Утилизация теплоты. Шпаргалка: Вторичные энергетические ресурсы

Введение

Литература

Введение

В настоящее время в использовании вторичных энергетических ресурсов имеются значительные резервы.

Задача максимального использования ВЭР имеет не только экономическое, но и социальное значение, поскольку снижение расходов топлива, обеспечиваемое использованием ВЭР, уменьшает вредные выбросы и снижает загрязнение окружающей среды.

ВЭР нельзя рассматривать как даровые дополнительные источники энергии. Они являются результатом энергетического несовершенства технологических производств, поэтому необходимо стремиться к снижению их выхода за счет более полного использования топлива в самом технологическом агрегате. В этом состоит основная задача повышения эффективности теплотехнических производств, наиболее полного использования ВЭР, как неизбежного спутника этих процессов.

Пределом идеальной организации производств является создание безотходная по материалам и энергии технологии.

1. Классификация вторичных энергоресурсов

Предприятие черной металлургии потребляет большое количество топлива, тепловой и электрической энергии. Наряду с этими технологиями металлургического производства характеризуется значительным выходом вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

По виду энергии ВЭР делятся на горючие (топливные), тепловые и избыточного давления.

Горючие ВЭР - побочные газообразные продукты технологических процессов, которые могут быть использованы в качестве энергетического или технологического топлива.

Тепловые ВЭР - физическая теплота основных и побочных продуктов, отходящих газов технологических агрегатов, а так же систем охлаждения их элементов.

ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов, выходящих из технологических агрегатов с избыточным давлением, которое может быть использовано других видов энергии.

2. Виды ВЭР и способы их использования

	Носители ВЭР	Энергетический потенциал	Способ использования
	Газообразные отходы	Низкая теплота сгорания	Сжигание в топливо использующих установках
Тепловые	отходящие газы, готовая продукция и отходы производства, теплоносители охлаждения отработанный и попутный пар	энтальпия	выработка в теплоутилизиционных установках водяного пара, горячей воды покрытие тепло потребности, выработка электроэнергии в конденсоционном или теплофикационном турбоагрегате
избыточное давление	газы с избыточным давлением	работа изоэнтропного расширения	выработка электроэнергии в газовом утилизационном турбоагрегате

Выход ВЭР - количество ВЭР, образующиеся в технологическом агрегате.

Выход ВЭР для горючих: q гор = m Qр;

для тепловых: qт =mі;

для ВЭР избыточного давления: qи = ml;

где q - выход соответствующих ВЭР, m - удельное или часовое количество энергоносителя, Qр - низшая теплота сгорания, і -

энтальпия энергоносителя, l - работа изоэнтропийного расширения газов.

Характеристика горючих ВЭР черной металлургии:

Доменный газ образуется при выплавке чугуна в доменных печах. Его выход и химический состав зависят от свойств шихты и топлива, режима работы печи, способов интенсификации процесса. Доля негорючих компонентов азота и углекислого газа в доменном газе составляет 70%. При сжигании доменного газа максимальная температура продуктов сгорания равна 1487 С. На выходе из печи газ загрязнен колошниковой пылью. Использовать доменный газ в качестве топлива можно только после его очистки.

Ферросплавный газ - образуется при выплавке ферросплавов в рудовосстановительных печах. Суммарное содержание сероводорода и оксида серы (4) в пересчете на оксид серы (4) не должно превышать 1 г\м3 .

Конвертерный газ - образуется при выплавке стали в кислородных конвертерах. Газ в основном состоит из оксида углерода. В качестве топливных ВЭР конвертерный газ используется при отводе без дожигания.

Ценное технологическое и энергетическое топливо.

Коксовый газ - образуется при коксовании угольной шихты. В черной металлургии в качестве топлива используется после извлечения химических продуктов. Компоненты коксового газа: водород, кислород, метан, азот, углекислый и угарный газы.

Характеристика тепловых ВЭР.

Физическая теплота готового продукта из шлаков.

Из печей и агрегатов металлургического производства готовый продукт и шлак выходят с высокой температурой. В некоторых случаях эта теплота ВЭР. Теплота жидкого чугуна используется в последующих переделах (мартеновские печи, кислородные конвертеры).

Теплота жидкой стали используется в прокатном производстве за счет горячего посада слитков. Физическая теплота вторичных газов.

Использование физической теплоты коксового газа возможна после сухой очистки. Наибольшую температуру имеют конверторные газы.

Отходящие газы мартеновских печей состоят из продуктов сгорания топлива и газообразных компонентов химических реакций, протекающих в технологическом процессе. К тепловым ВЭР относятся энергоносители в виде водяного пара, горячей воды и вентиляционных выбросов.

3.Экономия топлива при использовании теплоты отходящих газов

Использование физической теплоты отходящих газов осуществляется по трем схемам: технологической (замкнутой и разомкнутой), энергетической и комбинированной.

Технологическая схема предусматривает использование этой теплоты для технологических процессов, как правило, в той же теплотехнологической установке. По такой схеме нагревают воздух, а также в некоторых случаях и газообразные топлива, предварительно подогревают обрабатываемый в печи материал или производят химико-термическую переработку некоторых шихтовых материалов, используемых в данном процессе. При отоплении печей природным газом к технологической схеме относится также термохимическая регенерация теплоты отходящих газов, используемая для конверсии метана. Описанные схемы являются замкнутыми, они обеспечивают экономию топлива в самом технологическом агрегате (рис.1). Теплоту отходящих газов можно использовать и в другой печной установке с меньшим температурным уровнем процесса. Такая схема является разомкнутой (рис.2). В этом случае экономится топливо в установке, использующей теплоту отходящих газов. Возможно также последовательное использование теплоты в основном и в низкотемпературных агрегатах.

