Энергосберегающие технологии на основе использования вэр

Эффективное использование ВЭР в Республике Беларусь пока еще не получило широкого распространения. Главным образом утилизируются высокотемпературные тепловые ресурсы. Значительно хуже обстоит дело с применением средне- и низкотемпературных тепловых ВЭР, большая часть которых иногда даже не учитывается . Это отходящие газы с температурой ниже 300 ^о С, охлаждающая вода и конденсат температурой ниже 70 ^оС и др. Однако целесообразность их утилизации на промышленных предприятиях, их использование (в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и т.п.) очевидны [1, 2].

Основными способами утилизации теплоты уходящих газов котельных агрегатов, ТЭЦ, промышленных печей, помимо использования ее для собственных нужд в различных технологических процессах, являются применение теплоиспользующих установок для подогрева воды или воздуха, а также паровых котлов-утилизаторов и газотурбинных установок (ГТУ), встроенных в запечный тракт [3].

Котлы-утилизаторы (КУ) применяют для внешней энергетической утилизации тепловых отходов различных теплотехнологических установок, не используемых или частично используемых в технологическом процессе [9]. Характерной отличительной особенностью КУ является отсутствие у них топочного устройства для сжигания топлива (за исключением случая работы на отходящих газах, содержащих кроме физической и химическую теплоту в виде горючих составляющих, которые целесообразно дожечь).

Котлы-утилизаторы, применяемые в металлургической, химической и других отраслях промышленности, вырабатывают пар низкого (менее 1,5 МПа) и среднего (около 4 МПа) давления для получения электроэнергии.

Нагрев воды в пределах 130 –150 ^оС и воздуха до 250 ^оС может осуществляться уходящими газами в обычных поверхностных теплообменных аппаратах [5] .

Заслуживает внимания использование теплоты отработанного производственного пара. Ее целесообразно использовать в первую очередь для целей теплоснабжения потребителей, а во вторую – для выработки электроэнергии. Теплота отработанного в автоклавах пара на Оршанском комбинате силикатных изделий применяется для отопления жилых и административных зданий и для технологических нужд. Отопление собственных цехов производится отработанным паром паровых молотов кузнечного производства на Минском заводе шестерен. Это позволяет экономить за отопительный сезон более 600 тыс. ГДж тепловой энергии [5].

Возможные схемы использования отработанного пара для теплофикации и выработки электроэнергии приведены на рис. 37 и 38.

Заслуживает внимания получение и использование вторичного пара, который получается либо в результате вторичного вскипания перегретой воды при расширении ее от давления Р₁ до Р₂ (Р₂ << Р₁), либо в выпарных установках при кипении каких-либо растворов. Так как вторичный пар в зависимости от способа его получения имеет Р = 0,15–0,7 МПа и выше, то использование его (утилизация) целесообразна [6].

На рис. 39 и 40 представлены схемы получения пара вторичного вскипания. Нагретая вода из котла или вода непрерывной продувки (рис. 3) либо вода из системы охлаждения ДВС после дополнительного подогрева в котле-утилизаторе (рис. 40) направляется в сепаратор, где при снижении давления получается вторичный пар, используемый для технологических целей, а оставшаяся горячая вода используется для нагрева теплоносителя в теплообменнике [3].

 

Представляет интерес использование теплоты конденсата, нагретой производственной и бытовой сливной воды, вентиляционных выбросов [5].

Одна из возможных схем использования нагретой производственной воды представлена на рис. 41. Согласно этой схеме, охлаждающая вода, имеющая температуру 80–90 ^оС, подается из ее источника (агрегат 1) частично в водоподогреватель 2 для последующего использования потребителем теплоты 3, а частично – непосредственно к потребителям 3'. Подогреватель 2 питается паром, поступающим из котла-утилизатора КУ. От теплопотребителей вода насосами 4–4' собирается в баке 5, после чего насосами 6 подается в систему охлаждения агрегата 1.

Известно, что сбор и возврат конденсата – важный источник экономии теплоты, а следовательно, и топлива. Практика работы показывает, что рациональная организация сбора и использования конденсата дает экономию, исчисляемую сотнями тысяч тонн условного топлива в год [7]. Различные схемы сбора конденсата и утилизации его теплоты показаны на рис. 42 и 43.

