Модернизация опреснительной установки с контактным теплообменником

The most important period of the EAF process is a period of melting metal-charge, which consumes more than 70% of the electricity consumed on the entire electromelting process. By intensifying the technological processes, electric arc furnace can reduce the time of operation under the current, which allows improving the process.

"Uzmetkombinat" introduced a new type of arc furnace DSP-100 UMIC with bay release of liquid steel in the main steel ladles, followed by secondary treatment in the complex steel processing unit. Using the DSP-100 for charge melting processes and molten bath oxidation of impurities ensures the release of the standard precursor for various grades of steel, with the reduced dwell time of the molten metal in the furnace, reduced lining wear and increased furnace productivity. To intensify the melting of the charge furnace is equipped with a system of three gas-oxygen burners by "Lange" company with automatic control of gas flow and oxygen and all operating parameters output to the control and the computer. In the development of electric modes the main task is to establish the optimum amount of power in accordance with heat requirements in each period of melting [2]. Thus, maintaining optimum power modes at each stage of melting allows minimizing melting duration and power consumption, which improves the economic performance of the furnace. Transferring steel finishing operations on the complex steel processing unit made it possible: to reduce specific cost of electricity on smelting, refractories, electrodes, ferroalloys, to adjust the chemical composition of the steel and the temperature more precisely. This enabled the flexible management of the entire cycle from melting to casting of steel.

References

1. Rahmonov I. U. Analysis of problems of management of a power consumption and ways of their decisions. International Scientific-Practical Conference "Science and Innovation in the XXI century: problems and solutions", 29.09.2015. United Kingdom. London. P. 22-25.

2. Hoshimov F.A., Rahmonov I.U. Rationing of electricity productation in the rolling of ferrous metallurgy. European Science review Scientific journal. № 11-12, 2014. (November-December). Austria. Vienna.

МОДЕРНИЗАЦИЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С КОНТАКТНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ Котов В.М.1, Ерыгина Л.А.2

'Котов Владимир Михайлович - начальник отдела; 2Ерыгина Людмила Александровна - старший научный сотрудник, Национальный ядерный центр Республики Казахстан, г. Курчатов, Республика Казахстан

Аннотация: показаны особенности работы опреснительной установки с контактным теплообменом между греющим паром и испаряемой водой. Проведен анализ характеристик обмена энергией в элементах установки, определяющих ее экономическую эффективность. Предложены технические решения, снижающие затраты энергии на опреснение воды в вариантах с повышенным давлением пара в испарительной камере.

Ключевые слова: опреснительная установка, выпаривание, рекуперативный теплообменник, компрессор, пар, вода.

Введение

Существующий во многих регионах дефицит пресной воды может быть покрыт за счет опреснения соленых вод. Основной технологией, используемой при этом, является выпаривание в многокорпусных аппаратах. Она становится экономически выгодной при высокой производительности. Недостатком, являющимся следствием использования многокорпусных аппаратов, является сложность общей схемы. Кроме того при работе проявляется осаждение солей на рабочих поверхностях аппаратов, ухудшающее эксплуатационные свойства.

Возможные устранения данных недостатков могут быть связаны с технологией контактного теплообмена между испаряемой водой и греющим паром [1]. В предложенном решении [2] используется испарительная камера с падающим потоком соленой воды, который контактирует

с циркулирующим потоком пара. Пар с расходом равным расходу испаренной воды сжимается в компрессоре и подается в рекуперативный теплообменник, вторым агентом которого является циркуляционный пар. Большее давление сжатого пара обеспечивает возможность передачи тепла при ожижении сжатого пара циркуляционному пару.

Данная технология обеспечивает, помимо использования простой однокорпусной схемы [3], достижение малых затрат энергии на выпаривание, отсутствие необходимости в источнике пара для ее работы, возможность эффективной работы установок сравнительно малой производительности.

Особенности технологии

Затраты энергии на получение опресненной воды определяются в основном характеристиками рекуперативного теплообменника «сжатый пар - циркуляционный пар» и связанного с ним компрессора пара. Конструкция теплообменника задает средний уровень перепада температуры между сжатым паром и циркуляционным паром. В теплообменнике опреснительной установки [1] были использованы стенки из труб на основе алюминиевого сплава, представленные на рисунке 1а. В данном теплообменнике проводился нагрев циркуляционного пара на 10 оС, при мощности теплообмена 30 кВт его расход равен 700 г/с. Расход испаряемой воды 13 г/с. При данном соотношении расходов скорость сжатого пара будет много меньше скорости циркуляционного пара. Меньший расход сжатого пара и переход его в жидкое состояние требуют значительно меньшего сечения для его течения в теплообменнике. В представленном на рисунке 1б варианте с квадратными трубками из медного сплава скорость сжатого пара может быть легко увеличена до требуемой величины. Улучшается компактность рекуперативного теплообменника. Небольшую положительную роль здесь играет и замена алюминиевого сплава на медный.

12 3 4

Рис. 1а. Круглая ячейка Рис. 1б. Квадратная ячейка

1 — циркуляционный пар, 2 — сжатый пар 3 — циркуляционный пар, 4 — сжатый пар

Реализуемый в теплообменнике перепад температур задает уровень повышения давления пара в компрессоре. Важно знать, как влияет этот перепад температур на эффективность работы опреснительной установки.