Рис.1. Замкнутые технологические схемы использования теплоты отходящих газов: а - для подогрева воздуха; б - для предварительного нагрева материала; 1 - печь; 2 - отвод газов из печи; 3 - рекуператор; 4 - подвод воздуха в рекуператор; 5 - отвод дыма: 6 - подвод воздуха в печь; 7 - подвод топлива в печь; 8 - выдача материала; 9 - подача подогретого материала в печь; 10 - подача холодного материала.

Рис.2. Разомкнутая технологическая схема использования теплоты отходящих газов: 1 - печь; 2 - подвод топлива; 3 - подвод воздуха; 4 - подача материала; 5 - отвод газов из печи: 6 - технологическая установка второй ступени; 7 - отвод газов установки второй ступени; 8 - выдача материала.

Применение замкнутой технологической схемы повышает эффективность использования топлива в технологическом агрегате, т.е. снижает выход ВЭР.

Энергетическая схема предусматривает использование теплоты отходящих газов в энергетических установках для производства каких-либо энергоносителей (теплоты, электроэнергии, холода и др.). Возможно последовательное размещение нескольких теплоиспользующих установок, например, котлов-утилизаторов и экономайзеров для подогрева сетевой воды. Таким образом, энергетическая схема является разомкнутой и позволяет сэкономить топливо, расходуемое на производство соответствующих видов и количеств энергоносителей за счет использования ВЭР технологического агрегата (рис.3).

Комбинированная схема сочетает технологическую и энергетическую схемы и обеспечивает как уменьшение выхода ВЭР, так и более эффективное их использование (рис.4).

Каждая из схем имеет достоинства и недостатки. Основным критерием для их сравнения является достигаемая экономия топлива. Однако этот критерий еще не дает основания для окончательной оценки схем. Здесь необходим технико-экономический расчет, учитывающий капитальные и эксплуатационные затраты, устойчивость потребления энергоносителей, полученных за счет теплоты отходящих газов, и др.

Рис.3. Энергетические схемы использования теплоты отходящих газов: а - для получения пара; б - для получения пара и горячей воды; 1 - печь; 2 - подвод воздуха; 3 - подвод топлива; 4 - отвод газов из печи; 5 – КУ; 6 - отвод пара из КУ; 7 - отвод дыма из КУ; 8 - подвод питательной воды в КУ; 9 - подогреватель сетевой воды; 10 - подвод воды в подогреватель; 11 - отвод горячей воды.

Рис.4. Комбинированная схема использования теплоты отходящих газов: 1 - печь; 2 - отвод газов из печи; 3 - рекуператор; 4 - подвод воздуха в рекуператор; 5 - отвод дыма из рекуператора; 6 - отвод пара из КУ; 7 - КУ; 8 - подвод питательной воды в КУ; S - подвод воздуха в печь; 10 - подвод топлива в печь.

4. Вторичные энергетические ресурсы топливно-энергетического комплекса

Мировая добыча угля составляет 2025 млн. т в год (4033 шахты). При этом образуется около 6 млрд. т твердых, жидких и газообразных отходов, что составляет около 3 т отходов на 1 т угля (из них отвальной породы 2,5 т). При подземной добыче угля удельный выход породы, выдаваемой из шахт на поверхность составляет около 0,3 т на 1т добываемого угля. Собственно горючая масса в угольной промышленности составляет всего 20% горной массы. Доля угля в производстве электроэнергии составляет 37% (1980 г).

Сланец имеет не меньшее значение, чем уголь. Около 40% сланца добывается открытым способом и 60% из шахт.

Отходы добычи и обогащения сланцев состоят из вскрышных пород, отходов обогащения.

Разработан проект переработки сланцев (Швеция), предусматривающий добычу открытым способом и в шахтах 6 млн. т сланца в год и производство 1300 т урана ежегодно. Схема переработки сланца предусматривает первичное дробление, обогащение в тяжелых средах для удаления известняка, обработку сланца серной кислотой в барабанных аппаратах, выдержку обработанного материала в штабелях, противоточное выщелачивание серной кислотой методом просачивания (удаление урана 79%), фильтрирование раствора, экстракцию из него урана органическим растворителем, реэкстрацию раствором карбоната натрия или аммония и осаждение уранового концентрата. Осадок выщелачивания смешивают с известняком и направляют в отвал.

Дальнейшие этапы усовершенствования технологии переработки сланцев:

энергетическое использование органического материала путем сжигания или газификации;

разработка технологии получения алюминия из сланца;

полное комплексное извлечение цветных металлов.

Газовые выбросы промышленных предприятий как ВЭР.

Развитие энергетики, металлургии, транспорта, химии и нефтехимии приводит к быстро возрастающему потреблению воздуха, используемого в качестве сырья в процессе окисления. Предприятия химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и ряда других отраслей промышленности потребляют большие количества чистого воздуха и выбрасывают огромные объемы отработанных кислородосодержащих газов и загрязненного вентиляционного воздуха.

