Рекуперация тепла с помощью пара

При передаче тепла от жидкой среды, такой как горячая вода или термомасло, используется явное тепло среды. Жидкость подается в теплообменник при повышенной температуре. Когда жидкость отдает тепловую энергию, температура падает и выходит из теплообменника с более низкой температурой. Пар обычно делят на насыщенный (влажный) и перегретый (сухой). Пар образуется, когда все его молекулы воды остаются в газообразном состоянии при температуре, соответствующей давлению пара. Поэтому его еще называют «насыщенным паром» (при дальнейшем нагревании он становится перегретым паром).

Основное отличие пара от воды или термомасла заключается в его парообразном состоянии. Это, а также тот факт, что пар представляет собой воду, нагретую выше точки кипения, имеет ряд преимуществ и недостатков для процессов, аппаратов и оборудования, которые генерируют и контролируют процесс.

Как в паровых, так и в жидкостных системах рекуперации тепла температура вторичной жидкости на входе в теплообменник может меняться с течением времени, что требует наличия устройства управления в системе. Это означает, что для поддержания постоянной температуры вторичной среды на выходе необходимо изменять и тепло, подаваемое в теплообменник. Этого можно добиться, например, с помощью регулирующего клапана на первичной стороне теплообменника.

Рекуперацию тепла с помощью пара можно определить как процесс, при котором тепло, которое обычно теряется впустую, улавливается и передается парогенератору. Отходящее тепло преобразуется в пар и подается в устройство или процесс, где его можно использовать в качестве эффективной, экономичной и экологически чистой тепловой энергии.

Обычно в системе отопления паром пар подается в теплообменник в газообразном состоянии. При теплопередаче насыщенным паром используется скрытая теплота пара, при этом выделяется большое количество энергии при конденсации (переходе в жидкое состояние).

Пар обеспечивает передачу тепла при постоянной температуре, что невозможно при передаче тепла в жидком состоянии.

Ниже мы опишем несколько преимуществ и недостатков паровых систем по сравнению с системами теплопередачи с термомаслом.

Преимущества и недостатки паровых систем

А. Преимущества паровых систем

Прежде всего, количество выделяемого скрытого тепла в 2–5 раз превышает количество явного тепла, доступного после конденсации горячей воды (насыщенной воды). Это скрытое тепло автоматически высвобождается и передается на нагреваемый продукт через поверхность теплопередачи. В результате конденсации пар и жидкий конденсат естественным образом стекают по поверхности теплопередачи и поддерживают передачу тепла. В отличие от этого, системы горячей воды и термомасла передают тепло посредством конвекционного нагрева, который не вызывает каких-либо изменений состояния или фазы при нагревании среды.

Еще одним преимуществом пара является то, что для испарения требуется энергия, которая может быть восстановлена ​​при изменении состояния пара из пара в жидкость (конденсация), т.е. энергия, накопленная во время испарения, используется, высвобождаясь снова во время конденсации. (Энергия, которая может выделиться при конденсации, называется скрытой теплотой)

Также преимуществом является то, что пар подается без насосов либо под действием силы тяжести из-за низкой плотности, либо за счет разницы давлений во время образования пара и расширения.

Это устраняет необходимость в насосах и, таким образом, снижает потребление электроэнергии. С другой стороны, если воду необходимо использовать повторно, конденсат необходимо закачивать обратно в систему питательной воды.

Однако теплообмен в системе теплопередачи с жидкими теплоносителями будет крайне медленным из-за единственной естественной циркуляции. Следовательно, необходимо использовать насос для создания потока на поверхности теплопередачи, чтобы увеличить скорость теплопередачи, которая называется теплопередачей с принудительной конвекцией.

Кроме того, существует очень небольшая разница температур между входом и выходом пара. Это может быть существенным преимуществом там, где требуется небольшая разница температур на определенной поверхности нагрева (например, для плит пресса). Это становится относительным, поскольку необходимо использовать скрытую теплоту конденсации, поскольку температура конденсата ниже 100°C.

Б. Недостатки паровых систем

Однако недостатком является то, что при высоких температурах требуется высокое давление. Например, давление насыщенного пара при 300°C уже превышает 85 бар, а термомасло способно переносить температуры до 400°C, как правило, без давления.

Тот факт, что вся система должна быть рассчитана на давление пара, может привести к огромным дополнительным затратам, когда требуются высокие температуры.

