Сегодня среда 8 декабря 2021 г. 00:45
сделать стартовой в избранное
О проекте
Контакты
Форум
Размещение рекламы
   
 
 
Логин Пароль  
 
 
запомнить на этом компьютере
регистрация  |  если забыли пароль
 
 
№161октябрь 2021Энергетика и электротехника
Отставить потерю тепла
Принципы теплообмена практически не изменились с шестого века до нашей эры. Тогда для охлаждения воды древние римляне также использовали металлические пластины, а для эффективности выполняли на них гравировку — так процесс проходил быстрее. А какими способами повышают эффективность теплообменников сейчас?

Фото: feniks-msk.com

Неотъемлемая часть любого производства, где происходит выделение или поглощение тепловой энергии, а в особенности нефтехимического и энергетического — теплообменники. Так как сейчас промышленность идёт по пути энергоэффективности, а теплообменные аппараты требуют большого количества энергии, инженеры регулярно модернизируют их для достижения большей производительности при снижении энергозатрат.

Первый теплообменник появился в промышленности ещё в 1938 году и был невероятно громоздким. Позже, как бы инженеры ни старались убавить его объёмы, из-за повышения мощностей заводов теплообменное оборудование продолжало оставаться довольно большим. Но сейчас, в условиях актуальности энергосбережения и появления новых технологий, принцип «крупнее — значит мощнее и лучше» уже не актуален.

Разработчики теплообменников постоянно ведут поиск оптимальных решений для изобретения как можно более компактного и экономичного оборудования. И относится это к любому виду теплообменников. К счастью, выбирать, какие из них лучше, не придётся, так как каждый тип теплообменного оборудования предназначен для конкретных отраслей и условий работы. Например, в жилищно-коммунальном хозяйстве уже 20 лет пользуются преимущественно пластинчатыми теплообменниками, а вот нефтегазовая отрасль больше предпочитает конструкции кожухотрубных теплообменных аппаратов.

Уменьшаем

Инженеры учитывают много факторов, когда пытаются улучшить теплообменники, и чаще всего используют все существующие методы интенсификации. Только с учётом всех нюансов можно в 2 раза уменьшить габариты и массу кожухотрубных тепло-обменников без потери тепловой мощности. А нюансов достаточно, например, на таких агрегатах с увеличенной площадью теплообмена намного быстрее и сильнее проявляется накипь, а она, между прочим, снижает его мощность в четыре раза.

Зарубежные и отечественные ученые постоянно ищут новые методы интенсификации теплообменных процессов. Обобщив опыт, полученный в ходе множества научных исследований, можно привести перечень основных методов повышения интенсивности протекания теплообменных процессов. Как правило, для интенсификации теплообмена агрегат оснащают дополнительными функциями или устройствами: турбулизаторами потока, оребрёнными поверхностями, спиралями, — примешивают газовые пузыри, вращатели и другое. Каждое приспособление так или иначе воздействует на тепловой поток, делая его более мощным.

Особенность разве что в том, что у каждого из этих приборов определённая норма энергозатрат, но, несмотря на это, инженеры их даже комбинируют, например, объединяют оребрение с методом закручивания воздуха. Главное, учитывать насколько быстро поверхность загрязняется, насколько она прочна и вообще пригодна ли к эксплуатации.

Таков стандартный подход к стандартным теплообменникам. Но ведь за последние десять лет модельный ряд аппаратов расширился — появились новые разновидности теплообменников. Например, как рассказал директор по развитию ГК «ПромХимТех» Максим Потылицын, разработаны новые кожухотрубные теплообменники с более производительными трубами. А так как количество видов и типов растёт, то и подход наверняка нужен индивидуальный: меняется аппарат, должны измениться и способы модернизации.

Фото: boiler.global

Все перечисленные методы влияют только на три критерия энергоэффективности теплообменников: коэффициент теплопередачи, минимальное гидравлическое сопротивление и, внимание, стойкость к загрязнениям. То есть теплообменник, чьего бы он ни был производства и какие бы сверхкручённые потоки в нём ни проходили, может стать хуже самого обычного только из-за загрязнения. Максим Потылицин утверждает, что при попытке повысить эффективность аппарата нужно учитывать и другие свойства оборудования. Как бы производители ни старались, по начальным характеристикам все агрегаты имеют одинаковый уровень энергоэффективности.

