Системы утилизации тепла в холодильных установках. Потенциальные возможности утилизации сбросной теплоты Утилизация теплоты

Описание:

Системы приточно-вытяжной вентиляции для административных и жилых помещений эффективны не только с санитарно-гигиенической точки зрения. При наличии автоматической утилизации тепла, они также вносят существенный вклад в снижение затрат на отопление. Воздух, удаляемый из помещения, имеет температуру 20-24 0 С. Не использовать это тепло - значит, в буквальном смысле, выпускать его в форточку. Тепло удаляемого воздуха можно использовать для подогрева воды и приточного воздуха и, тем самым, внести свой вклад в защиту окружающей среды.

Утилизация тепла

Д. Дросте , ИнноТек Системанализ ГмбХ, Берлин (Германия)

Технология

Основные положения

Системы приточно-вытяжной вентиляции для административных и жилых помещений эффективны не только с санитарно-гигиенической точки зрения. При наличии автоматической утилизации тепла, они также вносят существенный вклад в снижение затрат на отопление. Воздух, удаляемый из помещения, имеет температуру 20-24 o С. Не использовать это тепло - значит, в буквальном смысле, выпускать его в форточку. Тепло удаляемого воздуха можно использовать для подогрева воды и приточного воздуха и, тем самым, внести свой вклад в защиту окружающей среды.

Таким образом, утилизация тепла необходима для снижения потерь при вентиляции.

Технические решения

В вентиляционных системах зданий заданное количество удаляемого воздуха забирается из помещений с высоким содержанием влаги и загрязнений: кухни, туалета, ванной комнаты, - затем охлаждается в перекрестноточном пластинчатом теплообменнике и выбрасывается наружу. Такое же количество предварительно очищенного от пыли наружного приточного воздуха нагревается в теплообменнике без контакта с удаляемым воздухом и подается в жилые помещения, спальные и детские комнаты. Соответствующие устройства располагаются на чердаках, в подвалах или во вспомогательных помещениях.

В системах автоматической приточной вентиляции заданное количество воздуха с помощью вентиляторов подается в помещение непрерывно. Вытяжные вентиляторы отбирают загрязненный воздух из кухонь, туалетов и т.д.

При правильном подборе вентиляторов обеспечивается воздухообмен, соответствующий требованиям Федерального правительства. Для обеспечения утилизации тепла в систему включены специальные теплообменники, например, перекрестноточные, при необходимости снабженные тепловым насосом.

Современные установки в домах с хорошей теплоизоляцией, по сравнению с конвективной системой отопления, позволяют экономить до 50% тепла.

Эффективность передачи тепла от удаляемого воздуха к приточному составляет в пластинчатых теплообменниках около 60%, при влажном удаляемом воздухе даже больше. Это означает, что в квартире жилой площадью 100 м 2:

Мощность системы отопления ниже на 10 Вт/м 2 жилой площади;

Годовое потребление тепла снижается примерно с 40 до 15 кВт/м 2 ·год.

Экономическая эффективность

Управляемая система вентиляции и утилизации тепла требует энергетических затрат на подогрев воздуха меньше, чем другие системы. При этом, благодаря снижению установочной мощности системы отопления, при новом строительстве снижаются инвестиционные затраты. Дополнительно, за счет использования систем утилизации тепла, снижаются затраты на топливо, так как используются бытовые тепловыделения (имеются в виду тепловые выделения человека, электрических приборов, освещения, а также инсоляция и т.д.). Бытовые тепловыделения вместо того, чтобы "перегревать" помещение, в котором они возникают, перераспределяются по системе воздуховодов в те помещения, где есть "недогрев". Также следует иметь в виду, что во многих квартирах длительное проветривание через открытые окна часто нежелательно из-за высокого уровня шума. Использование в системе механической вентиляции установок утилизации тепла и тепловых насосов делает ее более энергоэкономичной.

Внедрение

Экономические предпосылки внедрения современных отопительных систем достаточно многообразны. В ряде федеральных земель существуют специальные налоговые льготы, благодаря которым первоначальные затраты можно снизить на 20-30%. Кроме того, ряд программ энергосбережения содержит разделы, посвященные вентиляции жилых помещений. Так, например, в программе земли Рейн-Пфальц предусмотрена доплата до 25%, но не более 7500 DМ. Особенно рекомендуется внедрение тепловых насосов, при этом в некоторых землях предусматривается доплата до 30%.