Перспективным является метод очистки воздуха от микропримесей - объединение энергетических и химических комплексов. Рассмотрим возможности объединения этих процессов путем использования отработанного воздуха промышленных предприятий в качестве окислителя, например дутьевого воздуха в топках котлов. В этом случае обеспечивается дешевая очистка загрязненного воздуха от токсичных примесей и отпадает необходимость в потреблении чистого воздуха для окисления топлива.

Литература

1. Ласкорин Б.Н. Безотходная технология минерального сырья. - М.: " Недра", 2004г. - 334с.

2. Розенгарт Ю.И. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование. - К.: " Высшая школа", 2008г. - 328с.

3. Рихтер Л.А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. Под редакцией Непорожного. - М.: " Энергоиздат", 2001г. - 296с.

4. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: " Недра", 1987г. - 294с.

5. Толочко А.И. Защита окружающей среды от выбросов предприятий черной металлургии. - М.: " Металлургия" 2001г. - 95с.

При объективной оценке эффективности нужно учитывать разные режимы работы утилизатора: «сухой», «мокрый», неуправляемый, управляемый, оттайки и др., описанные в предыдущей статье (журнал С.О.К., №12/2010). В результате возможных ошибок, перечисленных ниже, можно получить фактическую эффективность и экономию теплоты существенно меньшую, чем по расчету, это может не устроить заказчика. Последний не намерен долго ждать окупаемости этого аппарата, отводя этому срок примерно два-три года.

Основные теплотехнические параметры утилизаторов теплоты и холода

В технических и частично экономических расчетах, при испытании теплоутилизационного оборудования используют различные и, в общем случае, многочисленные параметры, одни из которых применяют чаще, другие — реже. Среди этих параметров основными являются:

В вышеприведенных формулах использованы выражения, называемые водяными эквивалентами по наружному W н и уходящему W у воздуху, по циркулирующей воде или рассолу W w , по насадке W нас: W н = G н c в; W у = G у c в; W w = G w c w и W нас = М нас c нас. Все эти величины, кроме W нас, измеряют в кВт/°C, а величину W нас — в кДж/°С.

Отношение W нас к любому из эквивалентов (W н, W y , W w) характеризует инерционность процесса передачи теплоты от насадки к движущейся среде и измеряется в секундах.

Технико-экономическая эффективность применения теплоутилизации в СКВ и СВ

Задача обоснования эффективности теплоутилизации связана с учетом значительной стоимости оборудования, достигающей 30-50 % от стоимости приточной установки, разной продолжительности использования, тенденцией роста тарифов на тепловую и электрическую энергию, высокой платой за подсоединение к теплосети, высоких штрафов за превышение температурой обратной воды ее графика ТЭЦ, поэтому однозначного решения такая задача не имеет. По мнению А.А. Рымкевича и других специалистов, утилизация теплоты — важное вторичное мероприятие, которое нужно рассматривать и анализировать после того, как исчерпаны все первичные возможности снижения потребления теплоты за счет комплекса мероприятий.

Способы оценки эффективности утилизации теплоты

Существуют несколько способов оценки эффективности утилизации теплоты в том или ином аппарате. Первый способ оценки на основе коэффициента использования энергии как отношения получаемой в утилизаторе теплоты к затрачиваемой электроэнергии на преодоление сопротивления сред η э = Q т /N.

Будучи чисто энергетической характеристикой, он не учитывает стоимости аппарата и разные, к тому же возрастающие, тарифы за теплоту (по горячей воде или сопутствующей электроэнергии) и за электроэнергию, т.е. использует натуральные мгновенные показатели. Кроме того, получаемая в утилизаторе теплота всегда переменна в зависимости от начальной разности температур t у - t нi текущей эффективности и режима работы теплоутилизатора.

Второй способ оценки основан на эксергетическом КПД , учитывающем относительную эксергию теплоты, влаги и эксергию движущегося воздуха:

где E 1 и Е 2 — эксергия теплоты, влаги и эксергия удаляемого и приточного (наружного) воздуха; ΣE n — суммарная эксергия потребляемой электрической энергии в системе. По поводу этих коэффициентов В.Н. Богословский и М.Я. Поз справедливо заметили, что «...любой из указанных термодинамических показателей дает только представление о степени термодинамического совершенства процесса и не может служить основанием для принятия технического решения.» .

Третий способ оценки является более общим технико-экономическим показателем и характеризует ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных затрат (впервые предложен для условий рынка английским физиком У Томсоном (1824-1907), более известным в нашей стране как теплофизик Кельвин ) в вариантах разного типа ТУ, их эффективности, стоимости и аэродинамического сопротивления:

Годовой экономический эффект [руб/ год] как разность приведенных затрат по сравниваемым вариантам систем с теплоутилизатором (2) и без него (1) является другим комплексным показателем:

где ΔC т.год — стоимость сэкономленной теплоты в горячей воде, паре, электроэнергии с учетом настоящих и перспективных тарифов на энергоносители, руб/год; ΔC э.год — стоимость дополнительного годового расхода электроэнергии на перемещение воздуха и воды через аппарат, руб/год; ΔK ту — капитальные затраты на утилизатор, его монтаж, наладку и управление, руб.; (Е н + 0,18) ΔK ту — отчисления от дополнительных капитальных затрат на амортизацию, ремонт, общеобъектные и прочие расходы 0,18ΔK ту [руб/год], в связи с применением теплоутилизатора и изменением типоразмера воздухонагревателя, а также с учетом нормативного коэффициента эффективности:

где r — норма дисконта, r = 0,10-0,15 ; Т ок — срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, год; ΔK вн — сокращение капитальных затрат на воздухонагреватель при уменьшении его рядности или полном отказе, руб.; ΔK прис — единовременные затраты на присоединение объекта к источнику теплоты, руб/Гкал или руб/кВт⋅ч.

