Данилов О.Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

снижение расхода охлаждающей воды, что приводит к повышению температуры воздуха между ступе-

нями на 15…200С выше номинального и, как следствие, к непроизводительным затратам энергии.

Улучшению работы системы промежуточного охлаждения воздуха способствует использование замкну-

тых систем водоснабжения холодильников с так называемыми «сухими» градирнями. Это лишь некото-

рые из возможных направлений энергосбережения в

СВС.

5.6 Энергоаудит теплотехнологической установки

Анализ энергетических затрат и выявление среди них доли непроизводительных затрат на отдельной

теплотехнологической установке, как правило, требует не только наличия штатных измеряющих прибо-

ров, но и дополнительных измерений, определяемых спецификой установки.

Рассмотрим методологию углубленного энергоаудита теплотехнологической установки на примере не-

прерывнодействующей ленточной конвективной установки, предназначенной для сушки волокнистых

(дисперсных) материалов.

Ленточная сушилка состоит из n однотипных секций, включающих газопроницаемый конвейер, нагнета-

тель с электроприводом, паровой калорифер. При работе в каждой секции наблюдается неравномерное

поле скоростей воздуха, приводящее к неравномерному по ширине конвейера высыханию материала.

Для выравнивания влагосодержания материала осуществляют его кондиционирование в дополнитель-

ном аппарате за счет впрыска воды ∆W.

Принципиальная схема

установки представлена на рис. 16

Рис. 16

1 – паровой калорифер, 2 – сушилка, 3 – установка кондиционирования материала

Инструментальный энергоаудит должен дать исходную информацию для составления материального и

теплового баланса не только всей установки в целом, но и отдельных ее частей: калорифера (подогре-

вателя), сушильной камеры, камеры кондиционирования материала.

Материальный баланс сушильной установки. Считается, что сушимый материал и нагретый воздух со-

стоят из сухой части и влаги:

пвcв

вмсм

GLG

GGG

где

- расход материала,

кг

- расход воздуха,

кг

- расход сухой части материала,

кг

вм

- количество влаги в материале,

кг

..вc

- расход сухой части воздуха,

- количество влаги в

воздухе,

кг

Расчетные соотношения, используемые при расчете статики сушки:

Влагосодержание воздуха:

рB

−

⋅⋅=⋅=

10001000

воздухасухкг

влг

где

СС ,

- концентрации, соответственно, водяного пара и сухих газов в

1м

газа (воздуха),

кг

MM ,

- молярные массы, соответственно пара и газа,

моль

кг

- барометрическое давление,

Па

- парциальное давление ненасыщенного пара,

Па

Влажность материала на сухую массу:

%)100(%)100( ⋅

−

=⋅=

см

вм

()

материаласухкг

влкг

Влажность материала на общую массу:

%)100(%)100( ⋅

=⋅=

вмс

вм

()

материалавлажногокг

влкг

Формулы для пересчета влажности материала:

−

⋅

100

⋅

100

материалавлажногокг

влкг

Количество испаренной влаги:

100100100100

mм

wGwG

−

⋅=

−

⋅=

⋅

−

⋅

кг

Для конвективной сушильной установки материальный баланс выглядит следующим образом.

222.111. вмспвсвмспвс

GGGLGGGL

кг

Количество влаги, испаренной из материала в сушилке.

1000

..1221

LGGGGW

всппвмвм

−

⋅=−=−=

кг

Таким образом, для оценки материального баланса необходимы измерения влагосодержания материа-

ла на входе и выходе из установки и расход материала на входе или выходе.

Для проверки измеренного материального баланса необходимы измерения влагосодержания воздуха на

входе

и выходе

из сушильной камеры и расхода сушильного агента через сушилку. Поскольку

испаренная влага изменяет расход сушильного агента, то расчеты материального и теплового балансов

ведут с использованием расхода абсолютно сухого воздуха L.

10d110d1

−−

×+

1000

−

Для экспериментального определения влагосодержания сушильного агента

,dd

используют показа-

ния двух термометров («сухого»

и «мокрого»

на входе и выходе сушильной установки. По этим

показаниям на H-d диаграмме находят

,dd

(рис. 17).