Примеры использования

Утилизация тепла в многоквартирном доме

В типичном многоквартирном доме в Лейпциге 1912 года постройки, который был реконструирован и дополнительно теплоизолирован, голландская вентиляционная фирма Van Ophoven использовала управляемую систему вентиляции с утилизацией тепла. Дома такого типа составляют до 60% жилого фонда Лейпцига. Система приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла в перекрестноточном теплообменнике автономна до момента включения дополнительного подогревателя приточного воздуха. Для обеспечения утилизации тепла в систему включены специальные теплообменники, в нашем примере - перекрестноточные. Речь идет в данном случае о равновесной системе вентиляции. Каждая квартира оборудована прибором, установленном на стене в специально отведенном месте. Наружный воздух предварительно нагревается в утилизационном устройстве, а затем с помощью дополнительного подогревателя нагревается до необходимой температуры. В данном случае речь идет о непрямом отоплении. Анализ эффективности этой системы показал, что экономия энергии составляет 40%, а выбросы СО 2 снизились на 69%.

Воздухообменные установки

Во многих административных зданиях в Носсене, в офисах, больницах, банках благоприятный микроклимат обеспечивают энергоэкономичные воздухообменные установки с утилизацией тепла. Эффективность утилизации тепла в противоточных теплообменниках может достигать 60%. На приведенном здесь снимке видно, что воздухообменные установки хорошо вписываются в обстановку помещения.

Литература

1. Arbeitskreis der Dozenten fur Klimatechnik: Handbuch der Klimatechnik, Verlag C.F. Muller GmbH, Karlsruhe

2. Recknagel/Sprenger: Taschenbuchfur Heizung + Klimatechnik, R. Oldenburg Verlag, Munchen/Wien 83/84

3. Ministerium fur Banuen und Wohnen des Landes Nordrhein-Westfalen: Luftung im Wohngebaude

4. THERMIE-Maxibroschure: Leitfaden energiesparende und emissionsarme Anlagen zur Heizung, Kuhlung und Klimatisierung von kleinen und mittleren Unternehmen in den neuen Bundeslandern, erhaltlich under OPET.

Утилизация теплоты уже много лет широко применяется в тепло-энергетик е — подогреватели питательной воды, экономайзеры, воздухо-подогреватели, газотурбинные регенераторы и т. д., но в холодильной технике ей уделяется еще недостаточное внимание. Это можно объяс-нить тем, что обычно сбрасывается теплота низкого потенциала (при тем-пературе ниже 100°С), поэтому для ее использования необходимо вво-дить в холодильную систему дополнительные теплообменники и прибо-ры автоматики, что усложняет ее. При этом холодильная система стано-вится более чувствительной к изменению внешних параметров.

В связи с энергетической проблемой, в настоящее время проекти-ровщики, в том числе и холодильного оборудования , вынуждены более внимательно анализировать традиционные системы в поисках новых схем с регенерацией теплоты конденсации.

Если холодильная установка имеет воздушный конденсатор , можно использовать нагретый воздух непо-средственно после конденсатора для обогрева помещений. Можно полез-но использовать и теплоту перегретых паров хладагента после компрес-сора , имеющих более высокий температурный потенциал.

Впервые схемы утилизации теплоты были разработаны европей-скими фирмами, так как в Европе сложились более высокие цены на электроэнергию в сравнении с ценами в США.

Комплектное холодильное оборудование фирмы ’’Костан” (Ита-лия), разработанное в последние годы, с системой утилизации теплоты воздушных конденсаторов применяется для отопления торгового зала магазинов типа ’’Универсам”. Такие системы позволяют сократить общее энергопотребление в магазине на 20—30%.

Основная цель — использование максимально возможного количе-ства теплоты , выделяемой холодильной машиной в окружающую среду. Теплота передается либо непосредственно потоком теплого воздуха пос-ле конденсатора в торговый зал магазина во время отопительного сезо-на, либо в дополнительный теплообменник-аккумулятор (теплота пере-гретых паров хладагента) для получения теплой воды, которая исполь-зуется для технологических нужд в течение всего года.

Опыт эксплуатации систем по первому способупоказал, что они просты в обслуживании, но сравнительно громоздки, исполь-зование их связано с необходимостью установки дополнительных вен-тиляторов для перемещения большого количества воздуха и воздуш-ных фильтров, что в конечном итоге приводит к росту приведенных затрат. Учитывая это, предпочтение отдают более сложным схемам, несмотря на то, что их реализация усложняет эксплуатацию.

