Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

длиннее теплотрасса, тем выше должна быть температура отработанного

пара и тем меньше к.п.д. чистой электростанции. По этой причине

использование отводимого тепла от атомных электростанций проблематично,

так как они сооружаются на значительном (безопасном) расстоянии от

крупных населенных пунктов.

Второй причиной, снижающей реальную эффективность вторичного

использования отводимого на теплоэлектростанциях тепла, является

несовпадение во времени потоков потребления электроэнергии и теплоты.

Особенно, если теплота используется с целью обогрева. Отметим, что на

ТЭЦ, где применяются обычные теплоэлектростанции, причина

несовпадения устраняется увеличением к.п.д. собственно электростанции.

Там, где применяются АЭС, регулировать к.п.д. паросиловой турбины более

сложно, так как атомный реактор должен работать при равномерной отдаче

теплоты.

На основании изложенного можно заключить, что эффективность

вторичного применение отводимого на крупных электростанциях тепла (то

есть, использования их в качестве ТЭЦ), зависит от температуры

отработанного пара на входе в теплообменник. Таким образом,

использование АЭС в составе ТЭЦ приводит к увеличению стоимости

электроэнергии. Это следует учитывать при обосновании мероприятий по

энергосбережению,

11.2. Передача теплоты тепловыми

насосами

На основании изложенного можно заключить, что чем ближе требуется

передавать вторичную теплоту, тем меньшая температура вторичного

теплоносителя нужна, а значит, более эффективна работа первичной

энергетической установки. В этой связи отводимое тепло можно применять в

автономных системах теплоснабжения или кондиционирования. При этом

2 3

180

возможно передача теплоты от источников с весьма низкими температурами.

Для передачи теплоты от источника с низкой температурой применяются

тепловые насосы.

Принцип работы и устройство теплового насоса поясняется рисунком

11.1.

Рисунок 11.1. Схема работы теплового насоса

1 – испаритель, 2 – дроссель, 3 – конденсатор, 4 – компрессор, Q

ОТВ

– теплота,

отводимая от первичной энергетической машины, Q

ПОЛ

– полезная теплота,

передаваемая насосом в обогреваемую им зону.

Тепловой насос работает следующим образом.

Рабочее тело, проходя через испаритель, воспринимает теплоту,

отводимую от первичной энергетической машины, и испаряется. Для

лучшего испарения перед испарителем устанавливается дроссель, который

понижает давление рабочего тела в испарителе.

При испарении отбирается теплота из окружающей среды Q

ОТВ

и с

парами рабочего тела передается в конденсатор. В конденсаторе рабочее тело

конденсируется в жидкость, отдавая теплоту Q

ПОЛ

. Для повышения

температуры отдаваемой теплоты Q

ПОЛ

, перед конденсатором пар проходит

через компрессор, который повышает его давление, а значит и температуру.

ОТВ

ПОЛ

2 3

181

Тепловой насос может отбирать любую теплоту, температура которой

выше температуры испарения рабочего тела теплового насоса. При этом надо

учитывать, что температура испарения рабочего тела в испарителе

понижается, так как рабочее тело теряет давление после дросселирования.

Отметим, что тепловой насос может передавать не только теплоту,

отводимую от первичной энергетической машины, но и природную или

естественную теплоту, например, теплоту грунтовых вод, или теплоту

вытяжного воздуха. Область применения теплового насоса расширяется при

использовании в качестве рабочего тела легко кипящих жидкостей (аммиак,

метан, фреон и т.п.).

Если используется природная или сбрасываемая теплота, то

коэффициент использования энергии теплового насоса определяется

следующим образом:

КОМПР

ПОЛ



(11.1)

Здесь W

КОМПР

– энергия, необходимая для работы компрессора, Дж.

