Регенерация теплоты

Важнейшим направлением энергосберегающей политики является создание комплексных установок, схемы и устройство которых обеспечивают рациональное использование потенциала отходящих потоков, образующихся на различных стадиях процесса, для осуществления последующих стадий [2].

Из анализа тепловых балансов конвективных сушильных установок следует, что наибольшие потери теплоты обусловливаются отходящим сушильным агентом и потерями теплоты в окружающую среду. Таким образом, становятся очевидными принципиальные пути повышения тепловой экономичности конвективных сушильных установок: снижение потерь теплоты с уходящим сушильным агентом (или рациональное использование этого вида вторичных энергетических ресурсов) и в окружающую среду конструкциями установок. Очевидно, что перспективным направлением в экономии топлива и энергии при обезвоживании влажных материалов в конвективных сушильных установках является рациональное использование теплоты уходящего сушильного агента в различного рода утилизационных установках.

Одним из перспективных способов повышения энергетической эффективности сушильных установок является применение тепло­вых труб для утилизации теплоты отработанного воздуха.

Тепловая труба как основной элемент теплообменника для утилизации теплоты отработавших газов представляет собой герметизированный сосуд с капиллярно-пористой вставкой, выполняющей функцию фитиля. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы (зона испарения) жидкость, которой пропитана вставка, испаряется. Пар поступает к более холодному концу трубы (зона конденсации), где осуществляется отвод теплоты конденсации. Регулирование теплового потока, передаваемого тепловой трубой, может осуществляться, например, изменением угла ее наклона. Выбор материалов для изготовления тепловых труб и рабочих жидкостей осуществляют, прежде всего, в зависимости от диапазона рабочих температур.

Чаще других для изготовления труб применяют медь, алюминий, нержавеющую сталь, а в качестве рабочих жидкостей используют фреоны, ацетон, воду.

Тепло­вые трубы устанавливаются в калорифере вертикально, внутри труб происходит непрерывный процесс испарения и конденсации рабочего тела при высоких значениях коэффициента теплоотдачи. На рис. 2.8
показан общий вид установки тепловых труб в калорифере-утилизаторе сушилки.

Рис. 2.8. Тепловые трубы в утилизаторе сушильной установки

Наряду с этим сохраняется актуальность совершенствования обычных рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов.

Для утилизации теплоты в сушильных установках применяются рекуперативные теплообменники «воздух—воздух». Это могут быть например, пластинчатые теплообменники, теплообменники с промежуточными теплоносителями и др.

На рис. 2.9 показана схема регенерации теплоты воздуха, уходящего из барабанной сушилки, основанная на применении пластинчатого теплообменника-рекуператора. При реализации подобных схем удается добиться значительной (от 20 до 60%) экономии первичной энергии, затрачиваемой на сушку.

Рис. 2.9. Схема применения теплообменника в сушильной установке для регенерации теплоты:

1 — теплообменник-рекуператор; 2 — сушилка; 3 — камера смешения; 4 — топка; 5 — шибер

Источник и потребитель теплоты могут находиться на значительном расстоянии. В таких случаях при размещении теплообменников в каналах, например, согласно кольцевой схеме, изображенной на рис. 2.10, необходимо учитывать дополнительные затраты на соединительный трубопровод и на перемещение теплоносителя.

В качестве промежуточного теплоносителя могут быть; использованы вода или высокотемпературные теплоносители.

Рис. 2.10. Схема утилизации теплоты при помощи теплообменника с промежуточным теплоносителем:

1 – сушилка; 2 – входной канал; 3 – теплообменник; 4 – контур с промежуточным теплоносителем; 5 – циркуляционный насос; 6 – вытяжной канал

Для повышения эффективности систем регенерации теплоты в сушильных установках перспективно использование тепловых насосов — преобразователей теплоты, позволяющих повысить температуру теплоносителя за счет совершения работы.

Тепловые насосы бывают трех видов: 1) компрессионные; 2) сорбционные; 3) термоэлектрические. Принцип работы компрессионных тепловых насосов (воздушно-компрессионные и парокомпрессионные) основан на последовательном осуществлении расширения и сжатия рабочего тела. В сорбционных тепловых насосах осуществляются последовательные термохимические процессы поглощения (сорбции) рабочего тела сорбентом, что сопровождается выделением теплоты, а затем выделения (десорбции) рабочего тела из сорбента с поглощением теплоты. Принцип действия термоэлектрических тепловых насосов основан на эффекте Пельтье, т. е. на выделении и поглощении теплоты в спаях термопарных цепей при прохождении через них электрического тока.

Наиболее перспективны для широкого применения парокомпрессионные тепловые насосы.

Как известно, теплонасосная установка состоит из тех же основных элементов, что и холодильная установка (испаритель, компрессор, конденсатор), и работает по термодинамическому циклу, обратному тепловому двигателю.

На рис. 2.11 показаны принципиальная схема теплонасосной сушиль­ной установки с воздушным теплообменником-рекуператором и основные параметры протекающего в ней процесса в I-d -диаграмме.