В формуле должна быть учтена зависимость всех величин от конструкции утилизатора и его эффективности. Также среди составляющих эксплуатационных затрат следует учесть возможные штрафы ТЭЦ за превышение температуры обратной воды после воздухонагревателя.

Сводная номограмма для оценки эффективности современных теплоутилизаторов была разработана на основе соответствующих расчетов и представлена на рис. 1 в предположении неизменности коэффициента эффективности в течение неуправляемого режима работы аппарата. Эта номограмма построена в следующей последовательности. Предварительно по данным одного из производителей кондиционеров была оценена примерная удельная стоимость разных теплоутилизаторов (рис. 1а). Аналогично на этот график можно нанести данные об удельной стоимости теплоутилизаторов других производителей. Для конкретных условий (t y = 20 °C, t к = 10 °С) при разных θ ту построена граница режимов работы ТУ (правый квадрант на рис. 1) и определено удельное количество теплоты (на 1 кг/с нагреваемого воздуха при односменной работе).

Воспользуемся этими данными для оценки эффективности применения ТУ в климатических условиях города Санкт-Петербурга.

Оценить удельную экономическую эффективность применения теплоутилизатора, отнесенную к 1000 м 3 /ч нагреваемого наружного воздуха при его удельной стоимости K ту /L н = 40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч) в самом благоприятном случае, т.е при непрерывной работе системы

ΣQ ту.год = 24 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч), электронагреве по среднему (между дневным и ночным) тарифу c’э = 2 руб/кВт⋅ч, аэродинамическом сопротивлении аппарата ΔР в = 0,30 кПа; КПД вентиляторной установки η = 0,7, соответствующей дополнительной мощности на перемещение воздуха 0,12 кВт/(тыс. м 3 /ч):

дополнительном годовом расходе электроэнергии 1,05 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч) ΔW э = 8766 х 0,12 = 1,05.

Сокращением затрат на воздухонагреватель при устройстве теплоутилизатора пренебречь. Платой за подключение данного нагревателя к теплосети и штрафом за превышение воздухонагревателем температуры обратной воды пренебречь. Срок окупаемости затрат Т ок принять равным трем годам. Определяем срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, получаем один год:

Поменяем условия расчета, заменив электронагрев теплоносителем — горячей водой по тарифу с’ т = 1 руб/кВт⋅ч. Тогда срок окупаемости дополнительных капитальных затрат на устройство теплоутилизатора в тех же условиях будет равен 2,7 года:

Как видно, даже при данном тарифе на теплоту в горячей воде и при непрерывной работе системы в течение суток и года высокая удельная стоимость теплоутилизатора не позволяет рассчитывать на быстрый возврат (окупаемость) капиталовложений. Если применять менее эффективные (θ тy = 0,55-0,65), но зато более дешевые устройства, то, судя по повторяемости Δτ/Δt н, основной эффект может возрасти, т.к. его достигают не при низких, а при промежуточных наружных температурах (t н = -10...+10 °С).

Для более строгого расчета нужно принимать во внимание разную поверхность, рядность и стоимость основного воздухонагревателя и еще одного электрического, работающего в случае прекращения подачи теплоносителя во внеотопительный период при t н > 8 °С. Результаты экономического расчета повысят эффективность утилизации теплоты, если учесть высокую начальную плату за присоединение воздухонагревателя к тепловой сети или другому источнику.

Оценка эффективности применения утилизаторов

Проблеме оценки эффективности применения утилизаторов посвящено много публикаций. Все они по-разному подходят к методам вычисления эффекта, учитывая одни составляющие и не учитывая другие. Дадим оценку только некоторым, наиболее характерным публикациям. В статье использован традиционный, упрощенный, по нашему мнению, не совсем правильный и частный метод расчета срока окупаемости как результат деления стоимости теплоутилизатора на стоимость разности сэкономленной тепловой и перерасходованной электрической энергии. При этом в статье не указана эффективность аппарата и комплекс «эффективность/стоимость», кстати, переменный, зависящий от типа аппарата, его воздухопроизводительности, не учтены разные режимы работы, оттайка и возникающие перерасходы, плата за присоединение и др. Все это не дает представления о различии результатов расчета в разных условиях.

Что касается многообразных климатических условий, представленных в статье городами, где суткоградусы отопительного периода изменяются от 1500 до 12 000 сут-°С за отопительный период, то эту часть работы можно существенно упростить. Проведя небольшое исследование и представив его в координатах: относительный годовой расход утилизируемой теплоты в круглогодично неуправляемом аппарате — суткоградусы отопительного периода — можно получить практически линейную зависимость (рис. 2). Такая линеаризация делает избыточными многократные расчеты, приводимые в этой статье, а прямую для данных условий (L н, θ ту, ΔK ту) достаточно провести по трем-четырем точкам, соответствующим городам в разных климатических условиях.

Технико-экономическая оценка энергосберегающего оборудования

Технико-экономической оценке энергосберегающего оборудования посвящена статья , характерная в части возникающих вопросов и замечаний. Наибольшее внимание в ней уделено собственно методике анализа и вычислению коэффициента дисконтирования, имея ввиду отдаленный срок окупаемости. Однако расчеты показывают, что полная амортизация и окупаемость затрат на эти аппараты желательна за относительно короткий срок (один-три года). В ряде случаев, при дефиците теплоты на объекте и высокой плате за присоединение к источнику, утилизация не только обоснована, но и единственно возможна для нагревания наружного воздуха.

