Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока

Изобретение предназначено для утилизации теплоты от газовых (воздушных) потоков и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в других отраслях промышленности. Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока заключается в том, что пропускают поток через теплообменник-рекуператор с промежуточным теплоносителем, циркулирующим с помощью насоса в замкнутой жидкостной линии последовательно через теплообменник-рекуператор (воздухоохладитель) и теплообменник- воздухонагреватель. Предварительно в теплообменнике-рекуператоре газовый (воздушный) поток пропускают через слой зернистого адсорбента для осушения и выделения теплоты адсорбции. Изобретение позволяет повысить количество утилизируемой теплоты от удаляемого газового (воздушного) потока из помещения. 4 ил.

 

Изобретение относится к способу утилизации теплоты газовых, в т.ч. воздушных, потоков и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в других отраслях промышленности.

В настоящее время в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для утилизации низкопотенциального тепла удаляемого воздуха из помещений применяются теплообменники - теплоутилизаторы, которые устанавливают в воздуховодах. Наиболее универсальными устройствами являются рекуперативные теплообменники с промежуточным теплоносителем, в качестве которых применяются вода или антифризы (водные растворы хлористого кальция, пропиленгликоля и др.). Обычно устанавливают два теплообменника: один в воздуховоде удаляемого воздуха - воздухоохладитель, другой - на пути подачи наружного воздуха в помещение (в приточной камере или центральном кондиционере) - воздухонагреватель. Трубные (или межтрубные) пространства обоих теплообменников соединены между собой трубопроводами, образуя замкнутый контур для промежуточного теплоносителя. В этом же контуре находится насос для промежуточного теплоносителя.

Процесс теплоутилизации осуществляется следующим способом. Удаляемый воздух из помещения, содержащий вредности (теплоту, водяные пары и др.), проходя через теплообменник-воздухоохладитель, отдает часть теплоты промежуточному теплоносителю. При этом температура промежуточного теплоносителя повышается, а температура и, соответственно, энтальпия удаляемого воздуха уменьшается. Охлажденный воздух после утилизатора обычно выбрасывается в атмосферу.

В то же время промежуточный теплоноситель за счет напора, создаваемого насосом, поступает в трубное пространство другого теплообменника-воздухонагревателя, где отдает тепло наружному воздуху, температура которого в зимний период года обычно ниже 0°С. Затем охлажденный промежуточный теплоноситель поступает обратно в теплообменник-воздухоохладитель удаляемого воздуха и т.д.

Теплообменник-воздухоохладитель может работать в режиме с выпадением конденсата на всей или части поверхности, а также в «сухом» режиме [1, с. 303].

Наибольший интерес представляет режим с выделением конденсата или «мокрый» режим, т.к. при этом утилизируется как явная, так и скрытая теплота газового (воздушного) потока, т.е. теплота конденсации водяных паров.

Изменение параметров воздуха в системе утилизации тепла с промежуточным теплоносителем в режиме с выпадением конденсата представлено на фиг.1.

Здесь точка H₁ соответствует начальным параметрам наружного воздуха, точка Н₂ - состоянию наружного воздуха на выходе из воздухонагревателя, точка У₁ характеризует начальное состояние удаляемого воздуха, точка У₂ - состояние удаляемого воздуха после воздухоохладителя.

Таким образом, луч H₁H₂ соответствует нагреву наружного воздуха в воздухонагревателе, У₁У₂ - охлаждению и осушению удаляемого воздуха в воздухоохладителе.

Охлаждение с осушением удаляемого воздуха возможно, если температура поверхности воздухоохладителя t_f будет ниже точки росы воздуха t_р, т.е. при условии t_f<t_p [1].

Наличие конденсата на наружной поверхности воздухоохладителя вызывает опасность образования наледи при t_f<0°С, что приводит к необходимости либо прекращения этого процесса, либо периодического оттаивания наледи [1, с.300], т.е. к периодическому отключению установки утилизации тепла.

Предельно низкую среднюю температуру поверхности теплообменника-воздухоохладителя рекомендуют принимать t_f=2°С, что обеспечивается, например, при температуре промежуточного теплоносителя (антифриза) t_аф>-5°С на входе в воздухоохладитель [2, с. 65, 69].

Таким образом, в системах утилизации тепла с промежуточным теплоносителем температура удаляемого воздуха после теплообменника-воздухоохладителя принимают t_у2>t_f=2°С, т.е. практически ее нижнее численное значение ограничено техническими возможностями данного способа.

По этой причине в удаляемом воздухе на выходе из воздухоохладителя содержится достаточно много водяных паров - D, кг/с, с которыми уносится (не используется) большое количество скрытой теплоты . Ориентировочно это количество можно определить следующим образом. Согласно [1]:

Здесь r=2500 кДж/кг - теплота конденсации водяных паров;

G - количество удаляемого воздуха, кг/с;

d_у2 - влагосодержание удаляемого воздуха после воздухоохладителя, г/кг.

