Подобряване на енергийната среда в предприятия за производство на хартия

ТоплоенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2013

Възможни мерки за повишаване ефективността на кожухотръбния водоподгревател

Производството на хартия изисква използването на голямо количество енергия. То е второ по енергоемкост производство след това на стъкло. Самият процес на производство се основава на свързването на целулозни влакна, добивани от дървесни, лесно преработваеми линейни фибри. Дървесината се превръща в пулп чрез раздробяване на дървесния материал до малки стърготини, които се обработват с химикали или се стриват механично. В 42% от световното производство на хартия се използват химически процеси. Механичното получаване на пулп (15% от световното производство) изисква по-големи количества енергия, уврежда повечето от влакната и отстранява по-малко лигнин отколкото химичните процеси. Произвежданата хартия е с по-ниско качество и е много податлива на обезцветяване.

Условно мерките за намаляване на енергийните загуби от производството могат да бъдат разделени на “активни”, т. е. изграждане на апарати и съоръжения за намаляване на топлинните загуби и оползотворяване на отпадната топлина от производството, и “косвени” - предписания и анализи на енергийната среда в предприятието.

Повишаване ефективността на кожухотръбния водоподгревател (кондензатор)

Създаването на повърхности за интензификация на топлообмена може да се използва за подобряване на характеристиката на апарата в три направления. Какво ще бъде избрано зависи от целите, които трябва да преследва конструкторът. Коефициентът на топлопреминаване или топлинната проводимост се определят в най-голяма степен от най-голямото от термичните съпротивления, особено когато то значително превишава останалите. Следователно, за да се интензифицира процесът на топлопреминаване е необходимо преди всичко да се намали най-голямото термично съпротивление по пътя на топлинния поток. Коефициентът на топлопреминаване е винаги по-малък от всеки от коефициентите на топлопредаване и намалява с увеличаване на дебелината на стената, с намаляване на топлопроводността й, а също така с нарастването на дебелината на слоевете от отлагания от двете й страни. Коефициентът на топлопредаване е сложна величина, която зависи от физическите свойства на работната среда, скоростта й на движение, геометричните размери на канала и формата на топлопредаващата стена. Обикновено физичните свойства на работната среда и температурният режим са известни от изходните данни и не могат да бъдат произволно избирани за интензификация на топлообмена. Следователно, върху интензивността на топлообмена може да се влияе чрез изменение на геометричните размери на канала, скоростта на движение на топлоносителя и формата на топлообменната повърхност, определяща температурното поле. Както е известно, при взаимодействие на твърда непроницаема топлопроводяща стена с омиващ я поток се образува граничен слой, който е основното термично съпротивление. Колкото е по-голяма е дебелината на граничния слой и по-ниска топлопроводността на флуида, толкова по-слабо е топлопредаването.

Топлоносителят като фактор за интензификация на топлообмена

Намаляването на дебелината на граничния слой и увеличаване на стойностите на преносните коефициенти за момент и топлина е същността на интензификацията на топлообмена. Това може да става по различни пътища, на първо място чрез подбор на топлоносител. Определянето на топлоносител, съобразно топлофизичните му свойства, може да се разглежда като въпрос за интензификация на топлообмена при избора на съответния хидродинамичен режим. Най-изгоден хидродинамичен режим по отношение на топлообмена е турбулентният или преходният режим в граничния слой. Естественото развитие на турбулентност в потока обаче става при високи скорости на потока и значително хидравлично съпротивление, което налага да се изразходи голяма мощност за транспортирането му. Затова в много случаи, за интензификация на топлообмена е необходимо или изкуствена турбулизация на граничния слой, или намаляване на дебелината му чрез разрушаване на слоя, непосредствено до стената. Това именно налага използването на изкуствени методи за интензификация на топлообмена. Примери за такива повърхности са показани на фиг. 1.

Съвместна интензификация на топлообмена

Два или повече от методите за интензификация могат да бъдат използвани едновременно, за да се постигне по-висока степен на интензификация на топлообмена спрямо тази, постигната от отделен самостоятелен метод. Тази интензификация е позната като съвместна (комбинирана). Идеята за комбинирана интензификация на топлообмена се появява за първи път във фундаменталния обзор на проф. Артър Бергълс през 1969 г., където за първи път се лансира идеята, че комбинация между два и повече пасивни метода за интензификация на топлообмена би могла да доведе до значително повишаване на коефициента на топлопредаване. Почти 40 години по-късно този клон все още не е достатъчно развит и представлява предния фронт на интензификацията на топлообмена (четвърта генерация топлообменни технологии), където се крият много нови възможности за създаване на нови генерации топлообменни апарати.