Не имея принятую в статье итоговую формулу для срока окупаемости теплоутилизатора, трудно представить, учтены ли в приводимых расчетах: возможный дефицит теплоты на объекте и реальная, постоянно растущая плата за подсоединение к источнику теплоты; принятая доля разности капитальных затрат, учитываемая в эксплуатационных затратах на амортизацию, ремонт, общеобъектные расходы (всего около 18 %).

Покажем на примере, что единовременная плата за подсоединение к тепловой сети соизмерима или даже превышает стоимость теплоутилизатора. Пусть удельная стоимость утилизатора ΔК ту ~ 30-40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч). Такому единичному расходу воздуха соответствует в средних условиях расчетная теплопроизводительность утилизатора и, соответственно, уменьшение мощности при подсоединении к ТЭЦ:

Это равносильно плате за подсоединение в размере

ΔК подс = 3,45 х 12 х 10 3 = 41,5 тыс. руб., если принять удельную плату:

В условиях этого примера оказывается, что плата за присоединение к ТЭЦ соизмерима или даже больше, чем стоимость теплоутилизатора, и поэтому речи о сроке окупаемости не идет.

Нельзя не обратить внимание в анализируемой статье на способ расчета годового расхода утилизируемой теплоты. Не оговаривая режим работы теплоутилизатора, авторы приняли его по умолчанию круглогодично неуправляемым. Приближенно-синусоидальное изменение t н (t) ошибочно построено не по средним значениям температур («норме»), а по максимальным и минимальным, т.е. имеет существенно завышенную амплитуду. Соответственно этому величина утилизируемой теплоты тоже завышена. Для Санкт-Петербурга, например, t н.min.cp = -8,1 °C , а расчетная зимняя температура t нрх = -26 °C. Аналогично в теплый период года t н.max.cp = 18,1 °С , тогда как расчетная летняя температура t нрт = 24,6 °С. Также, среднегодовая температура t н.ср.год = 4,4 °С далеко не равна полусумме принятых расчетных в холодное и теплое время года (-0,6 °С). Возражение вызывает неучет режимов работы и оттайки, приводящий к завышению расхода утилизируемой теплоты, и отсутствие учета переменной эффективности аппарата.

Эффективность конструкции утилизатора можно анализировать с точки зрения выбора: оптимальной поверхности F, рядности i или глубины насадки аппарата h. Обозначим относительную рядность или глубину аппарата как h в долях от той, при которой θ ту = 1, а количество теплоты Q ту = Q т.max . При приближенно экспоненциальной зависимости Q ту ≈ 1 - exp(-h) эффективность θ ту = 1 достигается при условии h = 4 (с точностью до 1 %). Примем, что годовой расход утилизируемой теплоты приближенно экспоненциально зависит от величины h (рис. 1а), тогда как стоимость утилизатора и его аэродинамическое сопротивление от h зависят приближенно линейно.

Тогда искомый срок окупаемости можно представить в виде (функции от безразмерного параметра h, имеющей следующий вид:

где a 1 , a 2 , a 3 , a 4 — некоторые корректирующие коэффициенты, принятые постоянными.

В результате вычисления производной, приравненной нулю, получаем, что оптимум (минимум T факт) соответствует случаю, когда h = 1, а эффективность теплоутилизатора q ту.опт = 0,63 (из свойств экспоненциальной функции). Вышеописанные зависимости иллюстрирует график на рис. 3, где показан приближенный характер изменения всех составляющих приведенных затрат и срока окупаемости дополнительных затрат на подсистему утилизации от относительной глубины h, относительной толщины d или относительной поверхности F насадки или пластин такого аппарата.

Сравнивая результаты приближенной оптимизации по формуле (14) с данными о характеристиках отечественных ВРТ при L = 5-38 тыс. м 3 /ч, δ = 0,2 м, v фр = 2,2 м/с, F/L = 300-425 м 2 / (м 3 /с), F/F фр = 490-660 м 2 /м 2 , получили при насадке из алюминиевой фольги расчетную эффективность θ ту = 0,77, при насадке из технического картона — θ ту = 0,65 (в последнем случае близко к оптимальной эффективности, вычисленной при вышеописанных допущениях). Более подробно зависимости, характеризующие экономический эффект для различных теплоутилизаторов при разной производительности, сменности работы и с разной насадкой, можно определить по данным .

К аналогичным выводам об оптимальной эффективности теплоутилизатора пришли авторы «Справочника» . В частности, они отмечают: «...Доведение эффективности утилизатора до величины, большей 0,65 при односменной работе и 0,75 при трехсменной, во всех случаях приводит к уменьшению экономического эффекта, т.к. сбережение теплоты при этом достигается за счет чрезмерного роста приведенных затрат на устройство и эксплуатацию утилизаторов и расхода металла. Наибольшее влияние на экономический эффект оказывает продолжительность работы системы — при трехсменной ее работе эффект резко возрастает. Рост эффекта при увеличении расхода воздуха объясняется в основном непропорциональным ростом удельных затрат на оборудование и занимаемую им площадь.» . В этом же справочнике указано, что по данным РПИ в климатических условиях Прибалтики для пластинчатого утилизатора СВ свинарника-откормочника оптимальная эффективность не должна превышать 0,50.