Принимая d_у2=5 г/кг как минимально возможное влагосодержание при t_y1=t_f+2=2+2=4°С, согласно I-d диаграмме влажного воздуха,

В центральных системах кондиционирования воздуха расход удаляемого воздуха может составлять L=100000 м³/ч и более [1], т.е.

G_y1=100000·1,2=120000 кг/ч (33,3 кг/ч), здесь 1,2 кг/м³ - плотность воздуха.

, что соответствует большому расходу тепла.

Таким образом, существенным недостатком способа утилизации теплоты удаляемого воздушного (газового) потока с промежуточным теплоносителем и рекуперативными теплообменниками является неполное осушение удаляемого воздуха, следовательно, невозможность утилизации всей скрытой теплоты (теплоты конденсации) водяных паров, содержащихся в удаляемом воздушном (газовом) потоке.

Также известен способ осушения воздуха с применением твердых сорбентов - адсорбентов, например, силикагеля [1, с. 65-68, 157-161].

Применение адсорбентов (силикагеля, алюмогеля и др.) позволяет получить почти абсолютно сухой воздух. Использование таких веществ для осушения воздуха рекомендуют в тех случаях, когда целью обработки воздуха является его осушение и нагревание.

Адсорбционная способность силикагеля с повышением температуры уменьшается и увеличивается с понижением температуры газа.

При адсорбции конденсация влаги в капиллярах сопровождается выделением удельной теплоты испарения и удельной теплоты смачивания. Полная удельная теплота адсорбции составляет 2930 кДж/кг, из которых около 420 кДж/кг составляет удельная теплота смачивания [1, с. 67].

Для осушения воздуха обычно применяют силикагель с размерами зерен от 1 до 3 мм. Благодаря большой удельной поверхности капилляров (в 1 кг силикагеля - 400000 м²) силикагель обладает высокой гидрофильностью.

В качестве аппарата для осушения воздуха может быть использован адсорбер с неподвижным слоем адсорбента [1, с. 159; 3, с.154].

Адсорбент располагают несколькими слоями на полках (решетках) внутри аппарата. Осушаемый воздух поступает в аппарат через торцевое отверстие и проходит через слой адсорбента за счет работы вентилятора.

Для осуществления непрерывности процесса осушения воздушного потока в работе используют два адсорбера: один аппарат работает в стадии осушения воздуха (это время может быть до 8 часов [1, с.158]), другой аппарат работает в режиме активации адсорбента.

Активация адсорбента проводится с целью восстановления его влагопоглотительной способности и осуществляется путем продувки через него воздуха, нагретого до t=180...240°С [1, с.68]. При активации адсорбент нагревают так, чтобы давление пара адсорбированной влаги стало выше парциального давления водяного пара в воздухе, пропускаемом через него. При этом влага, содержащаяся в капиллярах, испаряется и отводится вместе с воздухом. При активации слой адсорбента нагревается до t=100...110°С, вследствие чего перед повторным использованием его охлаждают продувкой холодного воздуха.

Недостатком процесса осушения воздуха твердым адсорбентом является необходимость затраты тепла на нагрев воздуха, используемого на стадии активации (десорбции паров воды) адсорбента.

Устранить указанные недостатки позволяет заявляемое изобретение.

Техническим результатом изобретения является увеличение количества утилизируемого тепла от удаляемого воздушного (газового) потока из помещения за счет отнятия практически всей скрытой теплоты парообразования водяных паров, содержащихся в нем.

Технический результат достигается тем, что воздухоохладитель наделяется функциями адсорбера и теплообменного аппарата. При этом газовый (воздушный) поток пропускают через теплообменник-рекуператор (воздухоохладитель) с промежуточным теплоносителем, циркулирующим с помощью насоса в замкнутой жидкостной линии последовательно через теплообменник-рекуператор (воздухоохладитель) и теплообменник-воздухонагреватель, предварительно в теплообменнике-рекуператоре газовый (воздушный) поток пропускают через слой зернистого адсорбента для осушения и выделения теплоты адсорбции.

Для отвода полной теплоты адсорбции водяных паров, а также отбора явной теплоты осушенного удаляемого воздуха в слое адсорбента располагают змеевики для циркуляции промежуточного теплоносителя или слой адсорбента (гранулированный силикагель) располагают в трубном пространстве кожухотрубного теплообменника, а в межтрубном пространстве циркулирует промежуточный теплоноситель. Промежуточный теплоноситель отбирает тепло от слоя адсорбента, нагревается и передает его в воздухонагревателе наружному воздуху.

