Учебно-методическое пособие Ростов-на-Дону 2019

7.2. Использование теплоты отработавших газов для получения
электрической и тепловой энергии 
 
Значительной составляющей теплового баланса многих технологических 
процессов являются потери теплоты с отработавшими газами. Величина этой 
составляющей меняется в пределах от 35...40 % при нагреве и термообработке 
металла до 65...70 % в высокотемпературных плавильных процессах. 

---

103 
Целесообразность и эффективность использования теплоты отработавших газов 
определяется тепловой мощностью, расходуемой на технологический процесс,
непрерывностью выхода газов и их температурным уровнем. Чем выше 
температурный уровень и больше объем отходящих газов, тем целесообразнее 
использование ВЭР. Увеличение тепловой мощности энергоисточника приводит к 
снижению удельных капитальных вложений и эксплуатационных расходов. 
Непрерывность выдачи теплового отхода (непрерывность технологического 
процесса) определяет экономическую эффективность использования этого ВЭР.
Наилучшим способом использования теплоты отработанных газов 
Теплообменники для отработавших газов является организация возврата их 
теплоты в технологический цикл (рекуперация теплоты). Примером этого 
являются воздухонагреватели котельных установок и печей. Однако, как 
правило, обеспечить полное использование теплоты отработавших газов за счет 
рекуперации не удается. Поэтому можно использовать оставшуюся теплоту для 
нужд, не связанных непосредственно с технологией. Наиболее просто 
использовать эту теплоту на цели отопления и горячего водоснабжения. Это 
реализуется с помощью газоводяных теплоутилизаторов, в которых отработанные 
газы подогревают воду, поступающую в системы отопления и горячего 
водоснабжения. В основном используется два вида теплоутилизаторов: 
1) рекуперативные (поверхностные); 
2) контактные экономайзеры. 
В рекуперативных теплоутилизаторах отсутствует непосредственный 
контакт продуктов сгорания с водой. Теплота передается через теплообменную 
поверхность, которая в простейшем случае может представлять собой стальной 
трубчатый змеевик (рис.7.1). 
Рис. 7.1. Змеевиковый трубчатый теплоутилизатор 
1 и 2 – вход и выход нагреваемой воды; 3,4 – вход и выход отработанных газов 

---

104 
Интенсивность 
теплоотдачи 
и 
потери 
давления 
в 
трубчатых 
теплоутилизаторах зависят, в основном от скорости газового потока. В нашей 
стране оптимальными считаются скорости газа 5 – 8 м/с. Эффективность 
гладкотрубных пучков довольно низка, т. к. величина коэффициента 
теплопередачи не превышает величины коэффициента теплоотдачи от газов к 
поверхности труб. Низкая величина коэффициента теплопередачи приводит к 
увеличению площади поверхности теплопередачи, а следовательно и к 
увеличению размеров теплоутилизатора. Поэтому в настоящее время более часто 
используют теплоутилизаторы с трубками, оребренными с наружной (газовой) 
стороны. Оребрение увеличивает интенсивность теплопередачи и позволяет 
уменьшить размеры теплоутилизатора.
В контактных экономайзерах теплота отработавших газов передается при 
непосредственном контакте газов с каплями воды. Воду, контактировавшую с 
продуктами сгорания нельзя направлять на горячее водоснабжение, поэтому 
приходится 
дополнительно 
использовать 
водо-водяной рекуперативный 
теплообменник, в котором вода из экономайзера подогревает воду, 
соответствующую 
санитарно-гигиеническим 
нормам. 
Интенсивность 
теплообмена в контактных экономайзерах довольно низкая, поэтому они 
получаются довольно громоздкими. Кроме того, воду в них можно нагревать до 
температуры, не превышающей температуру «мокрого» термометра
Основной недостаток данного способа утилизации теплоты отработавших 
газов связан с тем, что для систем отопления характерен сезонный и крайне 
неравномерный график потребления. Длительность отопительного сезона для 
различных климатических зон России составляет от 2000 до 5000 часов в год, 
причем и в эти периоды нагрузка колеблется от кратковременных максимумов, 
соответствующих температурам наиболее холодных суток, до значений в 4 – 5 раз 
меньших. Нагрузка на горячее водоснабжение имеет более устойчивый характер, 
но величина ее составляет обычно не более 30 % от нагрузки отопления. Поэтому 
использование ВЭР для отопления и горячего водоснабжения целесообразно, как 
правило, только для установок малой тепловой мощности. 
В теплотехнологических установках большой мощности оптимальным 
является использование теплоты отработанных газов для выработки 
электроэнергии. Наиболее эффективно использовать для этого паротурбинные 
установки. Принципиальная схема паротурбинной установки, использующей
теплоту отработанных газов, представлена на рис. 7.2. Горячие отработанные 
газы из рабочей камеры технологической установки 1 (например, из конверторной 
установки металлургического завода) нагревают и испаряют питательную воду 
котла-утилизатора 3. Образовавшийся водяной пар перегревается в 
пароперегревателе 4 и направляется в паровую турбину 5. Здесь потенциальная 
энергия пара превращается в кинетическую энергию ротора турбины, которая 
используется 
для 
привода 
электрогенератора 
6. 
Отработанный 
пар 
конденсируется в конденсаторе 7. Образовавшийся конденсат используется, как
питательная вода для котла-утилизатора. Кроме того, часть теплоты 
отработанных газов используется для подогрева воздуха, подаваемого в рабочую 

---

105 
камеру. Подогрев воздуха осуществляется в нижней 8 и верхней 2 ступенях 
газовоздушного рекуператора. 
Рис. 7.2. Схема паротурбинной установки,
использующей теплоту отработанных газов 
1 – рабочая камера теплотехнологической установки;
2 – 2 – я ступень газовоздушного рекуператора; 3 – котел-утилизатор; 
4 – пароперегреватель; 5 – турбина; 6 – электрогенератор; 7 – конденсатор; 
8 – 1 – я ступень газовоздушного рекуператора 
Установки, аналогичные по схеме работы установке, представленной на 
рис. 7.2, используются в основном при высокой температуре отработавших газов 
(более 900 °С). В этом случае котлы-утилизаторы снабжаются радиационными 
поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычные паровые 
котлы малой мощности. По аналогии с обычными паровыми котлами 
радиационную камеру котла-утилизатора называют топочной камерой. Основная