Эксперт рассказал, что реально повысить производительность кожухотрубного теплообменника можно тремя способами: профилировать или гофрировать теплообменную поверхность и тем самым повысить турбулизацию потока; уменьшить толщину труб или пластин; увеличить скоростной режим течения потока, что приведёт к снижению отложения и увеличению коэффициентов теплопередачи.

Добавим пластины

Пластинчатые теплообменники могут похвастаться высокой эффективностью теплообменных процессов, устойчивостью, лёгкостью очистки, простотой установки и компактным видом. И всё это заключается всего-то в пакете пластин из тонкого гофрированного металла. Между металлическими листами лежат уплотняющие прокладки, которые предотвращают утечку жидкостей и повышают прочность. Поэтому процесс модернизации пластинчатых теплообменных аппаратов донельзя прост. Аппарат очищается от накопленной накипи и грязи и проходит диагностику. Уже потом инженеры рассчитывают, какую мощность они хотели бы получить, разбирают теплообменник и устанавливают дополнительные пластины, исходя из расчёта желаемой мощности. Но применим этот способ лишь к разборному пластинчатому агрегату.

Кстати, инженеры разработали усовершенствованный вид теплообменников — сильфонные. По словам сотрудника  ООО «НПО «Новые технологии», конструкция этих теплообменников имеет множество преимуществ перед традиционными устройствами.

Агрегаты сразу обладают компактными пучками из тонких труб и синусоидальной формой. Эти характеристики, по мнению экспертов, являются основой для повышенного коэффициента теплопередачи. Также максимальной интенсификации способствуют плотность набивки трубок, небольшой диаметр и толщина труб, специальная технология производства композитных трубных решёток.
 
Сохраняет энергоресурсы

Да, возможностей немного, но каков эффект! На предприятии можно сэкономить на топливе, на энергии, и т. п., если так или иначе улучшить каждый элемент производства. А ещё интереснее то, что всё это даст положительный отклик и для экологии. Всё взаимосвязано, значит, в результате повышения производительности, а, следовательно, и энергоэффективности теплообменника снизится потребление им топлива на заводах и уменьшится количество вредных выбросов.


Единственной альтернативой обмену теплом через стенку может быть только теплообмен путём смешения воздуха. Но это не очень хорошая затея — смешивать среды можно не всегда и не везде.


Эксперты приводят в пример модернизацию теплообменника на одном крупном нефтеперерабатывающем предприятии в Волгограде. Этот пример стал показательным: повышение эффективности аппарата сократило эксплуатационные затраты предприятия на 200 тысяч долларов в год. При этом отмечают, что до улучшения на заводе совершенно нерационально и неэффективно использовали топливо.

Эксплуатационные расходы достигли колоссальных размеров. При помощи диагностики инженеры выяснили, что теплообменники стали неэффективными из-за того, что в них нарушилось распределение нагрузок на трубную решётку.

Фото: specnhm.ru

Что сделали техники? Провели работу по повышению турбулентности потока, что и распределило его равномерно, чего не было ранее. Такая модернизация привела к увеличению теплоотдачи в два с половиной раза. Весь процесс занял около двух недель, а результат не заставил себя ждать: утилизация тепла повысилась, и это сыграло свою роль в экономии. На примере этой модернизации становится понятно, что есть неразрывная связь между нарушением условий эксплуатации аппарата, его техническим состоянием, интенсивностью теплообмена и, конечно, экономической эффективностью.

Но вообще у всех теплообменников есть всего три показателя экономической эффективности: коэффициент теплопередачи, безопасность и стоимость содержания, куда среди прочего входит оплата труда персонала и расходы на топливо. Но за этими тремя показателями кроется один немаловажный фактор, о котором мы уже кратко упоминали: недостаточно хорошее обслуживание, приводящее к загрязнению. Чистота теплообменного оборудования влияет как а энергоэффективность, так, следовательно, и на экономические показатели. Всё потому, что загрязнение может привести к замедлению работы, увеличению энергопотребления, невыполнению производственных планов, большему количеству выбросов. Поэтому поддержание чистоты определённо является фактором, способствующим повышению производительности и экономической эффективности теплообменного оборудования.

Аддитивный теплообмен

Что касается глубокой модернизации традиционного теплообменника, то за этим стоит компания GE Research. Инженеры просто напечатали теплообменный аппарат на 3D-принтере. С их слов, агрегат под названием UPHEAT является сверхэффективным и имеет высокий коэффициент полезного действия.