Типовые конструкции - трубные и полочные контактные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного гранулированного материала (катализатора), применяются при каталитической очистке газов [3, с.217, рис.153].

Активацию адсорбента предлагается проводить методом вытеснительной десорбции [3, с.153].

Для активации силикагеля через адсорбер пропускают удаляемый абсолютно осушенный воздух, полученный в соседнем адсорбере, перед выбросом его наружу в атмосферу.

Из-за наличия большой разницы парциальных давлений водяных паров в поровом пространстве адсорбента и продуваемом через него воздушном потоке молекулы воды будут интенсивно диффундировать в поток воздуха. При этом температура слоя адсорбента будет снижена и дополнительного охлаждения силикагеля (адсорбента) не потребуется перед включением адсорбера в стадию осушения удаляемого воздуха.

Как видно, активация адсорбента проводится без затрат тепла извне.

На фиг.2 приведена схема адсорбера-воздухоохладителя, на фиг.3 представлена схема предлагаемого способа утилизации теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем, на фиг.4 изображена схема обработки удаляемого воздуха на (I-d) диаграмме.

Позиции на фиг.2 обозначают:

1 - корпус; 2 - трубы; 3 - трубные решетки; 4 - слой адсорбента; 5, 6 - патрубки для входа и выхода воздуха; 7, 8 - патрубки для входа и выхода промежуточного теплоносителя.

Позиции на фиг.3 обозначают:

1, 2 - адсорберы-воздухоохладители; 3 - воздухонагреватель; 4 - насос для промежуточного теплоносителя; 5 - расширительный бак; 6, 7 - вентиляторы; 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - клапаны-отсекатели; 16, 17 - вентили; 18 - шиберная задвижка.

Сущность предлагаемого способа утилизации теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем состоит из следующих стадий (режимов).

1. Стадия адсорбции водяных паров и отбора скрытой и явной теплоты удаляемого воздуха

Удаляемый воздух из помещения с помощью вентиляторов 6, 7 направляют в адсорбер 1, при этом клапаны 8, 9, 14, 15 открыты, клапаны 10, 11, 12, 13 закрыты.

Работа клапанов осуществляется с помощью системы автоматики.

В адсорбере 1 воздушный поток, проходя через трубное пространство, заполненное слоем адсорбента - силикагеля, осушается за счет сорбции водяных паров до абсолютно сухого состояния. При этом выделяется теплота адсорбции.

Затем воздух подвергается охлаждению с отбором теплоты адсорбции и части явной теплоты с помощью промежуточного теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство аппарата с помощью насоса 4. При этом вентиль 16 открыт, вентиль 17 - закрыт.

Нагретый промежуточный теплоноситель поступает в поверхностный теплообменник-воздухонагреватель 3, где за счет теплопередачи отдает тепло холодному наружному воздуху и, охладившись, снова поступает в межтрубное пространство адсорбера 1 для охлаждения воздушного потока и т.д.

2. Стадия активации адсорбента

Осушенный до абсолютно сухого состояния и охлажденный воздух из адсорбера 1 с помощью вентилятора 7 направляют в адсорбер 2, находящийся на стадии активации адсорбента.

При этом воздух проходит снизу вверх через слой адсорбента, расположенного в трубном пространстве, и вызывает десорбцию молекул воды в поток воздуха за счет разницы парциальных давлений водяного пара у поверхности капилляр силикагеля и в воздухе. Увлажненный воздушный поток из адсорбера 2 через клапан 15 выбрасывают в атмосферу.

Продувку воздуха (активацию адсорбента) через слой адсорбента прекращают при достижении минимальной остаточной влажности силикагеля, анализируя, например, влагосодержание выбрасываемого воздуха. После чего клапаны 14, 15 закрывают, а шиберную задвижку 18 открывают и осушенный воздух из адсорбера 1 выбрасывают в атмосферу, минуя адсорбер 2.

После достижения равновесного состояния силикагеля в адсорбере 1 (индикатором может служить: косвенно - продолжительность адсорбции или влагосодержание выходящего воздуха из адсорбера) аппарат ставят на стадию активации адсорбента, а удаляемый воздух из помещения направляют в адсорбер 2 для осушения и охлаждения.

Для этого клапаны 8, 9, 14, 15 должны быть закрыты, клапаны 12, 13, 10, 11 открыты, также открывают вентиль 17 и закрывают вентиль 16 на линии промежуточного теплоносителя.

В данном цикле удаляемый воздух из помещения проходит снизу вверх слой адсорбента в адсорбере 2 за счет работы вентиляторов 6, 7. При этом воздух осушается, выделяя теплоту адсорбции, и за счет подачи промежуточного теплоносителя в межтрубное пространство данного аппарата воздух также охлаждается.

