Энергосберегающая технология «Транссоник»

Одним из вариантов новых ресурсно- и энергосберегающих техно- логий на предприятии может стать применение трансзвукового устрой- ства «Транссоник» (ТС), которое состоит в использовании возможно- стей снижения скорости звука в двухфазных потоках, например, вода – пар.

На рис. 4.2.1 представлена зависимость скорости звука в гомоген- ной двухфазной смеси от объемного соотношения фаз:

 

 

где

 

 

V г – объем газа смеси;

V г V ж+ – объем смеси.

b = V г,

V г + V ж

(4.2.1)

Скорость звука в жидкости (например, в воде при обычных услови- ях) достигает почти 1500 м/с, в чистом газе при тех же условиях она со- ставляет 330 м/с. Если смешать их в соотношении 1:1, то скорость зву- ка в такой смеси при обычных условиях будет всего около             20 м/с, что, очевидно, во много раз меньше, чем скорость звука не только в жидко- сти, но и в газе. Следовательно, однородная двухфазная среда более сжимаема, чем чистый газ.

 

Рис. 4.2.1. Кривая зависимости скорости звука в гомогенной двухфазной смеси от объемного состояния фаз вода – пар

 

На рис. 4.2.2 схематически показана внутренняя проточная часть ТС, а на рис. 4.2.3 – распределение давления внутри аппарата.

 

Рис. 4.2.2. Схема внутренней проточной части ТС

 

Пар, поступающий в аппарат через сопло, смешивается между се- чениями II и III с водой, которая входит в кольцевое пространство. При этом на входе в цилиндрический канал образуется гомогенная двухфаз- ная смесь, скорость течения которой выше, чем локальная скорость зву- ка.

Когда после смешивания пара с водой возникает гомогенная двух- фазная смесь, скорость которой на входе в кольцевое пространство рав- на 50 м/с, что во много раз меньше, чем скорость звука в паре (500 м/с) и тем более в жидкости (1500 м/с), то скорость звука в такой смеси в зоне вакуума, перед скачком давления может снизиться до 5 м/с. В этом случае число Маха: 1 / M, пр w едс a т=авляющее собой отношение ско- рости потока () w к скорости звука в данном потоке                            () a, достигнет

10 м/с. Интенсивность скачка давления (от

p 1 до

p ₂) пропорциональна

квадрату числа Маха, т. е. в представленном примере давление после скачка может быть почти в 100 раз выше давления до него; реально со- отношение 2 / p 1 м p ожет достигать 1000.

Рис. 4.2.3. Графики распределения давления внутри аппарата

 

У аппарата ТС принципиально иная энергетика процесса. В анало- гичных устройствах превращение тепловой энергии в кинетическую и, наконец, в работу сверхзвукового потока (реактивная тяга в летатель- ных аппаратах, процессы в паровых и газовых турбинах, турбокомпрес- сорах) происходит традиционным путем – за счет увеличения скорости потока (числитель формулы Маха), что сопровождается большими энергетическими потерями. В ТС значение      1 М до>стигается за счет уменьшения скорости звука (знаменатель в формуле Маха) при очень незначительных скоростях потока, так как затраты энергии относитель- но малы.

Отличительным признаком ТС в части гидродинамики является то, что давление потока на выходе аппарата может быть во много раз выше, чем давление воды и пара на входе в аппарат.

При этом, в отличие от обычных перекачивающих насосов, произ- водительность аппарата ТС, работающего как насос, не меняется при изменении противодавления в сети. Благодаря этому ТС может быть

чрезвычайно эффективно использован в качестве насоса, нагревателя (охладителя), дозатора, смесителя, пастеризатора и гомогенизатора в самых различных областях – энергетике, химии, экологии, фармацевти- ке и, наконец, в молочной и пищевой промышленности.

В настоящее время наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получило использование «Транссоника» в отопительных сис- темах и системах горячего водоснабжения. Например, блок из четырех аппаратов ТС массой немногим более 50 кг каждый в одной из район- ных котельных Москвы заменил четыре более чем 1,5-тонных бойлера и три сетевых насоса суммарной массой свыше     1 т. При этом один ТС обеспечивает производительность от 60 до 260 м ³/ч, температуру на входе – до 70 °С, на выходе – до 145 °С, давление в обратной линии – около 0,4 МПа и в прямой – до 1 МПа.

В зимнее время достигается практически 100%-я экономия элек- троэнергии (сетевые насосы работают в аварийном и пусковом режи- мах), в режиме частичных нагрузок может экономиться до 30 % газа, так как условия работы ТС таковы, что принципиально исключают пе- ретоки в котле из-за небаланса внешней нагрузки с тепловой мощно- стью источника.

Сегодня «Транссоник» успешно работает на многих крупных, средних малых предприятиях, а также на ТЭЦ России и других стран СНГ.

В процессе эксплуатации аппараты претерпели конструктивные изменения. В результате разработчиками были предложены аппараты нового поколения, представляющие собой один тройник и имеющие в проточной части паровое сопло и конфузор. Эти аппараты получили на- звание «Фисоник». Их практически можно встроить в любую сущест- вующую теплотехнологическую систему, имеющую самые различные значения температур и давления, так как расчет его проточной части выполняется по индивидуальным заказам. Аппараты спроектированы и изготовлены таким образом, что могут устойчиво работать во всем диа- пазоне расчетных параметров как теплообменники и насосы.

Теплообменник «Фисоник» является наиболее эффективным с точ- ки зрения энерго- и ресурсосбережения по сравнению с другими из- вестными теплообменными аппаратами. Его габариты и масса на поря- док ниже других теплообменников. Длина не превышает 400 мм, диа- метр равен 100 мм, масса – 52 кг.

Экономический эффект работы аппаратов определяется следую- щими факторами:

• уменьшением капитальных затрат по сравнению с существую- щими схемами;

• значительным снижением удельных затрат электроэнергии на 1 Гкал тепла, так как отпадает необходимость в использовании мощных сетевых насосов;

• сокращением удельного расхода топлива на 1 Гкал выработанно- го тепла для систем теплоснабжения за счет более высокого КПД теп- лообмена по сравнению с традиционными теплообменниками;

• снижение эксплуатационных расходов, так как отпадает необхо- димость в ремонте теплообменников.

Применение аппаратов «Фисоник», работающих в режиме «насос– теплообменник», позволяет экономить электроэнергию, так как в это время сетевые насосы не работают. Их коэффициент полезного дейст- вия составляет     99,7 %, а реальный КПД 90 %, поэтому расход пара

при применении аппаратов «Фисоник» уменьшается на 10 %, и, соот- ветственно, снижается расход топлива. Кроме того, уменьшаются экс- плуатационные расходы.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что примене-

ние технологии аппаратов «Фисоник» в тепловой схеме котельной вме- сто теплообменников является перспективным энергосберегающим на- правлением.

Срок окупаемости затрат на внедрение энергосберегающей фисо- ник-технологии в зависимости от типа системы, ее тепловой мощности и других особенностей составил в среднем один отопительный сезон.