка, позволяющая повысить температурный потенциал нагреваемого сушильного агента до 100-110°С [1].
Анализ тепловых отходов в виде сбросных растворов и паровоздушной смеси показал, что в них содержатся загрязнения на основе составляю-
щих моющих и красильных средств, а также волокнистых материалов, что обусловливает определенные трудности при утилизации их теплоты.
Теоретические и экспериментальные исследования в области создания оборудования для утилизации теплоты ПВС позволили сделать вывод о перспективности использования в этих целях вихревого многофункционального аппарата (ВМФА) на базе аппарата со встречными закрученными потоками (ВЗП). В аппарате ВМФА обеспечиваются высокие скорости потока газа (5-25 м/с) без снижения эффективности улавливания влаги. Одним из основных преимуществ вихревого аппарата является наличие в рабочем объеме аппарата высокоразвитой поверхности теплообмена, включающей в себя капельную, пленочную и пенную поверхности раздела фаз [1, 2]. Высокие относительные скорости движения фаз и высокоразвитые поверхности раздела фаз обеспечили высокую эффективность аппаратов. Коэффициент тепломассообмена аппарата на порядок выше, чем в известных промышленных аппаратах, используемых для тех же целей. Это позволило получить требуемый эффект утилизации теплоты при минимальных габаритных размерах и металлоёмкости. Имевшиеся до настоящего времени смесительные тепломассообменные аппараты имели значительные габаритные размеры, большую металлоёмкость и, следовательно, большую себестоимость. Кроме того, некоторые утилизаторы теплоты ПВС для увеличения интенсивности процессов тепло - и массообмена имели вращающиеся разбрызгивающие устройства, что существенно усложняло конструкцию и обслуживание установки, а также снижало её надёжность. С целью получения математического описания гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах типа ВМФА была разработана физическая модель процессов переноса в таком аппарате, которая основывалась на нижеприведенных допущениях. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур между потоками газа и жидкости. В качестве движущей силы процесса тепломассообмена принята разность температур по мокрому термометру в слое насыщенного газа, однозначно определяющая разность энтальпий на границах слоя. За движущую силу процесса массообмена принята разность концентраций на границах пограничного слоя ненасыщенного газа.
На основании принятой модели были получены уравнения интенсивности процессов теплообмена (1) и массообмена (2).
А = /Л£ =е~км-тм-уА т
где Л?ом = £1М - н, Л/т м = /2м — ?ж.к 7 кг = а ■ с1Рт /с/ГА , где кму -
объемный коэффициент теплопередачи; /'У - теплопередающая поверхность; \га - объем рабочего пространства аппарата.
Дс = Д Ст/Д С„ = ■ '*, (2)
где Д. - объемный коэффициент массопереноса.
С учётом аналогии процессов тепло - и массообмена
^Т.М _ ДСг А А
или Аг - Ас. (3)
ом о
На основании анализа составляющих уравнения (1) получено выражение (4) более удобное для расчёта интенсивности процесса тепломассообмена, поскольку исключает одну из неизвестных величин, а именно, 1ЖЖ.
К,) Ir = t(ei h'1
^се A hi
с /
I . kv •'"/ -I .1 Вт +1
где Вт = ('ж Срж •
[ * С■
Уравнения (1-4) были использованы для расчёта соответствующих процессов в аппаратах ВМФ А. В уравнении (3) предполагается использование отношений средних за весь процесс движущих сил к максимальным. При этом, как показывает анализ, можно использовать средние арифметические температурные и концентрационные напоры.
Анализ параметров, входящих в уравнение (4), позволил получить критериальную зависимость для расчета процесса тепломассообмена в виде
КтПу = А • Яе6- Вту • Кх- К2, (5)\
где Ке - число Рейнольдса; Вту - число тепловых эквивалентов; К\ и К2 -коэффициенты, соответственно учитывающие кратность расхода - К (т.е. соотношения восходящего и нисходящего потоков газа) и отношение расхода жидкостей для нисходящего и восходящего потоков газа.
На основании проведенных исследований были разработаны конструкции опытно - промышленных образцов вихревых многофункциональных аппаратов с регулируемой гидродинамикой для утилизации теплоты и очистки выбросного воздуха от пыли и некоторых газов, предназначенных для различных типовых условий их работы, а также инженерные методы их расчета. Экспериментальные исследования процессов тепломассообмена проводились на опытно-промышленных образцах аппарата в производственных условиях на запарных установках, зрельниках и конвективных сушильных установках в относительно широком, характерном для данного типа установок, диапазоне температур и влажности воздуха. Обработка результатов эксперимента проводилась по двум методам. В первом случае по критериальной зависимости для коэффициента интенсивности тепломассообмена (5) с целью разработки инженерных методов расчёта. Во втором случае по выражению для объемного коэффициента тепломассопередачи для сравнения со стандартными аппаратами
kv —
F + E-——^ • 1 + ^- -КГК2-10% (6)
G ■с 1000 12 w
v ■= Р‘ J V /
где F и Е - постоянные коэффициенты; tcp = (%г;, + ^)/2 - средняя температура жидкости и газа на входе в аппарат.
Расчеты показывают, что коэффициент тепломассопередачи в многофункциональных аппаратах на порядок выше чем в обычных скрубберах.
Библиографические ссылки
1. Сажин Б.С. Энергосберегающие процессы и аппараты текстильных и химических предприятий./Б.С.Сажин, М.П. Тюрин. М.: МГТУ, 2001.
2. Сажин Б.С. Исследование процессов теплообмена в вихревом смесительном аппарате./ Б.С. Сажин, М.П. Тюрин // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2002. №3.