Теплообменник из специального сплава, по словам производителей, может выдерживать высокие температуры и при этом не разрушаться. Ведущий инженер-теплотехник GE Research и руководитель проекта в ARPA-E Питер Де Бок сравнивает тепло-обменные аппараты с лёгкими человека, говоря о том, что агрегаты для производства электроэнергии выполняют ту же функцию, но при высоких температурах. Ожидается что теплообменник будет работать при температурах до 900 °C и сможет дать высокую теплоэффективность с пониженным энергопотреблением, но пока он находится в экспериментальном режиме, и окончательные испытания пройдут лишь в 2022 году. Но, вероятно, это не единственный случай влияния технологий на отрасль производства теплообменников, и в будущем можно ожидать ещё более интересных разработок.

«Цифровизация внедряется во все аспекты жизнедеятельности, безусловно, она коснулась и машиностроительного сектора, и производства теплообменных аппаратов. Введение цифровизации позволило улучшить организацию производства, а также изменить подходы к проектированию теплообменных аппаратов, что повлияло на снижение стоимости оборудования и стоимости владения», — поделился г-н Потылицын.

Нетрадиционно

Почему теплообменники, которые появились еще в начале 20 века, вызывают так много интереса, разве не появилось более эффективной замены? Начальник отдела технических инноваций ЗАО «Безопасные Технологии» Аркадий Смирнов утверждает, что их использование, как никогда, актуально и замены им как таковой нет. Незаменимыми их делает большое количество типов аппаратов, ведь есть ещё и спиральные, и теплообменники «труба в трубе», в общем, для любых целей подобрать можно. Единственной альтернативой обмену теплом через стенку может быть только теплообмен путём смешения воздуха. Но это не очень хорошая затея — смешивать среды можно не всегда и не везде.

Добавим, что существует другая схема получения тепла с помощью квантовых генераторов. По словам эксперта, технологию можно воспринимать как довольно чистую, но до определенного момента — пока не начнём рассматривать её в связке с первичным источником энергии. Причина вот в чём: микроволновые или оптические квантовые генераторы могут нагревать среды эксергетическим КПД, близким к 100%, как, впрочем, и электронагреватели. Но источником энергии в этих случаях служит электричество, тогда как в традиционной печи источник другой, и вот тут видна разительная разница.

«Если мы говорим про традиционную печь, её тепловой КПД со всеми преобразованиями, вспомогательным получением пара, горячей воды и т. д. составляет порядка 80-85%. То есть 80% тепла, которое мы получили от сжигания топлива, мы потратили с пользой. Если мы говорим о технологиях нагрева, которые используют промежуточную ступень — электричество, то в виде электричества мы можем получить в лучшем случае около 30% от энергии сгорания», — отметил г-н Смирнов.

Если к этим минусам добавить ещё и потери при транспортировке и преобразовании электричества, общий КПД снизится до критического уровня. Вывод таков: использование электричества — процесс тупиковый до тех пор, пока в его основе нет дешёвого и «чистого» источника электричества, например, солнечной энергии. Такая же ситуация и с квантовыми генераторами: оправдать их применение экономически и экологически станет возможным, только если накачка рабочего тела будет происходить солнечной или тепловой энергией. Аркадий Смирнов добавил, что пока такие источники и методы преобразования не появятся, использовать электричество можно только для удаления точки образования выбросов генератора от точки потребления энергии.




Текст: Анастасия Семёнова.

Новости
 
Более 230 российских и зарубежных компаний представят свои разработки на выставке «Безопасность и охрана труда» (БИОТ-2021)
             ......
 
 
WorldSkills Russia 2021 и Sandvik Coromant тренируют профессионалов
Фото: worldskills.ruВ Уфе прошёл финал крупнейшего в......
 
 
SPOK перешёл в стадию пилотных испытаний
Фото предоставлено НПП «Темп» им. Ф. КоротковаКоманда......
 
 
Внесены изменения в условия предоставления субсидий
Фото: static.government.ru21 сентября резидент России Владимир Путин......
 
 
Объявлена дата выставки JIMTOF
Фото: jimtof.org5 октября в рамках EMOMilano 2021......
 
 
97,4 ГВт: мощность возобновляемых источников к 2050 году
Фото: minenergo.gov.ruДиректор Департамента развития электроэнергетики Минэнерго Андрей......
 
 
Российский энергобаланс — пример для других
Фото: ukcop26.orgГлава российской делегации, вице-премьер Алексей Оверчук......
 
АРХИВ НОВОСТЕЙ
   
   
© 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири»
Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru
© Создание сайта - студия GolDesign.Ru