Еще одним явным недостатком является то, что для производства пара требуется дополнительное помещение над уровнем воды, в котором может обосноваться водяной пар. Это приводит к необходимости установки более крупного аппарата, кроме того, парогенераторы обычно устанавливают горизонтально, так как установка в вертикальном исполнении затруднительна для реализации парилки. Если тепло рекуперируется из горячего воздуха или газов, это требует больше работы, больших затрат и больше места для установки воздуховодов и т. д.

Кроме того, пар сжимаем. Поэтому в парилке накапливается много механической энергии, вызванной сжатием. Это приводит к увеличению вероятности повреждения и может потребовать дополнительных устройств безопасности по сравнению с жидкими теплоносителями.

Также содержащиеся в воде минералы и кислород высвобождаются при испарении и концентрируются на поверхности воды. Это может вызвать не только коррозию, но и отложения на поверхности нагрева, так называемые котловые накипи, которые снижают теплообмен внутри поверхности нагрева и воды.

В зависимости от температуры на горячей стороне может произойти коррозионное или термическое разложение материала поверхности, а также может произойти повреждение трубок теплообменника.

В сочетании с высокой механической энергией, которая накапливается в паровой камере, это может покрыть высокий потенциал повреждения. Это означает, что качество питательной воды должно постоянно контролироваться и в большинстве случаев требуется деминерализация и деаэрация воды. В свою очередь это вызывает дополнительные затраты на аппаратуру и эксплуатационные материалы (см. Химикаты).

Кроме того, даже если химическая обработка воды снижает риск образования отложений, минералы все равно выделяются при испарении. Эти минералы имеют более высокую плотность, чем вода, и концентрируются в виде грязи на дне парогенератора.

Нитраты, плотность которых несколько ниже плотности воды, концентрируются на поверхности воды. Отложения на дне парогенератора необходимо часто удалять продувкой.

Концентрация нитратов измеряется с помощью электрода проводимости и соответственно высвобождается на поверхность воды.

Эти меры приводят к постоянным потерям воды, даже если конденсат полностью возвращается. Потери воды необходимо компенсировать непрерывной подачей свежей, деминерализованной и раскисленной воды, что приводит к потерям энергии, поскольку пресную воду необходимо нагревать.

Возврат конденсата требует дополнительной осторожности. Использование конденсатоотводчиков, правильный наклон труб и т. д. создает дополнительный эксплуатационный риск. Если система спроектирована неправильно, паровой удар (пар подхватывает воду, образуя «слизь», и с высокой скоростью выбрасывает ее в фитинг трубы, создавая громкий стук и сильно нагружая трубу) может привести к незначительному повреждению системы. труб или даже полное повреждение теплообменника и/или котла-утилизатора и насосов.

Наконец, паровые системы относительно сложны из-за описанных выше фактов. Поэтому разработка процесса, аппарата, а также эксплуатация паровой системы требуют от специалистов высокой квалификации и опыта, обеспечивающих безопасную и безаварийную работу.

Примеры процессов, в которых могут использоваться системы рекуперации тепла пара;

Нагрев с паровой рубашкой часто используется на технологических установках для нагревательных устройств, таких как; резервуары, котлы, сушилки, реакторы и эмалированные сосуды. Благодаря прямому впрыску пара нагреватель предлагает наиболее точный и энергоэффективный метод нагрева воды рубашки охлаждения до желаемой температуры. Эта система работает путем впрыскивания пара непосредственно в рубашку, чтобы обеспечить эффективную передачу энергии пара, которая немедленно поглощается жидкостью.

Вакуумная паровая сушка — это процесс теплопередачи для удаления влаги из влажного твердого вещества или продукта. Он обычно используется для нагрева и сушки гигроскопичных и термочувствительных веществ и основан на принципе создания вакуума с помощью вакуумного насоса для снижения давления в камере ниже давления пара воды.

Увлажнение с помощью паровых увлажнителей используется, когда необходимо поддерживать определенный уровень влажности, чтобы предотвратить сохранение свойств материала и обеспечить комфортную и здоровую среду для работников или жильцов. Когда холодный воздух нагревается паровыми змеевиками, относительная влажность воздуха снижается, и ее затем необходимо довести до нормального уровня, добавляя контролируемую инжекцию сухого насыщенного пара в поток воздуха ниже по потоку.

Пар, полученный в результате рекуперации отходящего тепла, можно использовать непосредственно в паровой турбине для выработки электроэнергии.