1.2. Анализ конструкций теплоутилизаторов контактного типа
Более эффективное использование теплоты газов газифицированных котельных, существенное снижение потери теплоты с уходящими газами и соответствующее снижение расхода природного газа на котлы возможно получить путем установки поверхностных или контактных аппаратов с активной насадкой (КТАНов) за хвостовыми поверхностями /38,79,86, 88-91/.
Поверхностные теплоутилизаторы являются в конструктивном отношении теплообменниками калориферного типа.
В литературе по их испытаниям и применению имеется достаточно обширный материал, поэтому в настоящей работе поверхностные теплоутилизаторы не рассматриваются /38, 51,79/.Математическое моделирование тепловых процессов, рассмотренное ниже, можно распространить как на поверхностные, так и на контактные теплоутилизаторы. С этой целью в контактных теплоутилизаторах необходимо положить расход орошающей жидкости, равный нулю.
Применение КТАНов, установленных в любых котельных, работающих на природном газе, позволяет повысить эффективность использования природного газа на 8-12% /7,15,17,89/.
КТАН является аппаратом рекуперативно-смесительного типа. Он предназначен для утилизации теплоты дымовых газов и одновременной их очистки. Он состоит из корпуса, изготавливаемого из листовой стали, системы орошения, активной насадки, выполненной в виде пучка горизонтальных труб, с циркулирующим в них теплоносителем и сепарационного устройства, В КТАНе организуются два независимых друг от друга потока воды: чистой воды, подогреваемой через поверхность, и орошающей воды, которая нагревается в результате непосредственного контакта с уходящими дымовыми газами. Чистый поток воды протекает внутри трубок и отделен стенками трубок от загрязненной орошающей воды. Пучок труб является насадкой, предназначенной для создания развитой поверхности контакта орошающей воды и дымовых газов.
Такая поверхность, внутри которой циркулирует вода, участвует в теплообмене и поэтому называется активной.
Наружная поверхность пучка труб (поверхность активной насадки) в КТАНе омывается дымовыми газами и орошающей водой, что интенсифицирует теплообмен в насадке. Теплота дымовых газов в них передаётся воде, протекающей в активной насадке, за счёт непосредственной передачи теплоты дымовых газов и орошающей воды и за счёт конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах, на поверхности насадки.Температура воды на выходе из насадки ограничивается температурой мокрого термометра дымовых газов. При сжигании газа с коэффициентом избытка воздуха 1,0 -М,5 температура мокрого термометра дымовых газов составляет 55°-^60°С, поэтому максимальная температура воды на выходе из активной насадки принимается не выше 50°С. Температура дымовых газов на выходе из КТАНа принимается на 8-Н0°С выше температуры холодной воды, поступающей в нижний слой насадки.
Дымовые газы, пройдя насадку, поступают в сепарационное устройство, в котором происходит отделение капель воды от газов. После сепарационного устройства влажные дымовые газы подсушиваются путем смешения с 7-г 10 % горячих газов, проходящих по байпасной линии, минуя КТАН. Подсушенные газы дымососом удаляются в атмосферу через дымовую трубу. Одновременно с процессами тепломассообмена в КТАНе происходит очистка дымовых газов от механических примесей неполного сгорания топлива (сажа), которые улавливаются орошающей водой, собираются в баке-отстойнике, откуда периодически удаляются. Кроме того, в КТАНе абсорбируются и газообразные загрязняющие вещества: диоксид азота, серы, с образованием слабых кислот: азотной, серной. Поэтому при сбросе орошающей жидкости ее необходимо нейтрализовать путем смешения с щелочной водой или путем добавления соды.
Контактный теплообменник с активной насадкой является сравнительно новым утилизационным оборудованием, поэтому его производство заводами не налажено. Для установки КТАНа на конкретном котлоагрегате разрабатывается его конструкция, и он изготавливается как нестандартное оборудование.
Конструкция КТАНа имеет существенный недостаток: подвод газов осуществляется сверху вниз, то есть по прямоточной схеме по отношению к орошающей воде.
Это укорачивает время контакта орошающей воды и дымовых газов. Кроме того, жалюзийного сепарационного устройства недостаточно, чтобы эффективно улавливать капли орошающей воды, уносимой с дымовыми газами. Даже, если газ и орошающая жидкость движутся по противоточной схеме, то времени контакта сред не достаточно для осуществления тепло- и массообмена.Для повышения потенциала утилизируемой теплоты, видимо, можно использовать в котельных тепловые насосы. Такие тепловые схемы применительно к котельным не разработаны.
Тепловые насосы, в силу того, что они избавлены от большинства недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом. Уже в 1980 году в США работало около 3 млн теплонасосных установок. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 % от суммарной теплоты, а 25 % - относится к централизованному теплоснабжению. В России теплонасосные установки находятся на стадии единичного внедрения /7,38/.
Стоимость теплонасосной станции мощностью от 100 кВт до 10 МВт в странах Западной Европы по данным литературных источников /Ст. АВОК/ составляет 600-700 у.е./кВт. Срок окупаемости теплового насоса не превышает двух лет. В России срок окупаемости тепловых насосов значительно ниже, так как из-за большей продолжительности отопительного периода увеличено время их работы.
Экономический эффект от применения тепловых насосов будет, видимо, выше на 40-50%, если их использовать в котельной для производства холода в виде рассола, который подается в системы кондиционирования воздуха.