Продолжение в следующем номере.

Во всем мире и прежде всего в странах Западной Европы и США широко применяются технические решения, позволяющие снизить стоимость жизненного цикла холодильной установки. Это и применение электронных расширительных вентилей, и оптимизация давления конденсации в зависимости от температуры наружного воздуха, и установка давления всасывания холодильной машины в зависимости от нагрузки на нее, и управление компрессорами и вентиляторами конденсатора с помощью преобразователей частоты, позволяющих существенно уменьшить потребление энергии. В России активное внедрение подобных решений долгое время сдерживалось из-за заметно более низких, чем на Западе, цен на энергоносители, не позволявших окупить дополнительные капиталовложения в относительно короткий срок. Однако в последние годы технологии энергосбережения становятся все более и более актуальными и в нашей стране.

Системы утилизации тепла конденсации холодильной машины стоят особняком от перечисленных выше решений, поскольку позволяют экономить не электроэнергию, потребляемую непосредственно системой холодоснабжения, а дают возможность снизить затраты других систем, используемых на объекте.

Если рассматривать термодинамику цикла, то можно увидеть, что есть две основные возможности снять теплоту. Первая — использовать перегрев сжатого в компрессоре газа. Вторая — утилизировать теплоту конденсации хладагента.

При использовании перегрева сжатого газа в холодильном контуре устанавливается дополнительный теплообменник. В этом случае можно утилизировать до 20% всего тепла, сбрасываемого установкой. Так как температура хладагента в конце процесса сжатия может превышать 100 °C, среда (воздух или вода) нагревается до 80-90 °C.

При утилизации теплоты конденсации можно снять намного больше тепла, но тепла низкопотенциального, позволяющего нагреть воду или воздух лишь до 30 градусов.

Для чего может быть использовано утилизированное тепло? Наиболее очевидное применение — воздушное отопление зимой. В простейшем варианте установка имеет два параллельно установленных конденсатора, один — на улице (он работает в теплое время года), а второй — внутри помещения (он подогревает воздух в холода). В недорогом исполнении такое решение не имеет никакой регулирующей автоматики. Перевод из зимнего режима в летний производится вручную отключением соответствующего конденсатора, при помощи запорных клапанов. Более сложные варианты имеют один конденсатор, установленный в помещении, и систему, направляющую поток воздуха либо на улицу, либо внутрь помещения. Управление распределением потока может быть как ручным, так и автоматическим.

В настоящее время набирает популярность применение утилизированного тепла для подогрева воды, идущей на различные технические нужды.

Как правило, и для отопления, и для нагрева воды используют перегрев сжатого газа, так как температуры, которую можно получить при утилизации тепла конденсации хладагента, недостаточно. Использование перегрева газа позволяет нагреть воду до 40-50 °C и выше. В случае когда холодильная машина не обеспечивает нужной производительности или же не может работать постоянно, а емкости бака-аккумулятора для поддержания температуры недостаточно, применяют электрические нагреватели или газовые бойлеры.

Интересной разновидностью подобных систем являются каскадные установки с высокотемпературным тепловым насосом в качестве верхнего контура, который подогревает воду до 65-80 °C. Такая вода может использоваться для санитарной обработки поверхностей (при этой температуре погибает большинство бактерий), в химическом производстве. При большой потребности в горячей воде для промышленных нужд целесообразно применение систем с транскритическим циклом на СО 2 . Они менее эффективны по сравнению с традиционными, но позволяют нагревать воду до более высокой температуры.

Для применения систем утилизации тепла желательно, чтобы графики работы холодильной машины и потребности в горячей воде по возможности совпадали. Поэтому наиболее целесообразно использовать эти системы там, где холод вырабатывается постоянно. Например, на предприятиях пищевой промышленности, где горячая вода необходима для мойки помещений. Интересным представляется применение систем подобного рода на ледовых катках. Горячая вода здесь может использоваться для защиты грунта под охлаждаемой плитой от замерзания, а также для различных технологических нужд. Оценке экономической эффективности применения систем утилизации на промышленных предприятиях была посвящена статья в журнале «Мир климата» № 52.

Все больший интерес к подобным системам проявляют магазины и торговые сети. Еще бы — при относительно небольших дополнительных капитальных затратах системы рекуперации тепла позволяют обеспечить горячей водой целый супермаркет!

Интересен американский опыт использования теплоты перегрева конденсаторов молокоохладителей на фермах. Принципиальная схема установки показана на рис. 1. Вода, поступающая из водопровода, нагревается горячим газом и поступает в подогреватель, где ее температура увеличивается до требуемого значения. Эксплуатация таких установок в течение года позволила в три раза снизить расход энергии на нагрев воды. Особо заметный экономический эффект был получен там, где подогрев осуществлялся жидким топливом.

Следует отметить, что система утилизации тепла может быть установлена и на уже действующей холодильной машине. Так, канадская служба по вопросам энергетической эффективности The Office of Energy Efficiency (OEE ) опубликовала отчет о модернизации системы холодоснабжения кухни одного из крупных медицинских центров Канады. Линии нагнетания всех 10 компрессоров объединили в одну и установили на ней пластинчато-паяный теплообменник, в котором вода подогревалась с 10°C до 30°C и направлялась в газовый бойлер, где доводилась до необходимой температуры. Благодаря применению утилизации годовое потребление газа снизилось на 40%, срок окупаемости системы составил 2,3 года. В нашей стране успешный опыт модернизации действующей установки был осуществлен компанией «Простор-Л» на ледовой арене «Локомотив» в Ярославле. Система утилизации тепла, вырабатывающая горячую воду для технологических нужд, была установлена спустя полтора года после сдачи объекта в эксплуатацию. Благодаря ее применению расход горячей воды из городской сети сократился в десять раз, а сама система окупилась менее чем за два года.

