Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

низкотемпературные при температурах ниже 150

С. При использовании

установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки тепла, отводимые от

них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что

затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности. Рассмотрим некоторые

способы и устройства для утилизации тепловых ВЭР.

Рис.5.5. Схема распределения тепловых ВЭР

Теплота уходящих дымовых газов используется как для внутреннего, так

и для внешнего потребления. При внутреннем потреблении осуществляется

подогрев воздуха, подаваемого на горение, а при внешнем - теплоносителя или

сырья. Подогрев нагреваемой среды может проводиться в регенеративных или

рекуперативных аппаратах. Регенеративные аппараты по принципу действия

являются периодическими. Через неподвижные насадки потоки дымовых газов и

нагреваемой среды проходят попеременно путем переключения направления их

течения (рис.5.6) [1]. Реализуемый уровень температур в регенераторах с

керамическими насадками составляет 1700

С. Недостатком этих аппаратов

является снижение за цикл температуры нагреваемой среды на 10-15%. Они

пригодны для маловязких и чистых сред.

Рис.5.6. Схема регенератора с неподвижной насадкой: 1 – насадка; 2 – переключатель;

сплошная стрелка – нагреваемая среда; пунктирная стрелка – греющая среда

- рассеиваемая

теплота

- концентрированные

потоки тепла

11%

t<150

12%

t=150-

-300

18%

t>300

59%

Рекуперативные подогреватели выполняются из металла, поэтому уровень

рабочих температур снижается до 700-800

С по сравнению с регенераторами.

Преимущество их заключается в постоянстве параметров рабочих сред, что

обеспечивает стабильность технологического процесса. Пример простейших

рекуператоров показан на рис.5.7. Передача тепла от дымовых газов к

нагреваемой среде осуществляется через разделяющую поверхность, которая

может иметь различное конструктивное исполнение. В нашем случае это

кольцевой канал или набор труб, которые связаны с раздающим и сборным

коллекторами.

Рис.5.7. Радиационные рекуператоры трубчатые (а) и кольцевые (б): 1 – раздающие

коллектора; 2 – кожух; 3 – поверхность нагрева; 4 – тепловая изоляция; 5 – сборные

коллектора

При утилизации низкотемпературных дымовых газов целесообразно

использовать контактный теплообменник с активной оросительной насадкой для

повышения интенсивности теплообмена (рис.5.8) [24]. С помощью данного

устройства можно получать горячую воду 50-70

С, что позволяет проводить

сжигание топлива с учетом высшей теплоты сгорания и тем самым добиваться

дополнительного энергосберегающего эффекта. Достоинством аппарата

являются небольшие габариты и масса, достигаемые за счет интенсификации

теплообмена при орошении пучка труб промежуточным теплоносителем в

жидкой фазе, подогретым непосредственным соприкосновением с дымовыми

газами. Это также дает косвенный энергосберегающий эффект за счет экономии

металла. Кроме того, в данном аппарате происходит очистка дымовых газов.

Энергетический эффект от утилизации теплоты дополняется экологическим

эффектом уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду.

Рис.5.8. Контактный теплообменник с активной насадкой: 1 – корпус; 2 – система

орошения; 3 – активная насадка; 4 – сепарационное устройство; 5 – насос системы

орошения

При внешнем использовании тепла отходящих газов промышленных

печей применяются паровые или водогрейные котлы-утилизаторы. В отличие от

энергетических котлов, их поверхности нагрева располагаются не в топке, а по

тракту отходящих газов. Конструкция котла-утилизатора включает:

экономайзер, барабан, испаритель и пароперегреватель. Циркуляция воды через

испаритель осуществляется с помощью насоса или естественной циркуляцией.

На рис.5.9 представлена схема одного из таких устройств [12]. Принцип работы

котлов-утилизаторов идентичен котлам котельных установок.

Рис.5.9. Схема котла-утилизатора: 1 – пароперегреватель; 2 – насос; 3 - барабан;

4 - испаритель; 5 - экономайзер

При проведении технологических процессов тепловой обработки

материалов, через ограждающую поверхность промышленных печей может

теряться до 25% тепла [1]. Применяя систему отвода тепла от элементов печей,

это тепло можно использовать для других технологических процессов,

теплоснабжения или горячего водоснабжения. Например, при производстве

цемента используются вращающиеся печи. Если поверхность такой печи

экранировать неподвижными теплообменниками, которые соединяются

параллельно, то температура корпуса печи понижается на 70-150

С (рис.5.10).