Рис. 17

Тепловой баланс калорифера составляют как по пару, так и по воздуху.

В первом случае

пкп

hПhkhDQ

п.в.

×−×−×=

где D, k, П – общий расход пара, конденсата и пролетного пара,

пкп

,, hhh

– соответственно энтальпии

пара, конденсата и пролетного пара.

Очевидно k+П=D.

Значения энтальпий берут из таблиц водяного пара, однако, для этого необходимы измерения давле-

ния и температуры:

).,();();,(

пккп1п

tPfhtfhtPfh ===

Тепловой баланс по сушильному агенту:

)(

0011

tctcGQ

вв

−

где

,cc

– удельные теплоемкости воздуха при

,dt

Предпочтительно тепловой баланс по воздуху записывать:

)(

HHLQ

−

где

,HH

– энтальпии влажного воздуха на выходе и входе калорифера, отнесенные к одному кг

сухого воздуха.

)(10

п0

tcrdtcH +×+=

−

где

пв

,cc

– удельные теплоемкости абсолютного сухого воздуха и водяного пара,

– скрытая тепло-

та парообразования при 00С.

Измерения

мс

tt ,

на входе и выходе калорифера (рис. 18) позволяет установить герметичность кало-

рифера (отсутствие перетечки пара в воздушное пространства) с помощью H-d диаграммы:

dd =

при

dd 〉

калорифер негерметичен.

Тепловой баланс сушильной установки [5,6]:

В общем виде тепловой баланс сушильной установки выглядит следующим образом:

5222222

22111111200..

QtсGtcG

HLtсGtсWtcGHLQQ

тртртрммм

тртртрмвлмммдвп

+⋅⋅+⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

+⋅++

где индексы «0», «1», «2» - соответственно параметры перед подогревателем, после подогревателя пе-

ред сушильной камерой, на выходе из сушилки.

Рис. 18

Составные части теплового баланса:

Приходная часть

()

001..

LHHQ

вп

⋅−

теплота, переданная воздуху в подогревателе,

Вт .

теплота, дополнительно подведенная к воздуху в сушилке,

HL ⋅

теплота, вносимая воздухом,

Вт .

112111 влмммммм

cWtcGtcG

⋅

+⋅⋅=⋅⋅

теплота, вносимая влажным материалом, состоящая из с

риала и влаги, Вт .

111 тртртр

tсG ⋅⋅

теплота, вносимая транспортными устройствами,

Вт .

Расходная часть

HL ⋅

потери теплоты с уходящим воздухом,

Вт .

222 ммм

tcG ⋅⋅

потери теплоты с уходящим материалом,

Вт .

222 тртртр

tсG ⋅⋅

потери теплоты с транспортными устройствами,

Вт .

потери теплоты в окружающую среду,

Вт .

Принимается, что

;

LLL

ccc

тртртр

ccc =

Если отнести все составляющие теплового баланса к количеству испаренной влаги

, то выражение

)11(

можно записать в следующем виде:

()

(

)

дмвлтрм

qtсqqqHHlHHl −⋅

−

⋅

−⋅

150201

Важными характеристиками сушильной установки являются удельный расход сушильного агента и

удельный расход тепла на единицу массы испаренной влаги, соответственно:

zzW

−

влагииспкг

воздкг

(

)

()

01..

HHl

HHL

вп

−⋅=

−

⋅

влагииспкг

кДж

Таким образом для опытной проверки материального и теплового баланса сушильной установки необ-

ходима инструментальная диагностика (рис. 19, табл. 5)

Рис. 19

ТО – калорифер, СК – сушильная камера, КК – камера кондиционирования, КО – конденсатоотводчик,

ЭП – электропривод, СА – сушильный агент, СМ – сушимый материал

Таблица 5

№

Измеряемые величины и диапазоны измерения Выбираемые измерительные приборы

(типы)

Температура (+100 °С …+300 °С)

Контактный термометр КМ44

2 Давление ( ) Манометр

3 Расход пара ( ) Вихревой расходомер

Температура (+100

°С … +120 °С)