Заметная экономия может быть получена и за счет утилизации теплоты вентиляционных выбросов предприятий при использовании воздухо-воздушных теплообменников или другого серийного оборудования для подогрева приточного воздуха.

Большие возможности для утилизации теплоты имеются при включении в энергетическую систему ТЭЦ, котельных, термотрансформаторов и тепловых насосов.

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Т_Н (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Т_В (теплоприемнику), называются трансформаторами теплоты.

Чтобы осуществить такое преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энергию (механическую, электрическую и т.д.).

Трансформаторы теплоты подразделяются на холодильные и теплонасосные установки.

В холодильных установках температура теплоотдатчика Т_Н ниже температуры окружающей среды (Т_Н < Т₀), тогда как температура теплоприемника равна температуре окружающей среды (Т_В = Т₀).

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т.е. Т_Н  Т₀ и Т_В >> Т₀

Трансформатор теплоты может работать как в режиме холодильной установки, так и в режиме теплового насоса, либо одновременно в двух режимах. Такой процесс называется комбинированным. Принципиальная схема работы трансформаторов теплоты приведена на рис. 44. В случае холодильной установки (рис. 44 , а) процесс протекает следующим образом. Охлажденное тело А отдает теплоту хладагенту при температуре Т_Н < Т₀; затем в холодильной машине за счет подведенной механической энергии l происходит повышение температуры хладагента до температуры Т₀. Нагретый хладагент передает в окружающую среду количество теплоты

q ₀ = q _Н + l.

В тепловом насосе (рис. 44, б) процесс протекает аналогично, но при других температурных потенциалах. Здесь часть теплоты окружающей среды с температурой Т₀ передается нагреваемому телу Б.

В комбинированном процессе (рис. 44, в) происходит одновременно выработка теплоты и холода (охлаждается среда А и нагревается среда Б).

Итак, в холодильных установках происходит искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды, тогда как в тепловых насосах используется теплота окружающей среды или других низкопотенциальных источников с целью теплоснабжения.

Источниками низкопотенциальной теплоты в теплонасосных установках служат естественная среда (воздух, вода, грунт) или промышленные отходы теплоты. Вместе с тем тепловые насосы, являющиеся средством теплоснабжения, пока еще не получили широкого распространения.

Основным условием, благоприятствующим использованию тепловых насосов, является сравнительно небольшой перепад температур между теплоприемником и теплоотдатчиком. Поэтому при использовании промышленных отходов теплоты тепловые насосы, при прочих равных условиях, расходуют меньшее количество энергии, чем при использовании теплоты окружающей среды

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ

Трансформаторы теплоты, предназначенные для переноса теплоты с низшего температурного уровня на более высокий, работают на принципе обратных циклов. Наиболее совершенным из них является обратный цикл Карно.

На рис. 45 представлены обратные циклы Карно для трансформаторов теплоты, осуществляющие холодильный, теплонасосный и комбинированный процессы.

Основное уравнение теплового баланса обратного кругового процесса

q в = q н + l .

Здесь q _в и q _н – теплота, переданная телу с более высокой температурой и отведенная от охлажденного тела;

l – энергия, подведенная к рабочему телу.

Эффективность обратного холодильного цикла (рис. 9, а) характеризуется холодильным коэффициентом, т.е. отношением количества теплоты, отведенной от охлаждаемого тела, к затраченной работе цикла:

 = q н / l = q н / q 0 - q н .

Холодильный коэффициент цикла Карно

 к = Т н / T 0 - Tн .

Эффективность теплового насоса (рис. 9, б) оценивается коэффициентом преобразования  , т.е. отношением теплоты, полученной телом с температурой Т _в, к механической работе, затраченной в установке:

 = q в / l = q в / q в - q 0 .

Соответственно коэффициент преобразования для цикла Карно

 к = Т в / Т в - Т0 .

Трансформаторы теплоты, работающие по комбинированному циклу (рис. 9 , в), могут найти применение на объектах, где одновременно требуются и теплота и холод. Примером таких предприятий могут служить те, на которых требуются одновременно горячая вода с температурой 40–70  С на бытовые и технологические нужды и холодная вода с температурой 3–8  С для кондиционирования воздуха помещений.

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