Полезная тепловая энергия может быть больше энергии,

преобразуемой в работу компрессора, следовательно, коэффициент

использования энергии теплового насоса может быть больше единицы

(нельзя путать с к.п.д. теплового насоса). Таким образом, тепловой насос

является эффективным средством энергосбережения при обогреве и другом

использовании низкотемпературного тепла.

11.3. Использование отходов сельскохозяйственного

производства

Сельскохозяйственные отходы представляют собой различные

растительные остатки после уборки и переработки продукции

182

растениеводства, навоз животных, и технологические остатки в

животноводстве (так называемая, подстилка), представляющие собой навоз

животных и остатки грубого корма. Все эти остатки называются биомассой.

Так как биомасса содержит горючие вещества (углеводороды и их

соединения), то наиболее очевидно ее использование в качестве биотоплива

для получения тепла. Хотя биомасса уже первоначально способна гореть, все

же требуется некоторая ее подготовка. Так биомасса и ее отходы содержат

большое количество воды, и перед сжиганием требуется сушка.

Характеристикой любого топлива является его калорийность или

теплотворная способность, то есть, удельное количество теплоты, которое

можно получить при сжигании единицы массы или объема топлива. Чем

выше калорийность топлива, тем меньше его требуется для получения одного

и того же количества теплоты. Теплотворная способность биотоплива

различна, и зависит от того, в каком виде оно используется.

Наиболее просто получать твердое биотопливо, для чего биомассу

высушивают. Таким образом, в качестве твердого биотоплива может

использоваться сухая древесина или высушенные экскременты животных.

Если используются отходы древесины, то для повышения технологичности

биотоплива их брикетируют.

Биогаз получают в процессе брожения, и его производство наоборот

требует увлажнения биомассы, а затем подогрева и перемешивания.

Здесь эти примеры приведены для понимания, что использование

биомассы в качестве биотоплива требует подвода какого-то количества

энергии, которое должно потом компенсироваться получением тепловой

энергии.

Так как биомассу можно преобразовывать в твердое, газообразное или

жидкое биотопливо, то ее можно использовать практически во всех процесса,

требующих тепла, включая и паровые и тепловые машины. На рисунке 11.2

показана схема возможного применения биотоплива.

183

Возможность получения качественного тепла путем сжигания

биотоплива обусловливает и возможность получения электроэнергии в

тепловых электростанциях, в которых приводом генератора является

тепловая машина.

Рисунок 11.2. Структура использования биотоплива

– тепло на сушку, подогрев, Е

– механическая энергия на

перемешивание, Q

– теплота твердого топлива, Q

– теплота биогаза, Q

–

теплота жидкого топлива

Достоинствами применения биотоплива для работы в тепловых

электростанциях являются:

Биомасса

Сушка

Твердое

топливо

ТТ

Увлажнен

ие

Перемешив

ание

Брожение

Биогаз

Перегонка

(пиролиз)

Жидкое

топливо

ЖТ

184

 полная управляемость процессом, так как поступление биотоплива

абсолютно прогнозируемо;

 возможность использования существующих тепловых

электростанций, особенно автономных, так как теплотворная

способность жидкого и газообразного биотоплива эквивалентна

теплотворной способности традиционного углеводородного

топлива;

 неисчерпаемость запасов биотоплива при правильном его

воспроизводстве.

11.4. Получение газообразного и жидкого

биотоплива

Наиболее ценным является газообразное и жидкое биотопливо.

Преобразование энергии биотоплива практически не отличается от

преобразования энергии любого углеводородного топлива, поэтому

практический интерес представляют только вопросы его получения.

Биотопливо может использоваться для прямого получения тепла (в

этом случае сжигают высушенную биомассу или получаемый из нее

древесный уголь) или для производства электроэнергии (в этом случае из

биотоплива получают метан, который используют в автономных топливных

электростанциях в качестве газообразного топлива приводных двигателей).

Процесс получения метана (СН

) из биомассы называется анаэробной

переработкой. Как следует из названия процесса (анаэробная) он протекает в

отсутствии кислорода воздуха. На рисунке 11.3 показана функциональная

схема анаэробной установки.