Изборът на конкретен метод се определя от много и различни условия, но сред най-важните са:

1) Целите и задачите, които се поставят с интензификацията на топлообмена за даден клас топлообменни устройства.

2) Допустимите енергийни загуби за интензификация на топлообмена и вида на разполагаемата за това енергия.

3) Хидродинамичната структура на потока, в който се цели интензификация на топлообмена и по-точно разпределението на температурното поле в него. Познаването на тази структура би позволило да се установят областите, в които увеличаването на интензивността на турбулентните пулсации ще окаже най-голям ефект на интензификацията на топлообмена.

4) Технологичност при изработването на топлообменните апарати с интензификация на топлообмена, удобство и надеждност при експлоатацията им.

През последните няколко години в България изследователски екип изследва характеристиките на различни комбинирани повърхности за интензификация на топлообмена. Разработени са оценки за термодинамична ефективност на различни тръби с изкуствени турбулизатори.

Поведението на определена тръба в тръбния сноп на кондензатор силно зависи и от параметрите на двуфазния поток, който достига до нея, което може съществено да повлияе на характеристиките на тръбите, разположени под нея в снопа.

В практиката са внедрени и с успех работят редица топлообменни апарати, в които гладките тръби са заменени с тръби, при които е приложена комбинирана интензификация (в случая спирално-валцовани тръби (СВТ), комбинирани със спирални ленти, фиг. 2).

Увеличаване коефициент на топлопредаване при кондензация на пара

Добре известно е, че коефициентът на топлопредаване при кондензация на пара може да се увеличи поради действието на силите на повърхностно напрежение, които възникват, когато е налице криволинейна повърхност. Тези сили могат да увеличат коефициента на топлопредаване на СВТ по два начина:

а) като намаляват дебелината на слоя кондензат (съответното му съпротивление) върху изпъкналите части на канавката;

б) като увеличават дебелината на слоя кондензат във вдлъбнатите части на канавката, което от своя страна води до по-бързото му дрениране под действието на силите на теглото. Колкото е по-дебел слоя на кондензата във вдлъбната част на канавката, толкова по-интензивно ще бъде дренирането към долната част на тръбата, но само при положение, че присъствието на канавки не пречи на отвеждането на кондензата от горната към долната част на тръбата. При хоризонтално разположени СВТ тези два фактора са налице при близко и почти вертикално разположени канавки. Когато ъгълът на винтовата линия на канавката се увеличава, се удължава и пътят, който изминава стичащият се кондензат от горната към долната част на тръбата. Интензификацията на топлообмена зависи и от частта от тръбната повърхност, покрита с канавки и ще бъде по-голяма, ако тази част нараства. Когато дълбочината на канавката се увеличава, масовият поток от кондензат, който се стича по тръбата, също се увеличава, което, съчетано с по-добро дрениране, увеличава коефициента на топлопредаване. Увеличеният поток от кондензат обаче създава по-дебел слой с по-голямо термично съпротивление, което в даден момент може да елиминира печалбата от намалената дебелина на слоя върху изпъкналите части и подобреното дрениране. Аналитично решение за определяне на коефициента на топлопредаване при кондензация на пара върху външната повърхност на хоризонтална СВТ трудно може да се получи независимо, че в литературата се срещат различни модели на кондензация на водна пара върху повърхността на профилни тръби. Голяма част от тях се свеждат до съставянето на проста степенна зависимост от вида a+0,R/a+0,S = a1Wea2. Това не е изненадващо, тъй като топло- и масопреносните процеси действат едновременно в триизмерен поток със свободна повърхност, която е под влияние на силите на повърхностно напрежение. Голямото разсейване на експериментални данни също не оправдава създаването на строг математичен модел.

Въпросите, свързани с математичното моделиране на процесите на кондензация върху профилни тръби, са свързани с определянето на силите от повърхностно напрежение и налягане, т. е. с определянето на числото на Вебер.

Известно е, че стойността на Рейнолдс от страната на стичащия се филм се определя по зависимостта

Rel = 4Г/mf = (4rf2d3g)/(3mf 2), (1)

където след преобразувания за дебелината на слоя кондензат се получава

d = ((3mf2 )/(4rf2g))3 Rel3, (2).

Следователно за коефициента на топлопредаване се получава

a0 = ((4kf3g)/(3vf2))1/3Rel-0,333, (3),

а за средния коефициент на топлопредаване a` = 4/3a е получава

a`0 = 1,47 ((kf3g)/(vf2))1/3Rel-0,333 , (4).