Наиболее простой схемой с теплообменником-аккумулятором — является схема с поcледовательным соединением конденсатора и акку-мулятора. Эта схема работает следующим образом. При тем-пературах воды на входе в теплообменник-аккумулятор и температура окру-жающего воздуха, равных 10°С, температура конденсации tK сос-тавляет 20 С. В течение короткого времени (например, в течение ночи) вода в аккумуляторе нагревается до 50°С, a t повышается до 30°С. Объясняется это тем, что общая производительность конденсатора и аккумулятора понижается, так как при нагреве воды уменьшается первоначальный температурный напор в аккумуляторе.

Повышение на 10°С вполне допустимо, однако при неблагоприятных сочетаниях высокой температуры и малого потребления воды может наблюдаться и более значительное повышение температуры кон-денсации . Эта схема имеет следующие недостатки при эксплуатации: колебания давления конденсации; периодическое значительное пони-жение давления в ресивере, которое приводит к нарушению питания испарителя жидкостью; возможное обратное перетекание жидкости в воздушный конденсатор во время остановки компрессора, когда t значительно ниже температуры в ресивере.

Установка регулятора давления конденсации позво-ляет предотвращать обратное перетекание конденсата из ресивера в воз-душный конденсатор, а также поддерживать необходимое давление конденсации, например, соответствующее 25 °С.

При повышении tw до 50°С и tок до 25 °С регулятор давленияполностью открывается, при этом падение давления в нем не превышает 0,001 МПа.

Если и t снижаются до 10°С, то регулятор давления закрыва-ется и внутренняя полость воздушного конденсатора, а также часть зме-евика теплообменника-аккумулятора заполняются жидкостью. При по-вышении t до 25°С регулятор давления вновь открывается и жидкость из воздушного конденсатора выходит переохлажденной. Давление над поверхностью жидкости в ресивере будет равно давлению конденсации минус падение давления в регуляторе, причем давление в ресивере мо-жет стать настолько низким (например, соответствовать tK < 15°С), что жидкость перед подачей к регулирующему вентилю не будет переох-лажденной. В этом случае необходимо ввести в схему регенеративный теплообменник.

Для поддержания давления в ресивере в схему также вводится диф-ференциальный клапан. При tк= 20°С и tок — 40°С диф-ференциальный клапан закрыт, падение давления в трубопроводах воздушного конденсатора, теплообменника-аккумулятора и регулятора давления незначительно.

При понижении до 0°С, a t до 10°С жидкость перед регулятором давления будет иметь температуру примерно 10°С. Падение давления в регуляторе давления станет значительным, откроется дифференци-альный клапан 6 и горячий пар будет поступать в ресивер.

Однако и это полностью не исключает проблемы отсутствия пере-охлаждения жидкости в ресивере. Необходимы обязательная установка регенеративного теплообменника либо использование ресивера специ-альной конструкции. В этом случае холодная жидкость из конденсатора направляется непосредственно в жидкостный трубопровод. Такого же эффекта можно достигнуть установкой вертикального реси-вера, в котором более холодная жидкость опускается на дно, а горячий пар поступает в верхнюю часть.

Расположение регулятора давления в схеме между теплообменни-ком-аккумулятором и воздушным конденсатором. предпочти-тельно по следующим причинам: зимой может потребоваться много вре-мени на достижение необходимого давления конденсации; в компрес-сорно-конденсаторном агрегате редко бывает достаточной длина трубо-провода между конденсатором и ресивером; в существующих установках необходимо отключать сливной трубопровод, чтобы встроить теп-лообменник-аккумулятор. По этой схеме устанавливается и обратный клапан.

Разработаны схемы с параллельным соединением воздушных конденсаторов для поддержания в одном помещении температуры 20°С, а в другом, где часто открываются зимой двери, — 10°С. Такие схемы также требуют установки регуляторов давления и дифференциальных клапанов.

Параллельно включенные конденсаторы с утилизацией теплоты в летнее время обычно не работают, и давление в них несколько ниже, чем в основном конденсаторе. Вследствие неплотного закрытия соленоид-ных и обратных клапанов возможны рециркуляция жидкости и заполне-ние конденсатора-утилизатора. Во избежание этого в схеме предусмат-ривают байпасный трубопровод, через который периоди-чески включается конденсатор с утилизацией теплоты по сигналу реле времени.

Колебания тепловой нагрузки основного конденсатора и конден-саторов с утилизацией теплоты связаны с необходимостью использова-ния в таких схемах ресивера большей вместимости, чем в холодильных машинах без утилизации теплоты, либо установки дополнительного ресивера параллельно первому, что заставляет увеличивать количество хладагента для заправки системы.