Циркуляция промежуточного теплоносителя через аппарат 2 осуществляется с помощью насоса 4 через открытый вентиль 17. Отобранную теплоту от осушенного воздуха промежуточный теплоноситель транспортирует в воздухонагреватель 3, где передает ее наружному воздуху и вновь поступает для нагрева в межтрубное пространство адсорбера 2 и т.д.

Абсолютно осушенный и охлажденный воздух из аппарата 2 направляют в адсорбер-воздухоохладитель 1 для активации адсорбента. С помощью вентилятора 7 этот воздух через клапан 10 поступает в трубное пространство адсорбера 1, где способствует десорбции молекул воды из слоя адсорбента в воздух. Увлажненный воздух из верха адсорбера удаляется через открытый клапан 11 вентилятором 7 в атмосферу.

Для интенсификации процесса десорбции может быть дополнительно установлен вакуум-насос для понижения давления в адсорбере, который находится на стадии активации. Вакуум-насос может быть установлен на общей воздушной линии после клапана 11 и 15 (на фиг.3 он не показан).

Таким образом, поочередно то один, то другой адсорбер находятся на стадии адсорбции или активации адсорбента, обеспечивая непрерывность отбора и утилизацию тепла от удаляемого воздуха из помещения.

Изменение параметров воздуха в предлагаемом способе утилизации теплоты удаляемого воздуха наглядно представлено на фиг.4.

Здесь лучи соответствуют следующим процессам:

У₁А - осушение удаляемого воздуха от начального влагосодержания d_у1 до 0 (процесс при адсорбции водяных паров силикагелем).

Процесс происходит при I_у1 - const с повышением температуры из-за выделения теплоты адсорбции [1, с. 158, рис.IV. 29].

AD - сухое охлаждение воздуха, осуществляемое с помощью промежуточного теплоносителя при отборе теплоты адсорбции и явной теплоты воздуха.

DУ₂ - изоэнтальпийное увлажнение воздуха. Процесс осуществляется на стадии активации адсорбента при десорбции водяных паров из порового пространства силикагеля в воздух.

С параметрами т. У₂ воздух выбрасывается в атмосферу.

Здесь У₁У₂ - охлаждение и осушение воздуха в традиционном способе утилизации тепла (смотри фиг.1)

Из фиг.4 видно, что количество утилизируемой теплоты (теплоты, передаваемой промежуточному теплоносителю) составляет:

а) в предлагаемом способе - Q₁

где Q_адс - количество тепла, выделяющегося при адсорбции водяных паров, т.е. при осушении воздуха, Вт (луч У₁А);

Q_охл - количество тепла, отбираемое при сухом охлаждении воздуха, Вт (луч АД);

б) в традиционном способе

Докажем, что Q₂=Q_охл.

Согласно [3, с.63-65] реальный процесс охлаждения и осушения воздуха (луч У₁У₂) можно заменить на условно "сухой" режим охлаждения воздуха, т.е. на луч .

Из фиг.4 видно: , следовательно,

Из сравнения (1) и (3) также видно:

Q₁>Q₂; Q₁-Q₂=Q_адс.

Таким образом, в предлагаемом способе количество утилизируемой теплоты больше, чем в традиционном способе с рекуперативными теплообменниками на величину теплоты адсорбции, выделяющейся при осушке воздуха.

Согласно фиг.4 это количество равно:

Q_адс=Д·q_адс=G·(d_у1-0)·10^-3·q_адс=G·d_у1·10^-3·2930=2,93·G·d_у1, кВт

Здесь G - расход удаляемого воздуха, кг/с;

d_у1 - влагосодержание удаляемого воздуха, г/кг;

q_адс - удельная теплота адсорбции, кДж/кг (с.4).

Д - количество водяных паров, сорбируемых адсорбентом, кг/с.

К достоинству заявляемого изобретения следует отнести увеличение количества утилизируемого тепла от удаляемого воздуха из помещения за счет полного отбора скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в нем на начальной стадии.

Источники информации

1. Б.Н.Богословский, О.Я.Кокорин, Л.В.Петров. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985, 367 с.

2. О.Я.Кокорин. Современные системы кондиционирования воздуха. М.: Физматлит, 2003, 272 с.

3. И.Е.Кузнецов, К.И.Шмат, С.И.Кузнецов. Оборудование для санитарной очистки газов. Справочник. Киев: Техника, 1989, 304 с.

Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока, при котором пропускают поток через теплообменник-рекуператор с промежуточным теплоносителем, циркулирующим с помощью насоса в замкнутой жидкостной линии последовательно через теплообменник-рекуператор (воздухоохладитель) и теплообменник-воздухонагреватель, отличающийся тем, что предварительно в теплообменнике-рекуператоре газовый (воздушный) поток пропускают через слой зернистого адсорбента для осушения и выделения теплоты адсорбции.