Συστήματα Ανάκτησης Θερμότητας

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Εργαστήριο Θερμοδυναμικής & Φαινομένων Μεταφοράς Συστήματα Ανάκτησης Θερμότητας

2 Εισαγωγή Σκοπός των συστημάτων ανάκτησης θερμότητας είναι η αξιοποίηση της μεγαλύτερης δυνατής ποσότητας απορριπτόμενης θερμότητας με την απλούστερη τεχνικά λύση μετά από κατάλληλο σχεδιασμό (πηγή απωλειών, ζήτηση, κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας, βιωσιμότητα). Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με: Μείωση απωλειών (θερμομόνωση) Ανάκτηση θερμότητας

3 Ανάκτηση Θερμότητας από θερμά ρεύματα Θερμά ρεύματα: καυσαέρια, υγρά και αέρια απόβλητα, θερμά προϊόντα και παραπροϊόντα Ανάκτηση θερμότητας και χρησιμοποίησή της: στην ίδια διεργασία, όπου όμως ανακτάται ποσό ανάλογο με τις ανάγκες της διεργασίας (π.χ. προθέρμανση ρεύματος εισόδου στη διεργασία), ή σε άλλη διεργασία, όπου δημιουργείται πρόβλημα αν διακόψει μία από τις διεργασίες (π.χ. παραγωγή ατμού με τη θερμότητα καυσαερίων)

4 Εναλλάκτες Θερμότητας Ορισμός Εναλλάκτης θερμότητας ονομάζεται η συσκευή που χρησιμοποείται για τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο ρευστών διαφορετικής θερμοκρασίας (ΔΤ= διαφορά δυναμικού, ωθούσα δύναμη). Η κατηγοριοποίηση των εναλλακτών μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους: Διαδικασία μεταφοράς θερμότητας (άμεση/έμμεση επαφή) Μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας Αλλαγή φάσης Κατασκευή Είδος ροής Πυκνότητα κατασκευαστικών στοιχείων

5 Τύποι Εναλλακτών 1/10 Εναλλάκτης άμεσης επαφής (ρευστά διαφορετικής φάσης έρχονται σε επαφή και εν συνεχεία διαχωρίζονται) Διαδικασία μεταφοράς θερμότητας Έξοδος Ατμού Ατμός Ζεστό νερό Κρύο νερό Εναλλάκτης έμμεσης επαφής (ύπαρξη διαχωριστικής επιφάνειας, μέσω της οποίας γίνεται η μεταφορά θερμότητας)

6 Τύποι Εναλλακτών 2/10 Μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας Εναλλάκτης συναγωγής μίας φάσης και από τις δύο πλευρές Εναλλάκτης συναγωγής μίας φάσης από τη μία πλευρά και δύο φάσεων από την άλλη Εναλλάκτης συναγωγής δύο φάσεων και από τις δύο πλευρές Εναλλάκτης συνδυασμένης μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και ακτινοβολία

7 Τύποι Εναλλακτών 3/10 Κατασκευή Εναλλάκτης κελύφους-σωλήνων (αυλών) maxp: 30MPa, T: o C, Επιφάνεια: m 2 Σωλήνες U Απλή διαδρομή 4-απλή διαδρομή

8 Τύποι Εναλλακτών 4/10 Εναλλάκτης ομοκεντρικός κυκλικής διατομής Εναλλάκτης αποξεόμενης επιφάνειας Εναλλάκτης προεκτεταμένης επιφάνειας Αέριο Κατασκευή Υγρό Πτερύγια ή άκανθες χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας προς την πλευρά του ρευστού (συνήθως αερίου) όπου ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι μικρός.

9 Τύποι Εναλλακτών 5/10 Εναλλάκτης με πλάκες maxp: 1.6MPa, T: -25 έως 175 o C, Επιφάνεια: m 2 Κατασκευή

10 Τύποι Εναλλακτών 5/10 Εναλλάκτης με πλάκες maxp: 1.6MPa, T: -25 έως 175 o C, Επιφάνεια: m 2 Κατασκευή

11 Τύποι Εναλλακτών 6/10 Κατασκευή Εναλλάκτης με περιστρεφόμενο δίσκο (αέρα-αέρα) Διάμετρος: m, παροχή αερίου: έως m³/h, Τ έως 900 ο C Ο συνολικός βαθμός απόδοσης μπορεί να φτάσει το 85% και η εξοικονόμηση ενέργειας από τη χρήση του μπορεί να φτάσει το 20-40%. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής μπορεί να γίνει και ανάκτηση της υγρασίας. Πρόβλημα η πιθανότητα ανάμειξης των δύο αερίων.

12 Τύποι Εναλλακτών 7/10 Είδος ροής Ομορροή Αντιρροή

13 Τύποι Εναλλακτών 7/10 Είδος ροής Ομορροή Αντιρροή ΔΤ α b

14 Τύποι Εναλλακτών 8/10 Σταυρωτή ροή Είδος ροής

15 Τύποι Εναλλακτών 9/10 Μικτή ροή Είδος ροής Εναλλάκτης πολλαπλών διαδρομών

16 Τύποι Εναλλακτών 9/10 Μικτή ροή Είδος ροής

17 Τύποι Εναλλακτών 10/10 Συμπαγείς Μη συμπαγείς Πυκνότητα κατασκευαστικών στοιχείων Οι συμπαγείς εναλλάκτες παρουσιάζουν υψηλές τιμές του λόγου της επιφάνειας θερμοεναλλαγής προς τον όγκο τους και εξ ορισμού ο λόγος αυτός (πυκνότητα επιφάνειας) λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες από 700m 2 /m 3