Въвеждайки безизмерния комплекс Ф = ((kf3g)/(vf2))1/3, окончателно може да се запише

a+0 = a`/Ф = 1,47Rel-0,333, (5),

където константата 1,47 за хоризонтална тръба, следвайки процедурата Батеруорт (1983), се заменя с 1,51.

Тогава за безизмерния коефициент на топлопредаване при кондензация на пара върху хоризонтална гладка тръба се получава

a+0 = 1,51Rel-0,333, (6).

Следователно безизмерният коефициент на топлопредаване и за валцована тръба може да се представи във степенна функция от вида

a+0,R = ch,0Rel-n, (7).

Стойности за безизмерните коефициенти на топлопредаване за някои от използваните тръби в кожухотръбните топлообменни апарати са показани на фиг. 3-4.

Обобщените зависимости за нарастването на външния коефициент на интензификация на топлообмена се определят от комплексното влияние на стъпката и дълбочината на канавката. Това се определя от числото на Вебер, изразяващо връзката между силите на повърхностно напрежение и гравитационните сили.

За отчитане "честотата" на канавките се приема градиентът на налягане, причинен от силите на повърхностно напрежение, спрямо разстоянието r (една стъпка).

Дрениращите способности на канавките зависят силно от ъгъла на винтовата линия. Следователно, ако се приеме, че коефициентът на външна интензификация не зависи или слабо зависи от изменението на числото на Рейнолдс, от страна на охлаждащия флуид е възможно да се намери проста зависимост от вида

E0 = f(Wecosg), (8).

Резултатите обаче показват, че с нарастване на скоростта на охлаждащата вода в тръбите нарастват и стойностите на E0, които достигат максимални значения при 10 000 < Rei < 12 000, след което отново започват да намаляват. Следователно, за да се отчете влиянието на Rei, в сила е зависимост от вида

E0 = f(We,cosg,Rei), (9),

чието изменение е показано на фиг. 5.

Тук се вижда, че характерът на изменение на E0 = f(We,cosg,Rei) е твърде сложен и най-добре се описва с полиномиална функция от четвърти ред.

Включвайки в анализа и влиянието на стъпката на лентата, зависимостта (9) ще приеме вида

E0 = f(We,cosg,Rei, H/Di ), (10).

Ако отново се приеме, че коефициентът на външна интензификация на топлообмена не зависи от изменението на Rei, корелацията ще има вида

E0 = 1,182(Wecosg/ H/Di )-0,023, (11)

чието изменение е показано на фиг. 6 и която е напълно приложима при приблизителни инженерни изчисления.

Отчитайки, обаче стойностите на Re, значително намалява грешката при корелиране на опитните резултати. Следвайки зависимостта (11) влиянието на стойността на Рейнолдс се изразява чрез функция от вида

E*0 = E0 /((Wecosg)/ (H/Di)) = f(Rei), (12),

чието изменение е показано на фиг.7.

В заключение трябва да се подчертае, че използването на съвместна интензификация на топлообмена, чрез комбиниране на СВТ (с подходяща геометрия) със спирални ленти (с подходяща стъпка), може да доведе до значително намаляване на капиталните вложения за изработване на кожухотръбни хоризонтални кондензатори, или до значително увеличаване на топлинната мощност на апарата, когато се създават нови такива. За целта трябва да се промени конструкцията на съществуващ апарат, като се създаде нова. При ремонт най-лесният начин е да се намали броят на ходовете (когато апаратът е многоходов) и да се запази външният диаметър на кожуха. Ако съществуващият апарат е едноходов, промяната на конструкцията неизбежно е свързана с увеличаване на диаметъра на кожуха и намаляване на дължината на тръбите.

Използването на СВТ със спирални ленти за замяна на гладките тръби в действащи топлообменни апарати без да се променя конструкцията им може да се извършва само при положение, че наличната помпа е достатъчна за преодоляване на увеличените хидравлични съпротивления или може да бъде подменена с по-мощна. Намаляването на дебита на охлаждащата вода много често не е желателно и такива режими трябва да се избягват.

Получените стойности за коефициентите на топлопредаване от страната на кондензиращата пара и на охлаждащата вода показват, че външното термично съпротивление става значително по-високо от вътрешното, особено за долните слоеве на тръбния сноп. При това положение повишаването на степента на външна интензификация става много актуално, за да се балансират съпротивленията по пътя на топлинния поток.


Top