Контактный термометр КМ44

5 Давление ( ) Манометр

Температура (0

°С … +30 °С)

Контактный термометр КМ44

7 Относительная влажность (30%…60%) Измеритель влажности

8 Расход (скорость) воздуха (1 м3/с…10 м3/с) Анемометр

Температура (+80 °С … +150 °С)

Контактный термометр КМ44

10 Относительная влажность Измеритель влажности

11 Температура Контактный термометр

12 Относительная влажность Измеритель влажности

13 Расход вещества (масса) Измеритель расхода

14 Температура Контактный термометр

15 Относительная влажность Измеритель влажности

16 Расход вещества (масса) Измеритель расхода

17 Скорость оборотов Тахометр

18 Параметры электропривода Регистратор / анализатор

19 Температура Контактный термометр

20 Расход воды Ультразвуковой расходомер

21 Давление Манометр

Проведенная инструментальная диагностика позволяет не только предложить энергосберегающие ме-

роприятия, но и достаточно точно определить энергетический потенциал от их реализации.

Подробно возможные энергосберегающие мероприятия и их классификация изложены в [6].

В качестве примеров рассмотрим некоторые из возможных мероприятий.

Рациональное снижение давления греющего пара. Давление и температура греющего пара, подавае-

мого в калорифер, как правило, выше требуемых по технологии. Использование для рационального

снижения давления пара для отдельной технологической установки противодавленческих турбин типа

Р не оправдано экономически. Появившиеся также противодавленческие паровые роторно-объемные

машины (ПРОМ) обладают рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с турбинами Р, в настоя-

щее время конструктивно недоработаны.

Использование для снижения давления РОУ и тем более РУ менее эффективно, чем применение паро-

струйных эжекторов.

Достигаемая при этом экономия энергии определяется снижением на 10…20% расхода основного

греющего пара восполняемого вторичным паром вскипания, снижением

температуры возвращаемого

конденсата (при повышении температуры конденсата и отсутствии баков сбора конденсата требуется

дополнительное его захолаживание).

Рециркуляция сушильного агента. Наиболее очевидное энергосберегающее мероприятие в конвектив-

ных сушильных установках связано с возвратом части уходящего сушильного агента в контур его цир-

куляции (рециркуляция сушильного агента).

Возможные схемы приведены на рис. 20 а и б

Существующее явление инверсии, интенсивности испарения при конвективной сушке, связанное с тем,

что при температурах сушильного воздуха выше 180…2000С интенсивность испарения в воздух с по-

вышенным влагосодержанием выше, чем в сухой, приводит к неоднозначным решениям по энергосбе-

режению: при t > 180…2200С выгодна схема рис. 20 а, при t < 1800С выгодна схема рис.20 б с

установ-

кой дополнительного утилизационного рекуператора.

Управление неравномерностью сушки. К числу наиболее значимых энергосберегающих мероприятий

относится, как правило, устранение неравномерности распределения параметров сушильного агента по

поперечному сечению сушильной камеры [6].

Для оценки потенциала энергосбережения от такого мероприятия необходимы специфические допол-

нительные инструментальные измерения эпюр температур и скорости сушильного агента.

Рис.20

РАЗДЕЛ 6. Методы энергосбережения при производстве и распределении

тепловой и электрической энергии.

6.1. Энергосбережение в системах транспортировки тепловой энергии.

Энергосбережение при транспортировке тепловой энергии (холода) жидкими и газообразными теплоно-

сителями в различных отраслях промышленности могут базироваться как на общих закономерностях

производства и эксплуатации технического оборудования, так и на особенностях характерных только

для данной отрасли промышленности, области рабочих температур, месте расположения трубопровода,

передаваемой

мощности и т.д.

К общим закономерностям энергосбережения относятся:

1. Энергосбережение и экономичность при создании систем транспортировки, ремонтопригодность

конструкции, позволяющая быстро обнаружить и устранить неполадки и отказы в надежной работе.

2. Эффективная теплоизоляция канала, надежно и долговечно работающая при условиях эксплуата-

ции.