Важно отметить, что системы утилизации тепла обычно выполняются по индивидуальным проектам под конкретную задачу. Крайне важно правильно подобрать все компоненты системы и без ошибок ее спроектировать. Теплообменник-утилизатор, как правило, имеет пластинчатую конструкцию, хотя на больших установках применяются и кожухо-трубные теплообменники. Если в конструкции предусмотрено наличие предконденсатора, необходим его точный подбор с целью недопущения конденсации хладагента. При использовании одновременно нескольких источников тепла, например, средне- и низкотемпературных центральных холодильных машин, важно предусмотреть такую их компоновку в машинном отделении, которая позволит обеспечить удобную прокладку трубопроводов для горячей воды и доступ к системам автоматики и запорной арматуре.

В качестве примера использования утилизации тепла в промышленности рассмотрим систему, которую применил один из лидеров холодильного бизнеса — компания ООО «Термокул» (г. Москва) (рис. 2). Горячая вода вырабатывается системой холодоснабжения камеры шоковой заморозки. Вода, получаемая в результате нагрева, используется для размораживания мяса, оттаивания камеры шоковой заморозки и мытья полов после завершения смены. Ее можно использовать и для других нужд. В данной системе на линии нагнетания перед основным конденсатором смонтирован предконденсатор (рис. 3), представляющий собой пластинчато-паяный теплообменник фирмы «Данфосс». Суммарное тепло перегрева горячего газа, выделяемое системой холодоснабжения на базе трех винтовых компрессоров Bitzer HSN 8571, составляет 450 кВт. Предконденсатор позволяет утилизировать до 400 кВт тепла. Вода, имеющая температуру 8 °C, нагревается до 40 °C с производительностью 11 кубометров в час, что позволяет полностью удовлетворить все технологические потребности. Для компенсации снижения производительности при отключениях компрессоров в системе установлен бак-накопитель объемом 3 кубических метра.

Применение такого технического решения позволяет экономить на электроэнергии и прокладке инженерных коммуникаций, что является очень важным для предприятия.

Статью подготовили Сергей Бучин и Сергей Смагин

• Холодильные машины и холодильные установки. Пример проектирования холодильных центров
• «Расчёт теплового баланса, поступления влаги, воздухообмена, построение J- d диаграмм. Мульти зональное кондиционирование. Примеры решений»
• Проектировщику. Материалы журнала "Мир климата"
  • Основные параметры воздуха, классы фильтров, расчет мощности калорифера, стандарты и нормативные документы, таблица физических величин
  • Отдельные технические решения, оборудование
  Что такое эллиптическая заглушка и зачем она нужна
Влияние действующих температурных нормативов на энергопотребление центров обработки данных Новые методы повышения энергоэффективности систем кондиционирования центров обработки данных Повышение эффективности твердотопливного камина
• Системы утилизации тепла в холодильных установках
Микроклимат винохранилищ и оборудование для его создания Подбор оборудования для специализированных систем подачи наружного воздуха (DOAS) Система вентиляции тоннелей. Оборудование компании TLT-TURBO GmbH Применение оборудования Wesper в комплексе по глубокой переработке нефти предприятия «КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ» Управление воздухообменном в лабораторных помещениях Комплексное использование систем распределения воздуха в подпольных каналах (UFAD) в сочетании с охлаждающими балками Система вентиляции тоннелей. Выбор схемы вентиляции Расчет воздушно-тепловых завес на основе нового вида представления экспериментальных данных о тепловых и массовых потерях Опыт создания децентрализованной системы вентиляции при реконструкции здания Холодные балки для лабораторий. Использование двойной рекуперации энергии Обеспечение надежности на стадии проектирования Утилизация теплоты, выделяющейся при работе холодильной установки промышленного предприятия Методика аэродинамического расчета воздуховодов Методика подбора сплит-системы от компании DAICHI Новый стандарт проектирования тепловой изоляции Прикладные вопросы классификации помещений по климатическим параметрам Оптимизация управления и структуры систем вентиляции Вариаторы и дренажные помпы от EDC Новое справочное издание от АВОК Новый подход к строительству и эксплуатации систем холодоснабжения зданий с кондиционированием воздуха Ваш выбор... Сопоставление фреоновых кондиционеров по техническим характеристикам Вибрационные характеристики вентиляторов Вентиляция на предприятиях общественного питания Новые приборы для вентиляции помещений с герметичными окнами Автоматика для систем вентиляции и кондиционирования SHUFT Система дистанционного контроля и управления параметрами технологических процессов от компании «Термокул» Бесплатный холод - реальность наших дней

Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Смотреть что такое "утилизация теплоты" в других словарях:

Повторное использование материальных ресурсов или уменьшение количества образуемых отходов с целью значительного снижения расхода сырья и материалов, стоимости продукции и повышения эффективности производства. Сведение количества …

- : Смотри также: утилизация теплоты утилизация отходов … Энциклопедический словарь по металлургии