Анализ различных схем утилизации теплоты с использова-нием стандартных теплообменников коаксиального типа (труба в трубе) при полной конденсации в них и использовании лишь теплоты перегре-ва паров показывает, что установка работает экономичнее при полной конденсации в регенераторе теплоты лишь при непрерывном и стабиль-ном использовании теплой воды.

Холодильная машина работает по двум цик-лам (с температурой кипения — 10°С и разными температурами конден-сации 35 и 55°С). В качестве регенератора теплоты используется допол-нительный противоточный водяной теплообменник, передающий тепло-ту перегрева паров хладагента при температурном напоре холодопроизводительности компрессора 10 кВт и потребляемой мощ-ности 2,1 кВт (Тк = 35°С) в основном конденсаторе можно нагреть воду (при расходе ее 0,012 кг/с) с 10 до 30°С, а затем в регенераторе по-высить температуру воды с 30 до 65 °С. В цикле с 55°С при холодопроизводительности 10 кВт и по-требляемой мощности 3,5 кВт в основном конденсаторе воды (при расходе 0,05 кг/с) нагревается с 10 до 50°С, и затем в дополнительном теплообменнике-регенераторе вода (при расходе 0,017 кг/с) нагрева-ется с 50 до 91°С. В первом случае полезно используется 13,7%, во вто-ром - 52% всей подводимой энергии.

Во всех случаях при выборе системы утилизации теплоты холо-дильной машины необходимо определить следующее:

• холодопроизводительность компрессора и тепловую нагрузку на конденсатор;
• режим работы холодильной машины в летний и зимний периоды; возможность использования утилизированной теплоты; взаимосвязь между необходимой теплотой для обогрева помещения и нагрева воды;
• требуемую температуру теплой воды и расход ее по времени; надежность работы холодильной машины в режиме получения холода.
• Опыт эксплуатации систем утилизации теплоты показывает, что первоначальные капитальные затраты на такую систему в крупных магазинах окупаются в течение 5 лет, поэтому внедрение их экономически целесообразно.

Так как большое количество денежных средств может быть сэкономлено за счет утилизации теплоты конденсата, перед владельцем любого предприятия, потребляющего пар, рано или поздно встает вопрос:

Каким образом можно утилизировать теплоту конденсата в пароконденсатной системе моего предприятия?

В данном разделе будут рассмотрены типовые способы утилизации теплоты конденсата, которые в той или иной степени могут быть реализованы практически в любой пароконденсатной системе.

Но без детального и всестороннего обследования существующей пароконденсатной системы невозможно сказать однозначно, можно ли применить в данном конкретном случае какой-либо из рассмотренных способов или нет.

Что подразумевается под словосочетанием «утилизация теплоты конденсата»?

Начнём с нескольких основополагающих принципов:

• Для нагрева какого-либо продукта в теплообменнике до определенной температуры следует использовать насыщенный пар.
• Температура насыщенного пара должна быть выше температуры нагреваемого продукта на выходе из теплообменного аппарата.
• Давление пара и температура пара взаимосвязаны, т.е. температура в теплообменнике зависит от давления пара.
• Энтальпия насыщенного пара складывается из энтальпии воды (теплота конденсата) и теплоты парообразования (скрытая теплота).
• В подавляющем большинстве случаев теплообменники проектируются для передачи продукту только скрытой теплоты, тогда как образующийся конденсат должен немедленно отводиться из теплообменника.

Конденсат и его теплота теряются безвозвратно, если конденсат попросту сбрасывается в атмосферу и не используется повторно. Даже если конденсат собирается в бак открытого типа и затем используется в качестве питательной воды для котла, то часть теплоты конденсата всё равно теряется вместе с паром вторичного вскипания, который образуется после конденсатоотводчиков и затем уходит в атмосферу из открытого конденсатного бака. Это явление мы рассмотрим ниже.

Утилизация теплоты конденсата в данном контексте означает максимально эффективное использование теплоты, уносимой вместе с конденсатом из теплообменного аппарата.

Для отвода конденсата из теплообменного оборудования применяются конденсатоотводчики, которые одновременно с этим выполняют роль дросселирующего устройства, т.е. на конденсатоотводчиках происходит падение давления, т.е. перепад давления между давлением пара в теплообменном аппарате и давлением конденсата в конденсатной системе.