18 Σύγκριση βασικών τύπων εναλλάκτη Εναλλάκτης Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Κελύφουςσωλήνων Πλακών Μεγάλο εύρος P & T Διαχείριση ρευστών όλων των φάσεων Εύκολος καθαρισμός Ευέλικτος σχεδιασμός Απαιτεί λιγότερο χώρο Πιο οικονομική λύση Ευελιξία ως προς το είδος του υγρού και το θερμικό φορτίο Υψηλός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας Μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε αστοχίες λειτουργίας Απαραίτητη η μόνωση Ακριβότερος και καταλαμβάνει μεγαλύτερο χώρο Οι δονήσεις μπορεί να προκαλέσουν βλάβη στον εναλλάκτη Ακατάλληλος για πτητικά υγρά Κίνδυνος διαρροής Υψηλότερη πτώση πίεσης Ακατάλληλος για υψηλές Τ και ΔΤ.

19 Κριτήρια επιλογής Είδος εφαρμογής (π.χ. υγρό, αέριο, θερμοευαίσθητο ρευστό) Πίεση και θερμοκρασία λειτουργίας Χαρακτηριστικά των ρευστών που μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχίες (π.χ. αιωρούμενα στερεά) Διαθέσιμα θερμά ή ψυχρά ρεύματα Θερμοκρασιακή διαφορά Περιορισμοί της διεργασίας και της συνολικής εγκατάστασης Καθαρισμός και συντήρηση Δυνατότητα αύξησης της δυναμικότητας για μελλοντική χρήση Κόστος Μηχανολογικά/ κατασκευαστικά θέματα (υλικό κατασκευής, θερμική καταπόνηση κτλ.)

20 Βασικές Εξισώσεις 1/10 Ολικά ισοζύγια ενέργειας για το θερμό και το ψυχρό ρεύμα του εναλλάκτη q = mሶ h h h,i h h,o q = mሶ c h c,o h c,i q = mሶ h c p,h T h,i T h,o q = mሶ c c p,c T c,o T c,i Θερμοχωρητικότητα (C) κάθε ρεύματος

21 Βασικές Εξισώσεις 2/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς q = U A ΔΤ ΑΒ Εναλλάκτης διπλού σωλήνα: ΔΤ ΑΒ = ΔΤ lm = ΔT a ΔT b ln ΔT a ΔT b ΔΤ α = Τ hi Τ ci Τ hi Τ co ομορροή αντιρροή ΔΤ b = Τ ho Τ co Τ ho Τ ci ομορροή αντιρροή

22 Βασικές Εξισώσεις 3/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς Σύνθετος Εναλλάκτης q = U F A ΔΤ lm Συντελεστής διόρθωσης

23 Βασικές Εξισώσεις 4/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς Σύνθετος Εναλλάκτης

24 Βασικές Εξισώσεις 5/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς Συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U h o Επίπεδο τοίχωμα: 1 U = 1 + Δx h i k + 1 h o k h i Στην περίπτωση αποθέσεων προστίθεται ο όρος R f (R i =Δx i /k f ). h o k h i Κυλινδρικό τοίχωμα: 1 = 1 + Δr UA m A i h i A m k + 1 A o h o A m = A o A i ln( A o A i )

25 Βασικές Εξισώσεις 6/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς Τυπικές τιμές συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U (KW/m 2 o C) Ρευστό Ελάχιστο Μέγιστο Σχεδιασμός Αέριο-αέριο Ρευστό-αέριο Ρευστό-ρευστό Ρευστό- Συμπυκνούμενος ατμός

26 Βασικές Εξισώσεις 7/10 Μέθοδος αποδοτικότητας-αριθμού μονάδων μεταφοράς ε = q = C h(t hi T ho ) = C c(t co T ci ) q max C min (T hi T ci ) C min (T hi T ci ) Αποδοτικότητα όπου: C min =min(c h, C c ) q max το μέγιστο ποσό θερμότητας που μπορεί να μεταφερθεί σε εναλλάκτη κατά αντιρροή με άπειρη επιφάνεια, δηλ. για ΔT max =T hi -T ci. Μέσω της ε μπορεί να υπολογιστεί το q χωρίς να χρειάζεται η θερμοκρασία εξόδου, με δεδομένα τα C, U και A.

27 Βασικές Εξισώσεις 8/10 Μέθοδος αποδοτικότητας-αριθμού μονάδων μεταφοράς NTU = UA C min Αριθμός μονάδων μεταφοράς Για κάθε τύπο εναλλάκτη μπορεί να προσδιοριστεί μια σχέση υπολογισμού της αποδοτικότητας σαν συνάρτηση του αριθμού μονάδων μεταφοράς. Παράδειγμα: Ομορροή ε= 1 exp[ NTU 1+C r ] 1+C r Αντιρροή ε= 1 exp[ NTU 1 C r ] 1 C r exp[ NTU 1 C r ] C r = C min C max

28 Βασικές Εξισώσεις 9/10 Μέθοδος αποδοτικότητας-αριθμού μονάδων μεταφοράς Αριθμός μονάδων μεταφοράς Ομορροή Αντιρροή

29 Βασικές Εξισώσεις 10/10 Μέθοδος μέσης λογαριθμικής θερμοκρασιακής διαφοράς Προβλήματα διαστασιολόγησης εναλλάκτη με δεδομένες τις θερμοκρασίες. Μέθοδος αποδοτικότητας-αριθμού μονάδων μεταφοράς Προβλήματα λειτουργίας εναλλάκτη με δεδομένη την επιφάνεια εναλλαγής.

30