В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы

анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором

большинство составляет метан СН

. Метан из промежуточной емкости после

очистки компрессором закачивается в резервуар для хранения и

последующего использования.

185

Применение установок для получения биогаза в настоящее время

становится все более перспективным.

На рисунке 11.4 приведено схематическое устройство установки для

производства биотоплива. Получение биогаза происходит следующим

образом. Поршнем 3 выдавливается воздух из биомассы. Затем вентиль

закрывается и производится подогрев биомассы без доступа воздуха.

Подогретая биомасса интенсивно перемешивается поршнем, имеющим

лопатки. В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы

анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором

большинство составляет метан СН

Рисунок 11.3. Функциональная схема анаэробной установки

производства биогаза

СН

Биомасса

Емкость

для

сбраживания

Нагрев,

перемешивание

Компрессор,

очистка

Емкость

для СН

186

Рисунок 11.4. Установка для получения биогаза

1 – вентиль, 2 – корпус, 3 – поршень, 4 – биомасса

Под давлением биогаза поршень приподнимается, и газ выпускается в

промежуточную емкость. Метан из промежуточной емкости после очистки

компрессором закачивается в резервуар для хранения и последующего

использования.

Кроме получения газообразного топлива из биомассы можно получать

твердое (брикетированное или гранулированное) топливо и жидкое топливо

(метанол).

Функциональная схема установки для получения жидкого топлива

приведена на рисунке 11.5. Полученное топливо представляет собой

метиловый спирт и может использоваться совместно с бензином в

определенных пропорциях.

Обобщающим способом получения твердого (древесный уголь),

газообразного (биогаз) и жидкого (смолы и масла) биотоплива является

пиролиз. Схема пиролиза приведена на рисунке 11.6.

Воздух

СН

187

Рисунок 11.5. Функциональная схема установки

для производства метанола

Рисунок 11.6. Функциональная схема пиролизной установки

Конденсатор

Емкость

с биомассой

Фильтр

Емкость

с метанолом

Охлаждение

Испарение

Нагрев, t = 85

Дизель на

биогазе

Сухой

материал

Уголь

древесны

Конденса

(смолы)

Тепло для

приготовления

пищи

Газгольде

188

К.п.д. пиролиза определяется отношением теплоты сгорания

произведенного биотоплива к теплоте сгорания исходной биомассы, и

достигает довольно высоких значений. Например, газогенератор на

древесине, производящий водород и СО, имеет к.п.д. 90% /9/. Некоторая

потеря энергии компенсируется получением биотоплива, пригодного для

использования в обычных тепловых двигателях. Это позволяет уменьшить

потери энергии по сравнению с простым сжиганием биомассы. Так,

используя продукты пиролиза при производстве электроэнергии можно

достигать более высоких значений к.п.д., чем при использовании паровых

котлов.

Пиролиз протекает в четыре стадии, отличающиеся температурой

процесса /7/:

 100 – 120

С – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь

вниз, освобождается от влаги;

 275

С – отходящие газы состоят из N

, CO, CO

; в виде конденсата

выделяются смолы и масла, которые могут быть переработаны в

метанол или метан;

 280 – 350

С – протекают экзотермические реакции, в процессе

которых выделяются летучие вещества.;

 350 – 600

С – образуется водород, метан и СО, часть углерода

переходит в форму древесного угля.

Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства

создана промышленная пиролизная установка, производительностью 1 литр

метанола за час или 1,5 м

метана за час, перерабатывающая растительные

сельскохозяйственные отходы, например, подсолнечную лузгу. Такие

установки могут с успехом применяться в небольших фермерских

хозяйствах. Естественно, установка по производству биотоплива не сможет

решить всех энергетических проблем фермера, но способна значительно

уменьшить его зависимость от рынка традиционного углеводородного

189