I. Что на самом деле утверждает закон сохранения энергии
Первый закон термодинамики — самое простое выражение сохранения энергии в инженерии: энергия, поступающая в систему, равна энергии, покидающей систему, плюс изменение внутренней энергии системы. Для теплообменника в стационарном режиме сама система не накапливает энергию, поэтому «тепло, поглощённое холодным теплоносителем = тепло, отданное горячим теплоносителем». В виде уравнения:
Q_погл = Q_отд, т.е. m_хол·c_хол·(T_хол_вых − T_хол_вх) = m_гор·c_гор·(T_гор_вх − T_гор_вых)
где m — массовый расход, а c — удельная теплоёмкость. Это уравнение — «главная бухгалтерия» всего проектирования утилизации тепла: для любой схемы теплообмена сначала сведите этот баланс, чтобы понять, сколько тепла можно вернуть.
II. Где теряется промышленное тепло уходящих газов
В таких отраслях, как химическая, текстильная печать и крашение, переработка пищи и металлургия, значительная доля энергии в итоге уходит с низкотемпературными дымовыми газами, охлаждающей водой и выбросным воздухом. Возьмём сушильную раму: выброс свыше 200°C, сбрасываемый напрямую, несёт явное тепло, которое при расчёте 6 000 рабочих часов в год часто равно сотням тонн условного топлива. Это тепло не «исчезло» — оно просто вышло из вашей технологической системы.
- Явное тепло дымового газа/выброса: Высокая температура и большой расход, главная цель утилизации;
- Тепло сточных/охлаждающих вод: Средняя температура, подходит для подогрева питательной воды или отопления;
- Теплопотери с поверхности оборудования: Рассеянные и низкопотенциальные, обычно сначала устраняются теплоизоляцией.
III. Как теплообменник «перемещает» тепло
Сам теплообменник тепло не генерирует; он лишь выступает переносчиком: позволяет горячему теплоносителю передать своё тепло холодному, не смешивая два теплоносителя. Пластинчатый рекуператор «воздух-воздух» переносит тепло из сушильного выброса в приточный воздух, экономя энергию, которая пошла бы на нагрев притока; рекуператор «воздух-вода» переносит тепло дымовых газов в систему горячей воды. Пока сбалансирован энергетический счёт, возвращённое тепло равно несожжённому топливу.
IV. Три контрольные точки сохранения при проектировании
При разработке схемы рекомендуется проверять по пунктам:
- Баланс горячего конца: Равна ли теплота, отданная при охлаждении горячего теплоносителя, ожидаемому объёму утилизации;
- Баланс холодного конца: Может ли горячий конец обеспечить тепло, нужное для нагрева холодного теплоносителя;
- Утечка воздуха/теплопотери: Фактический объём утилизации должен за вычетом теплопотерь корпуса теплообменника и возможных потерь от перекрёстного загрязнения.
Многие случаи «теоретически возвращаемых 30%» в итоге дают лишь 20% — разрыв и есть те самые неучтённые пункты. Относитесь к первому закону как к красной линии, и схема не будет завышена.