Точка 1: Вход пара в теплообменный аппарат
Точка 2: Конденсат при температуре насыщения или с небольшим переохлаждением на выходе из теплообменного аппарата или перед конденсатоотводчиком.
Отрезок 1 2: Передача скрытой теплоты парообразования в теплообменном аппарате при постоянном давлении и температуре.
Точка 3: Состояние конденсата после конденсатоотводчика.
Отрезок 2 3: Падение давления – при постоянной энтальпии – от давления перед конденсатоотвочиком (Pv) до давления после конденсатоотводчика (Pg) или от температуры перед конденсатоотводчиком до температуры насыщения.
Точка 4: Конденсат при температуре насыщения после конденсатоотводчика.
Отрезок 3 4: Энергия, высвобождающаяся при падении давления в виде пара вторичного вскипания.
Отрезок 4 5: Остаточная теплота конденсата.
Количество образующегося пара вторичного вскипания может быть рассчитано по следующей формуле:

m расход конденсата [кг/ч]; h"2 энтальпия конденсата перед вскипанием [Ккал/кг или кДж/кг]; h"4 энтальпия конденсата после вскипания [Ккал/кг или кДж/кг]; r теплота парообразования при давлении за конденсатоотводчиком [Ккал/кг или кДж/кг].

Альтернативным способом вычисления количества пара вторичного вскипания может быть использование диаграммы на рис. 69, показывающей зависимость количества пара вторичного вскипания (в кг), образующегося из 1 кг конденсата, от давления перед конденсатоотводчиком (в теплообменнике) и давления после конденсатоотводчика.

Например: избыточное давление перед конденсатоотводчиком – 5 бар, избыточное давление после конденсатоотводчика – 0 бар, количество пара вторичного вскипания 0,11кг/кг, т.е. 11%.

Как мы видим, количество пара вторичного вскипания зависит от перепада давления на конденсатоотводчике и от количества конденсата. Этот факт также объясняет то, почему после правильно работающего конденсатоотводчика образуются «клубы» пара (они особенно видны, когда конденсат после конденсатоотводчика сбрасывается в атмосферу).

Если конденсат отводится в бак открытого типа, то легко можно наблюдать, как пар вторичного вскипания выходит из бака в атмосферу. В этом случае «клубы» пара ещё больше, так как в бак поступает конденсат сразу от нескольких конденсатоотводчиков одновременно.

При низких давлениях удельный объём пара достаточно высок. Невозможно отличить острый пар от пара вторичного вскипания, поэтому иногда даже специалисты путают пар вторичного вскипания с острым паром и делают ошибочные выводы о том, что конденсатоотводчики пропускают острый пар, хотя на самом деле эти конденсатоотводчики работают нормально.

На рис. 70 показан пример образования большого объёма пара вторичного вскипания после конденсатоотводчика: 100 кг/ч конденсата (из пара с давлением 8 бар (изб) образуют 24 м3/ч пара вторичного вскипания, в то время как объем воды после конденсатоотводчика только 0,086 м3/ч.

Этот пример показывает, что оборудование для контроля работы конденсатоотводчиков необходимо устанавливать только перед конденсатоотводчиками, но не после конденсатоотводчиков.

Однако если используются высококачественные конденсатоотводчики, которые гарантируют отличную и безотказную работу, то контроль их состояния в большинстве случаев не требуется. Из нашей широчайшей линейки конденсатоотводчиков GESTRA мы можем предложить Вам надежные и качественные конденсатоотводчики для решения любой задачи.

Из сказанного выше становится понятно, что теплота, содержащаяся в конденсате перед конденсатоотводчиком, после конденсатоотводчика разделяется на пар вторичного вскипания и остаточную теплоту конденсата.

Так как остаточный конденсат и, следовательно, его теплота практически всегда повторно используется (конденсат возвращается обратно в котельную и идёт на подпитку котла), то в данном контексте под утилизацией теплоты конденсата мы понимаем только эффективное использование пара вторичного вскипания.

Можно выделить 4 основных способа эффективной утилизации пара вторичного вскипания:

1. подтопление теплообменных поверхностей конденсатом;
2. применение специальных сосудов (сепараторов) для отделения и утилизации пара вторичного вскипания;
3. установка теплообменника на общем конденсатопроводе;
4. установка предварительного подогревателя перед основным теплообменным аппаратом.

Способ № 1:

Подтопление теплообменных поверхностей конденсатом

Чтобы предотвратить образование пара вторичного вскипания после конденсатоотводчика, необходимо задерживать конденсат в теплообменнике, т.е. надо подтапливать теплообменные поверхности. Это означает, что часть теплоты конденсата будет передаваться нагреваемому продукту и, таким образом, конденсат будет остывать. Температура конденсата должна быть снижена внутри теплообменника до температуры насыщения (или ниже), соответствующей давлению в конденсатной линии после конденсатоотводчика.