Регулированием расхода воды в теплообменниках она нагревается до 80-90

зимой и до 45-80

С летом. Для печи 5х185м мощность утилизации тепла

составляет (12,5÷14,6)⋅10

МДж/ч, что позволяет экономить 5600 т/год топлива

по замещаемой котельной.

Рис.5.10. Схема использования теплоты, теряемой вращающейся печью:

1 – корпус печи; 2 – неподвижные экранирующие теплообменники; 3 – насос; 4-6 –

потребители тепла

После тепловой обработки в печи материалы или детали могут иметь

высокую температуру и располагать значительным запасом физической

теплоты. Если сыпучие материалы пропустить через контактный аппарат или

заготовки конечных размеров через промежуточную камеру, то тепло можно

передать газообразному или жидкому теплоносителю и использовать для других

процессов с пониженной температурой. Например, на рис.5.11а показана схема

утилизации теплоты при производстве цементного клинкера [25]. Холодный

воздух с помощью вентилятора 5 проходит через охладитель клинкера 4,

нагревается до 550÷800 К и подается на горение в обжиговую печь 3. За счет

этого достигается экономия топлива. Уходящие дымовые газы проходят очистку

в аппарате 2 и с помощью тягового устройства 1 удаляются в атмосферу.

Пылевидные частицы клинкера смешиваются с готовой продукцией.

Другая схема утилизации теплоты технологического продукта показана на

рис.5.11б. Гранулированное сырье после термической обработки в камере

промышленной печи 6 поступает в утилизационный контактный аппарат 7, и

отдает тепло теплоносителю, движущемуся противотоком. Такой аппарат имеет

большую поверхность теплообмена и малые габариты. Этот принцип может

также использоваться для утилизации теплоты отходящих газов. Для этого

4 5 6

дополнительно монтируется подъемник 8, где гранулы циркулируют по

замкнутому контуру.

Рис.5.11. Схема установок для утилизации физической теплоты технологических

продуктов при производстве клинкера (а) и тепловой обработке сырья (б): 1 – тяговое

устройство; 2 – газоочистка; 3 – обжиговая печь; 4 – охладитель клинкера; 5 –

вентилятор; 6 - камера промышленной печи; 7 – камера охлаждения гранул; 8 -

подъемник

В химическом производстве готовой продукцией могут появляться

агрессивные жидкости с температурами приблизительно 100

С. Например, в

производствах кислот: серной, фосфорной и других. Дальнейшее использование

тепла от этих сред с помощью промежуточного теплоносителя позволяет

утилизировать сбросное тепло. Схема конструкции теплообменника-утилизатора

показана на рис.5.12. В нижнем ярусе располагается трубчатая поверхность

теплообмена с агрессивной жидкостью, от которой теплота передается

теплоносителю с низкой температурой кипения. Такими теплоносителями могут

быть холодильные агенты или вода. Промежуточный теплоноситель испаряется,

и пар, омывая верхнюю поверхность теплообмена, конденсируется, отдавая

тепло конечному теплоносителю  воде. При такой схеме утилизации тепла

исключается попадание вредных веществ в конечный теплоноситель.

Рис.5.12. Теплообменник с промежуточным теплоносителем

Охлажденный

клинкер

ТопливоШихта

Горячий клинкер

Горячий

воздух

Холодный

воздух

а) б)

Горячий газ

Нагретый газ

Холодный газ

Вода

Кислота

Корпус

Промежуточный

теплоноситель

Трубный пучок

для воды

Трубный пучок

для кислоты

Пар Клапан

С целью соблюдения санитарно-гигиенических норм на всех

производствах функционируют системы приточно-вытяжной вентиляции, что

приводит к дополнительным потерям энергии. Потери можно уменьшить,

регенерируя тепло удаляемого воздуха. Одна из схем для утилизации тепла

вытяжного воздуха дана на рис.5.13. В отличие от конструкции ранее

рассмотренного высокотемпературного регенератора с неподвижной насадкой, в

данном аппарате используются или подвижная насадка (рис.5.13б), или

тепловые трубы (рис.5.13в). В первом случае теплый удаляемый воздух, омывая

вращающуюся насадку, отдает ей тепло, а холодный отбирает тепло, нагревается

и поступает в помещение, что позволяет снизить потребление энергии

калорифером. Во втором случае тепловые трубы также размещаются во входном

устройстве воздуховодов. При этом в нижней части располагаются

испарительные участки тепловых труб, а в верхней – участки конденсации.