Двигатели газовые и керосиновые - производят механическую работу, утилизируя теплоту, развиваемую при взрыве смеси светильного газа с воздухом или смеси нефтяных продуктов (бензина и керосина) с воздухом. Развиваемая при взрыве газов, т. е. при быстром горении, теплота… …

Хлебопекарные печи - разделяются на действующие периодически и действующие непрерывно. Печи, действующие периодически, суть улучшенные или обыкновенные русские печи (см. Печи комнатные и очаги); в них топка и самое печение хлеба происходят в одной и той же камере и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ПРОЕКТИРОВАНИЕ - химических производств, процесс создания комплекса техн. документов, необходимых для обеспечения финансирования работ, заказа на строит. материалы и изготовление оборудования, стр ва предприятия, монтажа приборов и оборудования, его пуска и… … Химическая энциклопедия

Конденсатоотводчик - Конденсатоотводчиками называются конструкции арматуры, предназначенные для автоматического отвода конденсата. Конденсат может появляться в результате потери паром тепла в теплообменниках и при прогреве трубопроводов и установок, когда часть пара… … Википедия

- (от лат. recuperatio обратное получение, возвращение) 1. Возвращение энергии или части материала, расходуемого при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Так, ценные… … Энциклопедический словарь по металлургии

Смотри утилизация теплоты … Энциклопедический словарь по металлургии

РЕКУПЕРАЦИЯ - (от лат. recuperatio обратное получение, возвращение) 1. Возвращение энергии или части материала, расход, при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Так, ценные… … Металлургический словарь

РЕКУПЕРАТОР - теплообменная установка поверхностного типа, в которой теплообмен между теплоносителями происходит непрерывно через разделяющую их стенку; применяется в металлургии и др. областях промышленности, где происходит утилизация теплоты отходящих газов … Большая политехническая энциклопедия

Книги

• Утилизация теплоты уходящих газов ДВС посредством турбины ЛПИ , Черкасова Марина. 1/3 энергии при работе двигателя внутреннего сгорания теряется в виде тепла с выходными газами. Выхлопные газы могут приводить в действие двигатели, работающие на органическом цикле Ренкина,… Купить за 5995 руб
• Проектирование систем вентиляции и отопления. Учебное пособие , Шумилов Рудольф Николаевич, Толстова Юлия Исааковна, Бояршинова Анна Николаевна. Учебное пособие содержит рекомендации по расчету и организации воздухообмена и отопления в помещениях различного назначения. Даны основы проектирования систем обеспечения микроклимата и…

В металлургическом производстве с целью утилизации тепла отходящих газов применяют рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. В этих устройствах использование тепла газов идет в двух направлениях.

1. Тепло отходящих газов расходуется на подогрев воздуха и газообразного топлива, затрачиваемых на отопление печи и, следовательно, снова возвращается в печь. В данном случае утилизация тепла газов непосредственно влияет на работу печи, повышая температуру в печи и увеличивая экономию топлива. Такое использование тепла наблюдается при применении рекуператоров и регенераторов.

2. Тепло газов в печь не возвращается, а используется на обогрев котлов-утилизаторов, в которых вырабатывается пар, характеризуемый высоким давлением и температурой. В этом случае установка котла-утилизатора за агрегатом прямо не влияет на его работу, но дает вполне определенный и значительный эффект по заводу в целом.

С теплотехнической точки зрения утилизация тепла отходящих газов приводит к следующему.

а) Экономия топлива. В топливных печах (в отличие от электрических) тепло получается в результате сжигания топлива за счет воздуха. В общее количество тепла, затрачиваемого на процесс, входит и так называемое физическое тепло топлива и воздуха, под которым понимается количество тепла, которым обладает топливо и воздух, будучи нагретыми до определенной температуры. Поскольку на нагрев металла до заданной температуры в конкретной печи требуется строго определенное количество тепла, то, очевидно, что чем выше доля физического тепла в общем тепле, тем ниже доля химического тепла топлива, т. е. тем меньше топлива надо затратить на нагрев.

Чем выше степень утилизации, то есть чем выше нагревается топливо и воздух и, следовательно, ниже температура дымовых газов, уходящих из рекуператора или регенератора, тем выше экономия топлива, так как большая часть тепла снова возвращается в печь.

б) Повышение температуры. Известно, что при сжигании топлива выделяется тепло, которое нагревает продукты сгорания до определенной температуры, называемой температурой горения.

Температура горения равна:

t = Qнр /Vпр * Ср * С

где Qнр - низшая теплота сгорания топлива, кДж / кг или кДж / м3;

Vпр - объем продуктов, образующиеся при полном сжигании единицы топлива, м3 / кг, или м3 / м3;

Ср - средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг * град), или кДж/ (м 3* град).

Если газ и воздух были подогреты до какой-либо температуры и, следовательно, обладали физическим теплом Qф, то это тепло тоже будет расходоваться на подогрев продуктов сгорания. Следовательно, в числителе надо прибавить Qф и тогда

Видно,что чем больше Qф (Qнр для каждого вида топлива есть величина постоянная), тем больше числитель и выше, следовательно, температура горения топлива.

в) Интенсификация горения топлива. Кроме экономии топлива и повышения температуры горения его, подогрев топлива и воздуха приводит к более интенсивному протеканию самих реакций горения топлива. Так, например, максимальная скорость горения водорода при подогреве со 100 до 400 градусов увеличивается более чем в четыре раза. При сжигании жидкого топлива процесс горения интенсифицируется за счет ускорения процесса испарения жидкого топлива и, следовательно, образования газообразной смеси.