Это означает, что участок трубы, в котором происходит такое охлаждение конденсата, должен быть достаточно длинным, т.е. теплообменникбудетвбольшей или меньшей степени подтоплен конденсатом.

В стандартных теплообменниках такая схема утилизации теплоты конденсата применяется сравнительно редко, так как подтопление теплообменных поверхностей снижает мощность и, следовательно, эффективность теплообменника, а также может приводить к возникновению гидроударов.

Однако в случае со спутниковым обогревом данный способ утилизации теплоты конденсата может быть реализован посредством использования соответствующих конденсатоотводчиков (см. раздел 4.26 «Пароспутники»).

Теплообменники с регулированием «по конденсату» в большинстве случаев работают с частичным подтоплением теплообменных поверхностей конденсатом. В этом случае подтопление поверхностей конденсатом требуется для поддержания температуры продукта постоянной. Однако такая схема регулирования является достаточно инерционной и рекомендуется к применению только на теплообменниках с вертикальными греющими поверхностями и с постоянным режимом работы.

На рис. 71 показан подогреватель топлива, оснащенный регулятором температуры прямого действия, который регулирует расход конденсата в зависимости от температуры продукта на выходе из подогревателя. Конденсатоотводчик предотвращает пролет острого пара в тех случаях, когда регулятор температуры находится в полностью открытом положении (в пусковых режимах или при поломке).

Применение специальных сосудов (сепараторов) для отделения и утилизации пара вторичного вскипания

Если в пароконденсатной системе завода используется пар различных давлений, то данный способ утилизации теплоты конденсата является оптимальным.

Если всё-таки в пароконденсатной системе завода используется пар одного давления, то необходимо провести детальное обследование данной системы на предмет поиска одного или двух теплообменников, которые могли бы потреблять пар более низкого давления. В подавляющем большинстве случаев такой теплообменник или теплообменники в системе есть. Единственной причиной, по которой все теплообменники в системе потребляют пар одного давления, очень часто является то, что только такой пар и доступен для использования в системе.

Очевидно, что деаэраторы питательной воды в паровых котельных являются потребителями пара низкого давления. В большинстве случаев эти деаэраторы потребляют острый пар сдавлением 0,2-0,5 бар (изб).

Например, пар вторичного вскипания низкого давления можно использовать в системах обогрева помещений.

На рис. 72 показана принципиальная схема пароконденсатной системы с несколькими теплообменниками, потребляющими пар различного давления.

На практике, естественно, потребителей пара может быть намного больше.

В данном случае показана, так называемая, открытая конденсатная система, в которой пар вторичного вскипания уходит из конденсатного бака в атмосферу.

Данная система может быть оптимизирована путём установки сосудов для отделения пара вторичного вскипания между различными группами теплообменников, а также за счет замены конденсатного бака открытого типа конденсатным баком закрытого типа.

На рис. 73 показана закрытая система с тремя отделителями пара вторичного вскипания. Конденсат из теплообменника «16 бар» отводится в отделитель пара вторичного вскипания «5 бар». Пар вторичного вскипания из этого отделителя уходит в теплообменник «5 бар». Если этого пара из отделителя будет недостаточно для теплообменного процесса, то регулятор давления начнёт автоматически открываться и подавать недостающее количество острого пара в теплообменник, тем самым, поддерживая постоянное давление в теплообменнике и в отделителе. Конденсат из отделителя «5 бар» отводится через поплавковый конденсатоотводчик в отделитель пара вторичного вскипания «2 бар». Конденсат из теплообменника «5 бар» также отводится в этот отделитель. Пар вторичного вскипания из отделителя «2 бар» уходит в теплообменник «2 бар». Регулятор давления автоматически подаёт недостающее количество острого пара в теплообменник, поддерживая постоянное давление после себя.

Конденсат из теплообменника «2 бар» и конденсат из отделителя «2 бар» отводятся в отделитель «0,2-0,5 бар». Пар вторичного вскипания, образующийся в этом отделителе, используется для подачи в атмосферный деаэратор. Оставшийся в отделителеконденсатоткачивается насосами в бакпитательной воды.

На отделители пара вторичного вскипания «5 бар» и «2 бар» необходимо установить автоматические воздухоотводчики, так какнеконденсируемые газы (например, воздух), находящиеся в паре, могут значительно ухудшить теплообменные процессы.