Рабочее тело (хладагент) всасывается компрессором, сжимается до давления конденсации Р _ки направляется в конденсатор. Конденсируясь, оно отдает теплоту сушильному агенту, а затем направляется в регулирующий вентиль, где дросселируется до давления Р ₀. С этим давлением рабочее
тело поступает в испаритель и испаряется за счет теплоты отработанного сушильного агента (воздуха), который охлаждается ниже точки росы и при
этом осушается. Отделение выделившейся влаги происходит во влагоотделителе (сепараторе), после которого воздух попадает в теплообменник-рекуператор. Здесь происходит его предварительный нагрев. Затем воздух направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается до требуемой температуры, с которой он вентилятором подается в сушильную камеру. Отработанный сушильный агент проходит через теплообменник, где за счет его теплоты происходит предварительный нагрев воздуха и далее поступает в испаритель, охлаждается и осушается.

Рис. 2.11. Сушильная установка с тепловым насосом:

а – принципиальная схема ТНСУ установки с воздушным теплообменником: 1 – компрессор; 2 – регулирующий вентиль; 3 – испаритель рабочего тела (охладитель и осушитель воздуха); 4 – сепаратор (для отделения сконденсированного из воздуха пара); 5 – теплообменник-рекуператор (для предварительного нагрева поступающего воздуха); 6 – сушильная камера; 7 – конденсатор рабочего тела (основной нагреватель воздуха); 8 – вентилятор; б – изображение процесса, протекающего в ТНСУ с воздушным теплообменником в I-d -диаграмме: процесс 1-2 – предварительный нагрев воздуха в теплообменнике-рекуператоре; 2-3′ - основной нагрев воздуха в конденсаторе; 3′-3 – дополнительный нагрев воздуха в вентиляторе; 3-4 – увлажнение и охлаждение воздуха в сушильной камере; 4-5 – охлаждение воздуха в теплообменнике; 5-6-1 – охлаждение и осушение воздуха в испарителе и сепараторе

Рис. 2.11, б

Применение воздушного теплообменника-рекуператора снижает нагрузку на конденсатор теплового насоса, что повышает энергетическую эф­фективность установки. Теплонасосные установки могут работать в режиме полной рециркуляции или с выбросом части отработанного воздуха. В не­которых схемах («разомкнутых по воздуху») отработанный сушильный агент поступает в испаритель, а в конденсаторе нагревается только наружный воздух, поступающий затем в сушильную камеру. При подаче в испаритель
только наружного воздуха энергетическая эффективность применения теплонасосной установки снижается примерно на 25%. При этом возможно также обмораживание испарителя.

Контрольные вопросы

1. В чем особенности материального баланса конвективной сушки? Как определяют расход воздуха (общий и удельный) на сушку?

2. Напишите формулы для определения количества высушенного материала и испаренной влаги при известных начальной и конечной влажности ма­териала на общую и сухую массу и производительности сушилки по исход­ному материалу.

3. Почему в теоретической сушилке энтальпия теплоносителя остается по­стоянной, несмотря на уменьшение его температуры в процессе сушки?

4. Почему (с физической точки зрения) в действительной сушилке при Δ<0 энтальпия выходящего из сушилки теплоносителя меньше, чем входящего?

5. Имеются ли потери тепла в теоретической сушилке? Изобразите на I-d-диаграмме процесс в теоретической сушилке с однократным использованием сушильного агента. Почему процесс в теоретической сушилке протекает при I = const?

6. Чем отличается действительная сушилка от теоретической? Что означает величина Δ в действительной сушилке? Какие она может иметь значения и как в зависимости от ее значения изменяются удельные расходы воздуха и тепла на 1 кг испаренной влаги?

7. Какие преимущества и недостатки имеет по сравнению с теоретической сушилкой с однократным использованием теплоносителя теоретическая сушилка с рециркуляцией? Действительная сушилка с рециркуляцией?

8. Почему можно пользоваться I, d -диаграммой, построенной для воздуха, при графоаналитических расчетах процессов сушки топочными газами?

9. Почему удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги при сушке топочными газами больше, чем при сушке воздухом?

10. Интенсивность каких процессов влияет на скорость сушки влажного материала?

11. Изобразите на I-d -диаграмме процесс в действительной сушилке с однократным использованием сушильного агента при Δ<0 и Δ>0.

12. Изобразите на I-d -диаграмме теоретические процессы для вариантов сушки горячим воздухом: а) с рециркуляцией сушильного агента и б) с промежуточным по­догревом. Как построить для этих вариантов действительные процессы при Δ<0 и Δ>0?

13. Какие преимущества и недостатки имеют сушилки на горячем воздухе с ре­циркуляцией и промежуточным подогревом по сравнению с сушилкой с однократным использованием сушильного агента и в каких случая они применяются?

14. Изобразите на I-d -диаграмме теоретические процессы для сушки материала топочными газами для вариантов с однократным использованием и рециркуляцией су­шильного агента. Укажите, как определяются расходы тепла и газов на 1 кг испарен­ной влаги. Зависит ли расход тепла от влажности топлива?

15. Какие преимущества и недостатки имеет сушка материала топочными газами по сравнению с сушкой горячим воздухом? Каким образом снижается пожарная опас­ность сушилок на топочных газах? Укажите области применения сушилок, работающих на топочных газах.

Дата добавления: 2014-01-20