Рис.5.13. Схема утилизатора тепла вытяжного воздуха (а) с регенеративной

вращающейся насадкой (б) и тепловыми трубами (в) и схемы термосифона (г) и

тепловой трубы (д): 1 – вращающаяся теплоаккумулирующая насадка; 2 – корпус; 3 –

вытяжной воздуховод; 4 – приточный воздуховод; 5 – вытяжной вентилятор; 6 –

приточный вентилятор; 7 – подогреватель воздуха; 8 – пар; 9 – пленка конденсата; 10 -

капилляр

Прототипом тепловой трубы является термосифон, представляющий

собой вертикальный или наклонный цилиндр с рабочей жидкостью, которая

А-А

Вход холодного воздуха

Выход теплого воздуха

)

г) д)

8 8

109

1 2

6 7

-9

Пар

(горячая вода)

а)

сосредоточена в нижней части (рис.5.13г). Термосифон работоспособен в

гравитационном поле. С его помощью можно передавать теплоту от одной

среды к другой. От источника теплота подводится к нижней части термосифона,

где жидкость в процессе кипения испаряется, а пар, саккумулировав тепло,

поднимается вверх. Верхняя часть термосифона омывается более холодной

средой. Пар конденсируется, выделяя тепло, которое отводится потребителю.

Конденсат под действием силы тяжести стекает по стенке цилиндра в виде

жидкой пленки. Плотность передаваемых потоков с помощью термосифона в

несколько раз выше, чем через обычную стенку рекуперативного

теплообменника, из-за роста эффективной теплопроводности. Недостатком

термосифона является то, что его ориентация должна быть близкой к вертикали

и тепловой поток имеет одно направление  снизу вверх. Этот недостаток

преодолен в тепловых трубах.

Тепловые трубы дополнительно содержат смачиваемые капилляры

(рис.5.13д), в которых жидкость независимо от их ориентации перемещается за

счет силы поверхностного натяжения. В остальном принцип работы тепловых

труб подобен термосифону, с той лишь разницей, что они могут иметь

произвольную ориентацию. Поэтому сфера использования тепловых труб весьма

широка как в земных условиях, так и в невесомости. Потоки тепла,

передаваемые тепловой трубой, выше на два-три порядка по сравнению с таким

теплопроводным материалом, как медь. Практическая реализация таких

больших потоков зависит от интенсивности внешнего теплообмена в средах с

подводом и отводом тепла. В нашем случае для интенсификации теплообмена со

стороны воздуха тепловые трубы снабжены оребрением. Кроме рассмотренных

способов утилизации тепла вентиляционных выбросов, широко используются и

рекуперативные теплообменники. В утилизационных теплообменниках степень

регенерации теплоты вытяжного воздуха может достигать 70%, что позволяет

почти вдвое сократить расходы топлива на отопление.

При использовании теплообменников необходимо уделять внимание

состоянию их поверхности теплообмена. Образование отложений приводит к

росту термического сопротивления, и эффективность утилизации тепловых ВЭР

ухудшается. Кроме того, из-за отложений возрастают потери давления, а

следовательно, и мощность на прокачку рабочего вещества. Этот недостаток

преодолевается периодической чисткой поверхностей теплообмена.

5.4. ВЭР избыточного давления

ВЭР избыточного давления могут быть использованы для производства

механической работы, теплоты или холода. В первом случае для преобразования

используется турбина, сопряженная на одном валу с электрическим

генератором. Простейшая схема утилизационного устройства показана на

рис.5.14. После сжатия в компрессоре рабочая среда направляется потребителю.

Потребителем может быть техническое устройство, работающее за счет упругой

энергии, или реактор, где проходят химические реакции под давлением. В

первом случае часть энергии упругой среды частично используется, во втором

 она может практически не меняться. Затем отработанный поток, имеющий

избыточное давление, направляется в турбину и превращается в механическую

энергию, которая используется непосредственно или преобразуется в

электрическую. Энергия избыточного давления может быть также

преобразована в тепло или холод в соответствии с эффектом Ранка.