3. Мало гидравлическое сопротивление канала, по которому проходит транспортировка теплоносителя,

что обеспечивает малую мощность, затрачиваемую на прокачку теплоносителя.

4. Герметичность систем транспортировки, что обеспечивает энергосбережение на воспроизводство

теплоносителя.

Ниже будут рассмотрены вопросы энергосбережения при транспортировке тепла и холода как газооб-

разными, так и жидкими теплоносителями.

1) Методы энергосбережения при подземной и воздушной прокладке теплопроводов (хладонов)

С точки зрения топливо энергетического баланса

страны тепловое потребление – одно из основных ста-

тей. Поэтому эффективная эксплуатация теплопроводов позволяет осуществить энергосбережение при

транспортировке тепла, которое в настоящее время составляет около 8%⏐1⏐ от передаваемой энергии.

Транспортировка тепловой энергии имеет место практически в каждой отрасли промышленности, но

наиболее широко она представлена в системах теплофикации. Так, например, в системе

«Мосэнерго»

на 01.01.98 г. длина тепловых сетей в двухтрубном начислении составляет 2314 км, в том числе водя-

ных сетей 2279 км. ⏐2⏐.

Теплопроводы могут располагаться под землей или проложены по воздуху. Под землей они могут рас-

полагаться в проходных, полупроходных, непроходных каналах и непосредственно в грунте. Самые до-

рогие и сложные это

теплопроводы в проходных каналах. Проще и дешевле осуществляется прокладка

в грунте. В проходных каналах (высота которых ≈ 2.5 м) обслуживающий персонал может производить

ремонт и сварочные работы, в полупроходных частично, а в непроходных находится трубопровод. Од-

нако в некоторых случаях прокладка в грунте практически невозможна. Так в городах ремонт теплотрасс

из-за

выемки грунта затруднен. Поэтому в городах, как правило, применяется прокладка тепловых сетей

в проходных каналах, в которых располагаются также силовые электрические кабели, кабели связи и

водопровод. Это обеспечивает комплексное решение вопроса энерго- и водоснабжения, и, в конечном

счете, ведет к энергосбережению.

Одной из существенных недостатков подземной прокладки тепловых сетей является

разрушение тепло-

изоляции под действием влаги грунтовых вод и влажного воздуха в каналах, что приводит к большим

тепловым потерям. Поэтому часто, где это возможно, применяют воздушную прокладку теплопроводов с

металлической защитой от дождей, часто это цинкованное железо. Она проще в изготовлении и ремон-

те, и, следовательно, в этом плане обеспечивает энергосбережение

. Однако она применяется только на

окраинах городов или на территориях промышленных предприятий. Вопрос о выборе типа теплопровода

(воздушный или подземный) решается с учетом местных условий и технико - экономического обоснова-

ния.

Энергосбережение при транспортировке тепловой энергии в первую очередь зависит от качества тепло-

вой изоляции. Она должна иметь не только низкую

теплопроводность, воздухо- и водопроницаемость, а

так же низкую электропроводность, что уменьшает электрохимическую коррозию материала трубы, воз-

духо- и водопроницаемость, т.е. увеличение влажности изоляции может не только ухудшить теплопро-

водность изоляции более чем в 3 раза, но и способствует разрушению труб. В результате срок службы

сократиться до 4-5 лет вместо 30. ⏐3*⏐.поэтому сами трубы имеют антикоррозионное покрытие, напри-

мер, в виде силикатных эмалей, изола и др. иногда сверху

тепловой изоляции укладывают асбоцемент-

ные футляры с металлическими сетками, покрытые асбоцементной штукатуркой. Такие футляры пре-

пятствуют поступлению влаги из воздуха и грунта. Эта относительно сложная конструкция хотя и требу-

ет дополнительных энергозатрат на изготовление, но зато более долговечны и за счет этого более вы-

годны.