В случае реконструкции существующей пароконденсатной системы, например, при переходе от открытой конденсатной системы к закрытой конденсатной системе, необходимо убедиться в том, будет ли пропускной способности существующих конденсатоотводчиков достаточно для работы в новом режиме. Дело в том, что в случае с закрытой конденсатной системой увеличивается противодавление на конденсатоотводчиках. Как результат, перепад давления на этих конденсатоотводчиках уменьшается и, следовательно, снижается их пропускная способность.

Конечно, не всегда требуется использование трех отделителей пара вторичного вскипания. В большинстве случаев будет достаточно одного или двух. На рис. 74 и 75 показаны такие системы.

Если весь пар вторичного вскипания, образующийся в системе, может быть полностью использован в одном теплообменном аппарате, то имеет смысл применить принцип термосифона. См. рис. 75. Единственное требование - теплообменный аппарат должен быть расположен вышеотделителя пара вторичного вскипания.

В соответствии с газовыми законами пар вторичного вскипания будет подниматься наверх в теплообменник «2 бар». Конденсат же под действием силы тяжести будет стекать вниз в отделитель пара вторичного вскипания.

При этом конденсат должен входить в отделитель ниже уровня воды, чтобы не препятствовать подъему пара наверх.

Для обеспечения нормальной термосифонной циркуляции необходимо эффективно отводить воздух и другие неконденсируемые газы из этого циркуляционного контура. Принцип термосифона можно реализовать только, если теплообменный аппарат работает на постоянном давлении.

Какое-либо регулирование работы теплообменного аппарата по «паровой стороне» невозможно.

Способ №3:

Утилизация теплоты конденсата посредством установки теплообменника на общем конденсатопроводе.

Принципиальная схема показана на рис. 76.

Оптимальная температура продукта поддерживается посредством 3-х ходового регулятора температуры. Данный клапан предотвращает чрезмерное повышение давления в общем конденсатопроводе. Для нормальной работы данной системы необходимо, чтобы количество теплоты пароконденсатной смеси было больше количества теплоты, требуемого для нагрева продукта в теплообменнике. Избыточное количество пароконденсатной смеси отводится в конденсатный бак ниже уровня воды. Эта пароконденсатная смесь используется для нагрева умягченной воды. Для предотвращения гидроударов в конденсатном баке пароконденсатная смесь должна подаваться в бак ниже уровня воды и обязательно через барботажную трубу. Суммарная площадь всех отверстий в барботажной трубе должна быть равна площади поперечного сечения этой трубы.

Конец барботажной трубы должен быть заглушен. В трубе выше уровня воды (внутри бака) необходимо предусмотреть небольшое отверстие, которое при остановках системы предотвращает всасывание конденсата в барботажную трубу. Такая система обеспечивает максимальную утилизацию пара вторичного вскипания.

Способ№4:

Утилизация теплоты конденсата посредством установки предварительного подогревателя передосновным теплообменным аппаратом.

Если утилизация пара вторичного вскипания непосредственно в основном теплообменном аппарате невозможна, то перед данным теплообменным аппаратом можно установить предварительный подогреватель.

Теплообменный аппарат используется для нагрева продукта от начальной температуры до конечной температуры.

Данный теплообменный процесс требует определенного количества пара. Однако, если «вторичное тепло» используется для предварительного подогрева продукта, то для достижения конечной температуры продукта в основном теплообменнике потребуется меньшее количество пара.

Предварительный подогрев продукта можно осуществлять посредством нерегулируемой подачи пара вторичного вскипания в предварительный подогреватель (если возможно, то с использованием термосифона, см. рис. 75) или, например, в небольших системах посредством подачи пароконденсатной смеси напрямую в предварительный подогреватель (рис. 77)

Основной теплообменный аппарат нагревает продукт - в нашем примере вода - до требуемой конечной температуры. Если пароконденсатная система достаточно большая и протяженная, то, естественно, можно использовать несколько предварительных подогревателей в различных точках системы для последовательного подогрева продукта.

В случае с большими теплообменными аппаратами рекомендуется проводить утилизацию пара вторичного вскипания и части теплоты конденсата в предварительных подогревателях, которые могут являться составными элементами этих теплообменных аппаратов, любо могут устанавливаться в непосредственной близости от этих теплообменных аппаратов (сбоку или снизу).

На рис. 78 схематически показан калорифер с предварительным подогревателем, установленным на входе воздуха в калорифер.