В таблице 1 представлено изменение параметров сжатого пара (давление Р, энтальпия фазового перехода I, разность энтальпий сжатого и циркуляционного паров (11, степень сжатия пара 8, работа сжатия А, температура, достигаемая при сжатии Т сж,) в зависимости от температуры фазового перехода сжатого пара.

Таблица 1. Варианты характеристик опреснительной установки

Параметр /вариант Пар ц Сжатый пар

Т, оС 105 113 115 118 120 122 124

Р, ата 1.21 1.585 1.691 1.864 1.98 2.11 2.25

J пар, Дж/г 2698.6 2703 2706 2708.9 2711.7

I вода, Дж/г 482.6 495.3 503.8 512.3 520.8

и пар-вода, Дж/г 2243.1 2221.5 2216 2207.7 2202.2 2196.6 2190.9

и М2, Дж/г -21.6 -27.1 -35.4 -40.9 -46.5 -52.2

8, о.е. 1.31 1.398 1.54 1.636 1.744 1.86

А, Дж/г 47.4 58.96 77.2 88.44 100.95 113.1

Тсж оС 131.5 138 148.2 154.5 161 168.3

На основании данных таблицы 1 рассчитаны количества условных корпусов каждого варианта при двух значениях тепловых потерь испарительной камеры - 1.0 и 1.5% от dJ пар-вода циркуляционного пара. Здесь важную роль играет тепловой баланс установки, рассчитываемый по формулам:

B = Q доп + dJ + Q потерь; при Q потерь < 0 B = Q доп + dJ; при Q потерь > 0

Количество условных корпусов рассчитывалось как Q / (A*2.5+B). В последнем выражении принято, что затраты тепловой энергии в работе компрессора равны 1/КПД, а КПД электростанции равен 45 %. Расчетные значения числа корпусов и баланса представлены на рисунке 2.

8 ------------- -21

112 113 114 115 116 117 IIS 119 120 121 122 123 124 125

Т фазового перехода, С

™ N корпусов 1.5% ^—N корпусов 1 % ^-Балакс1.5% ^-Балакс1%

Рис. 2. Зависимость числа корпусов и баланса от температуры фазового перехода сжатого пара

Анализ данных

Из рисунка 2 видно, что отрицательный баланс наблюдается в области меньших температур фазового перехода сжатого пара. Однако, в этой же области число условных корпусов наибольшее. Наибольший вклад в отрицательный баланс вносят тепловые потери испарительной камеры. Казалось бы, стоит компенсировать эти потери подогревом стенок испарительной камеры, и задача будет решена. Однако, это не так. При такой компенсации будут нарушены условия расчета - вырастет температура циркуляционного пара, возможно неполное ожижение сжатого пара в рекуперативном теплообменнике.

Положительное решение заключается в вводе дополнительной тепловой энергии в тракт сжатого пара. На рисунке 3 приведена схема такой модифицированной установки.

Рис. 3. Опреснительная установка с дополнительным вводом тепла: 1 — рекуперативный теплообменник, 2 — испарительная камера, 3 — внешний рекуператор, 4 — шайба на выходе пресной воды, 5 - источник дополнительной тепловой энергии, 6, 7, 8 — электрические переключатели, К — клапан выпуска воздуха

Повышение температуры циркуляционного потока пара приводит к росту его давления и снижению габаритов испарительной камеры, что позволяет уменьшить потери тепловой энергии при той же толщине теплоизоляции и меньшей ее массе.

Компенсация тепловых потерь по схеме рисунка 3 обеспечивает высокие характеристики опреснительной установки, соответствующие в лучшем варианте работе многокорпусной установки с числом корпусов большем 20. Лучшие результаты будут достигнуты при использовании роторно-лепесткового варианта компрессора [5].

Заключение

Приведено изменение характеристик передачи тепловой энергии от сжатого пара циркуляционному потоку в рекуперативном теплообменнике опреснительной установки с контактным теплообменом испаряемой воды и пара.

Показана возможность компенсации тепловых потерь за счет прямой дополнительной подачи тепла сжатому пару и снижения затрат энергии на испарение в области малых перепадов температур между сжатым и циркуляционным паром.

Предлагаемой решение обеспечивает работоспособность опреснительной установки с контактным теплообменом на уровне соответствующем многокорпусной установки с числом корпусов большем двадцати.

Список литературы

1. Котов В.М. Возможности опреснительной установки с контактным теплообменником. // Атомная энергия. Т. 120. Вып. 3, 2016. С. 142-147.

2. Котов В.М. Опреснительная установка с контактным теплообменником и способ её работы. // Инновационный патент Республики Казахстан № 28118. Бюл. «Промышленная собственность», 2014. № 2. С. 40.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 784 с. С. 395.

4. Тарасов Ф.М. Выпарные процессы и установки. Л. Ленинградский технологический институт холодильной промышленности, 1962. 154 с.

5. Котов В.М. Роторно-лепестковые тепловые машины // Academy. № 3 (18), 2017. С. 11-22.