В последние годы начали широко

внедряться теплопроводы типа «труба в трубе» с пенополиуретановой

изоляцией в гидрозащитной оболочке ⏐3⏐. такая конструкция предусматривает применение не только

предварительно изолированных пенополиуретаном и заключенных в полиэтилен труб, но и всех компо-

нентов системы (шаровой арматуры, термических компенсаторов и т.д.). Такая конструкция может укла-

дываться в землю безканально и обеспечивает

существенное энергосбережение за счет предваритель-

ного изготовления отдельных изолированных элементов в заводских условиях и практически полной ее

термичности и влагонепроницаемости.

При транспортировке низкотемпературных теплоносителей (область температур холодной и криогенной

техники) вопросы качества тепловой изоляции встают более остро, чем при высоких температурах. Это

связано с тем, что выработка 1 КВт холода при

низкой температуре (например t= -100°С) гораздо боль-

ше энергии, чем выработка 1КВт при высокой температуре (например t= 100°С). Теплоизолирующие ма-

териалы для области низких температур должны удовлетворять основным требованиям теплоизоляци-

онным материалам, которые работают при высоких температурах как, например, низким значениям λ,

незначительной гигроскопичностью, огнестойкостью, однако необходимо чтобы при низких температурах

теплоизоляции обладала

морозостойкостью и эластичностью. В области криогенных температур широ-

кое применение находят порошковые материалы (например на основе диоксида кремния) и различные

виды вакуумной изоляции. Следует отметить, тепло в пористой изоляции передается от частички к час-

тичке как кондуктивным путем, так и за счет лучистого теплообмена. Поэтому создавая в порошковой

изоляции вакуум,

уменьшают теплопроводность находящегося в пористом слое воздуха. При остаточ-

ном давлении

1.33 Па (1·10-2 мм.рт.ст.) теплопроводность воздуха в десять раз меньше, чем у воздуха в нормальных

условиях, т.е. 0,0023 Вт/(м·К). Вторым видом вакуумной изоляции является изоляция, состоящая из двух

герметичных труб (труба в трубе), между которыми создается вакуум.

Та же теплопроводность (0.0023

Вт/(м·К)) достигается при остаточном давлении 1,33·10-3 Па. Третий тип вакуумной изоляции называет-

ся экранно-вакуумной теплоизоляцией: она состоит из чередующихся слоев, например, стекловолокна и

алюминиевой фольги. На 1 см. толщины изоляции приходится от 20 до 30 слоев. В такой изоляции

фольга выполняет роль экранов и существенно уменьшает лучистую составляющую в

теплопроводно-

сти, а за счет вакуума существенно уменьшает теплопроводность воздуха в порах. Поэтому в области

криогенных температур данная теплоизоляция считается наиболее эффективной и находит широкое

применение на практике.

В холодильной технике довольно часто применяется схема хладоснабжения с промежуточным хладоно-

сителем. (см. рис 1.) данную схему применяют, как правило, тогда, когда источник

потребления холода

располагается на удаленном расстоянии от холодильной станции (расстояние может быть до 1 км.).

Схему с промежуточным теплоносителем часто используют в системах кондиционирования воздуха,

когда в испарителе холодильной машины охлаждается жидкий теплоноситель циркулирующий в проме-

жуточном контуре и охлаждающий воздушные калориферы находящихся в комнатах помещения. В дан-

ном случае для циркуляции

в промежуточном контуре жидкого теплоносителя необходимо дополнитель-

ное оборудование (насос, теплообменники и др.) по сравнению со схемой охлаждения воздуха конди-

ционирования непосредственно в испарителе холодильной машины и подачей этого воздуха в комнаты

помещения. Однако транспортировать тепло жидким теплоносителем выгоднее, чем воздухо-, так как

жидкость имеет большую теплоемкость и плотность, чем

воздух, и мощность затрачивается на прокачку

жидкого теплоносителя меньше, чем для газообразного при одинаковых передаваемых количествах те-

пла. Схемы с промежуточным теплоносителем довольно широко применяются в различных отраслях

промышленности, как в области низких, так и высоких температур.

2) Энергосбережение за счет уменьшения мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителя.

При движении жидкого и

газообразного теплоносителя по трубопроводам мощность, затрачиваемая на

его прокачку равна:

η⋅ρ

∆

⋅

= , (1)