Смесь конденсата и пара вторичного вскипания от различных греющих секций уходит в конденсатный бак через предварительный подогреватель. Скрытая теплота парообразования вторичного пара и часть теплоты конденсата передаются холодному воздуху, поступающему в калорифер. Конденсат после предварительного подогревателя стекает в конденсатный бак относительно холодным и без пара вторичного вскипания.

В примере на рис. 79 показан предварительный подогреватель, установленный под основным теплообменным аппаратом.

Конденсат из основного теплообменного аппарата самотёком поступает в предварительный подогреватель и отдает в нём свою теплоту продукту. Отвод охлажденного конденсата из предварительного подогревателя осуществляется посредством поплавкового конденсатоотводчика. Между предварительным подогревателем и поплавковым конденсатоотводчиком должен быть перегиб трубопровода, причем, верхняя точка перегибадолжна находиться выше предварительного подогревателя.

Для поддержания постоянного уровня до и после предварительного подогревателя необходимо установить трубку для выравнивания давления. Данная трубка должна соединять самую верхнюю точку участка трубопровода между предварительным подогревателем и поплавковым конденсатоотводчиком и трубопровод подачи пара в основной теплообменный аппарат. В этом случае предварительный подогреватель всегда будет затоплен конденсатом. Давление в основном теплообменном аппарате и в предварительном подогревателе будет одинаковым (в данном случае мы пренебрегаем статическим давлением столба жидкости междуосновным теплообменным аппаратом и предварительным подогревателем).

На выходе из основного теплообменного аппарата необходимо установить автоматический воздухоотводчик.

Данный способ взаимного расположения основного теплообменного аппарата и предварительного подогревателя имеет некоторые преимущества по сравнению со способом, показанным на Рис. 78 (предварительный подогреватель расположен сбоку от основного теплообменного аппарата): в качестве греющей среды в предварительном подогревателе используется только вода; входная температура продукта выше; диаметры трубопроводов могут быть уменьшены; практически полностью исключаются проблемы, связанные с гидроударами, кавитацией и эрозией в трубопроводах (данные проблемы характерны для двухфазных потоков пар/конденсат).

Площадь греющих поверхностей предварительного подогревателя рассчитывается, исходя из доступного для утилизации количества «вторичного тепла» и требуемой выходной температуры конденсата.

Если Вы хотите улучшить тепловой баланс Вашего предприятия посредством снижения тепловых потерь, то специалисты GESTRA всегда готовы обсудить с Вами существующие проблемы и разработать детальный план мероприятий, удовлетворяющий конкретно. Ваши требования. Естественно, мы также поставим Вам всё необходимое оборудование и проведем шеф-монтажные и пуско-наладочные работы.

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

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.

Из всех видов потребляемой в химической промышленности энергии первое место принадлежит тепловой энергии. Степень использования тепла при проведении химико-технологического процесса определяется тепловым К.П.Д.:

где Q т и Q пр соответственно количество тепла, теоретически и практически затрачивае­мого на осуществление реакции.

Использование вторичных энергетических ресурсов (отходов) повышает К.П.Д. Энергетические отходы используются в химических и других отраслях промышленности для различных нужд.

Особенно большое значение в химической промышленности имеет утилизация тепла продуктов реакций, выходящих из реакторов, для предварительного нагрева материалов, поступающих в эти же реакторы. Такой нагрев осуществляется в аппаратах, называемых регенераторами, рекуператорами и котлами-утилизаторами. Они накапливают тепло отхо­дящих газов или продуктов и отдают его для проведения процессов.

Регенераторы представляют собой периодически действующие камеры, заполненные насадкой. Для непрерывного процесса необходимо иметь, по крайней мере, 2 регенера­тора.

Горячий газ сначала проходит через регенератор А, нагревает его насадку, а сам охлажда­ется. Холодный газ проходит через регенератор Б и нагревается от ранее нагретой на­садки. После нагрева насадки в А и охлаждения в Б заслонки перекрывают и т.д.

В рекуператорах реагенты поступают в теплообменник, где нагреваются за счёт те­пла горячих продуктов, выходящих из реакционного аппарата, и затем подаются в реак­тор. Теплообмен происходит через стенки трубок теплообменника.

В котлах-утилизаторах тепло отходящих газов и продуктов реакции используют для получения пара.

Горячие газы движутся по трубам, размещённым в корпусе котла. В межтрубном про­странстве находится вода. Образующийся пар, проходя влагоотделитель, выходит из котла.