Рис.5.14. Утилизация энергии избыточного давления: 1 – потребитель носителя

высокого давления; 2 турбина; 3 – компрессор; 4 –электрическая машина

В производственных процессах в качестве энергоносителя широко

используется пар. В некоторых случаях после энергоисточника он обладает

более высоким давлением, чем необходимо потребителю. Как правило, в этом

случае пар редуцируют без совершения работы. Использование утилизационных

турбин не только позволяет снизить давление пара до величины, необходимой

потребителю, но и дает возможность производить полезную механическую

работу. Для этих целей используют турбины противодавления, которые по

сравнению с редукционными станциями имеют преимущество в том, что

совместно с коробкой передач и генератором преобразовывают энергию пара,

которая освобождается при редукции, в электрическую. На рис.5.15 приведена

схема подсоединения турбины к системе парораспределения, на которой также

показана редукционная станция и аккумулятор тепла. Аккумулирование теплоты

позволяет использовать ее в течение суток более эффективно. Данная схема

предложена предприятием «Велка Битеш» (Чехия). Турбины с

противодавлением выпускаются двух типов: осевые и радиальные. Радиальные

турбины высоких оборотов (от 10000 до 20000 об/мин) обеспечивают

возможность использования больших окружных скоростей, что позволяет

срабатывать высший перепад давления, при этом КПД данных турбин такой же,

как у традиционных многоступенчатых осевых. Конструкция турбин позволяет

произвести простую перестройку на летнюю или зимнюю их эксплуатацию для

установленных параметров пара. Время возврата капиталовложений составляет

около 2-3 лет в зависимости от стоимости турбины и расходов на строительство.

Рис.5.15. Подсоединение утилизационных турбин в системе парораспределения: 1 -

паровой котел; 2 - паровая турбина; 3 - потребители пара; 4 - генератор; 5 -

редукционная станция; 6 - насос конденсата; 7 - система регулирования

противодавления турбины; 8 - система регулирования противодавления редуктора; 9 -

аккумулятор теплоты; 10 – теплообменник; 11 – потребители горячей воды

Рассмотренные технические методы утилизации горючих, тепловых и

избыточного давления вторичных энергетических ресурсов не исчерпывают все

случаи, встречающиеся на практике. Однако они отражают общие подходы и

принципы их использования. Во-первых, прежде чем использовать ВЭР,

необходимо знать, какими их видами мы располагаем. Во-вторых, необходимо

обладать информацией об объемах выхода ВЭР и о возможной экономии

топлива за счет их использования. В-третьих, реальные технические

утилизационные устройства могут отличаться лишь конструкцией и некоторыми

особенностями их работы.

Контрольные вопросы

1. Что такое энергетические отходы? Какие их типы Вы знаете?

2. Что такое ВЭР? Как они классифицируются? Каким параметром определяется

энергетический потенциал каждого из видов ВЭР?

3. Как рассчитать удельный и общий выход ВЭР?

4. Как рассчитать выход ВЭР, пригодных к использованию?

5. Как оценить экономию топлива за счет использования тепловых ВЭР, при

производстве холода или использовании горючих ВЭР?

6. Какие источники и виды горючих ВЭР есть в Беларуси?

7. По каким признакам классифицируются древесные отходы?

8. Классификация древесных отходов?

9. Каков гранулометрический состав древесных отходов?

10. Какие устройства применяются для утилизации древесных отходов с целью

получения энергии?

11. Приведите технологическую схему утилизации древесных отходов с целью

получения энергии.

12. Какую роль играют теплообменные аппараты в энергосбережении?

13. Какие типы теплообменников Вы знаете и где они применяются?

14. С помощью каких устройств утилизируются ВЭР избыточного давления?

6. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛА

Трансформаторами тепла называются устройства для переноса энергии в

форме теплоты от источников с низкой температурой к «потребителям» с более

высокой температурой. К трансформаторам тепла относятся криогенные

установки, холодильные машины, кондиционеры и тепловые насосы. В

настоящее время наибольшее распространение получили холодильные машины

(холодильники) и кондиционеры.

6.1.Принцип работы и классификация трансформаторов тепла

Трансформатор тепла работает по обратному циклу тепловой машины, в

котором механическая работа преобразуется в теплоту. Иногда такую тепловую

машину называют холодильником. Основными элементами трансформатора

тепла являются теплоприемник с температурой Т

, устройство, преобразующее

механическую работу в теплоту, и теплоотдатчик с температурой Т

(рис.6.1).

Теплоприемник связан с источником тепла, а теплоотдатчик - с потребителем.

Рис.6.1. Схема трансформатора тепла

К рабочему веществу с помощью теплоприемника подводится теплота

. Затем рабочее вещество поступает в устройство, где дополнительно

принимает теплоту за счет преобразования механической работы L. Суммарное

количество теплоты Q

+L поступает в теплоотдатчик и далее передается

потребителю или окружающей среде.

хг

х10

ТТ

ε,

−

=ϕ

−