Системы утилизации тепла. Бесплатное отопление супермаркетов

В программе комплексного использования (утилизации) углеотходов достаточно перспективной является проблема утилизации тепловых выбросов.

Разработка способов и средств борьбы с тепловыми загрязнениями окружающей среды и утилизация тепловой энергии актуальны. В отрасли затраты на топливо и энергию в среднем составляют 30% общих затрат на добычу угля. В то же время единовременные затраты (капитальные вложения) на строительство утилизационных установок, отнесенные к 1 т сэкономленного топлива, в 2--2,5 раза меньше, чем расходы на добычу первичного топлива. По оценкам специалистов эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2--3 раза выше чем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Себестоимость тепла от утилизационных установок в 4--6 раз ниже, чем от энергосистем, и в 8--12 раз ниже, чем от собственных котельных отрасли.

Однако повышение уровня использования вторичных энергетических ресурсов сдерживается из-за отсутствия специального утилизационного оборудования и энергосберегающих технологий.

Использование тепловых выбросов получает все большее распространение и рассматривается как часть проблемы использования побочных или вторичных энергетических ресурсов. Отходами некоторых производств являются пары, газы, горячая вода, шлаки и другие выбросы, температура которых превышает температуру окружающей среды от нескольких градусов до 800°С, а в отдельных случаях и до 1000°С. В разнообразии температурных уровней, режимов выхода и характеристик выбросов разных производств заключена причина различного подхода к использованию тепловых выбросов. Наиболее распространена регенерация тепловых выбросов (возвращение теплоты в технологические процессы) или их утилизация для других целей.

Наиболее широко тепловые выбросы используются в черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, цветной металлургии и машиностроении. Широко изучаются возможности дальнейшего расширения их использования. Аппараты и технологии утилизации тепловых выбросов получили применение на предприятиях теплоэнергетики, на цементных заводах и других предприятиях.

В числе практических мероприятий по использованию сбросного тепла энергетических объектов можно назвать действующую в Москве опытно-промышленную теплицу с плоской водонаполненной кровлей, по которой стекает вода из градирни при температуре 32--42 °С. При расходе воды 100 дм3/м2*ч температура в теплице поддерживается на уровне 22--24°С.

Изучаются возможности использования сбросов тепловых и атомных электростанций для орошения подогретой водой сельскохозяйственных угодий, продления навигации на замерзающих реках, для опреснительных установок и т. п.

Ряд организаций разрабатывает теплоиспользующие холодильные машины, теплообменники с использованием низкокипящих рабочих тел и другие установки, направленные на утилизацию низкотемпературных (менее 150°С) газообразных и жидких выбросов предприятий химической, пищевой и перерабатывающей промышленности.

Низкопотенциальное тепло, сбрасываемое технологическими установками, может быть использовано в опреснительных установках, установках кондиционирования для теплоснабжения, а в сельском хозяйстве -- для орошения водой с более высокой температурой, что оказывает положительное влияние на урожай, для продления навигации и т.д.

Все более интенсивно изучаются возможности использования тепловых выбросов коммунально-бытового хозяйства. Важным практическим решением этих задач является сооружение заводов по сжиганию коммунально-бытовых отходов, где предусматривается комплексное использование теплоты и всех негорючих отходов.

В настоящее время значительная часть предприятий и коммунально-бытовых потребителей используют тепловую энергию в виде горячей воды, воздуха, газов и пара.

Непроизводительный расход тепловой энергии большинством потребителей связан с недостаточным учетом этого фактора при конструировании, с потреблением тепловой энергии более высоких, чем нужно, параметров и отсутствием четкого регулирования потребления, не предусмотрено полное использование теплоты, получаемой с нагретой водой, воздухом или паром. Одними из факторов экономии тепловой энергии являются использование надежной тепловой изоляции и поддержание ее в исправности. Широкие возможности снижения тепловых выбросов в промышленности возникают, если их использовать в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Значительная экономия тепловой энергии возможна за счет улучшения эксплуатации теплопотребляющих установок и их усовершенствования, а в жилищно-коммунальном секторе -- за счет оптимизации тепловых режимов сетей теплоснабжения, улучшения теплового конструирования зданий, сокращения теплопотерь, а также за счет других мероприятий, в том числе использования термотрансформаторов -- тепловых насосов.

Велики резервы экономии энергоресурсов за счет утилизации тепла вентиляционных выбросов. Использование этого источника экономии в первую очередь зависит от обеспеченности предприятий соответствующим оборудованием. Для решения этого вопроса, в частности, предусматривается организовать производство новых видов теплоутилизационного оборудования для системы вентиляции промышленных и общественных зданий и сооружений, включая вращающиеся и пластинчатые утилизаторы с тепловыми трубами, утилизаторы с промежуточными теплоносителями и др. Вносятся необходимые изменения в строительные и технологические нормы и правила по проектированию и строительству промышленных и общественных зданий и сооружений, что позволит обеспечить широкое применение теплоутилизационного оборудования в системах вентиляции и отопления.

При утилизации теплоты отходящих газов могут происходить нагревание воздуха или воды и последующая их подача в системы вентиляции и водяного отопления.

Одним из видов вторичных энергоресурсов на промышленных предприятиях является вода, ассимилирующая теплоту от технологического оборудования (в том числе от воздушных компрессоров) и охлаждаемая затем в системах оборотного водоснабжения, Потребителями низкотемпературной теплоты могут быть системы вентиляции, воздушного отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения.

В последнее десятилетие во многих странах мира большое внимание уделяется созданию и внедрению тепловых насосов. Особая важность этой проблемы определяется весьма крупными масштабами возможной экономии энергоресурсов. Тепловые насосы позволяют утилизировать низкопотенциальную энергию практически любых промышленных и бытовых тепловых выбросов. При этом сам тепловой насос является полностью или в значительной степени экологически чистым источником энергии. Наиболее перспективно внедрение тепловых насосов в пищевой промышленности. Здесь крупными потребителями тепловой энергии являются, например, чайные фабрики, где проводится термическая обработка зеленого листа чая -- завяливание и сушка.

Эффективная система введена в строй на одном из сыромаслозаводов недалеко от Тбилиси. Теплонасосная установка здесь заменяет как холодильную установку с градирней, так и котельную. Отбираемое от охлаждения тепло идет на пастеризацию молока.

Еще одно направление -- санитарно-курортное хозяйство. В качестве первого опыта тепловые насосы установлены в популярной здравнице Гагра. Там, как и на других курортах Черноморского побережья Грузии, котельные на угле и мазуте из экологических соображений уже давно были заменены электрокотлами. Но теперь им предстоит уступить место теплонасосным установкам, потребляющим в три-четыре раза меньше электроэнергии.

В настоящее время разработана программа перевода всей чайной промышленности Грузии, а также ряда санаториев на теплонасосную систему теплохладоснабжения. Ее эффективность с точки зрения сбережения энергоресурсов несомненна. Кроме того, она обладает и другим, чрезвычайно важным достоинством -- полностью исключается тепловое и химическое загрязнение окружающей среды.

Использование тепла сточных вод систем канализации для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов дает возможность экономить природное топливо и не загрязнять окружающую среду вредными выбросами при сжигании его в традиционных котельных.

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий применяются тепловые насосы парокомпрессионного типа с использованием низкопотенциального тепла сточных вод канализации.

Институтом ВНИИОСуголь определены возможные области эффективного использования тепловых насосов в угольной и горнорудной промышленности, а также источники получения тепла: компрессорные и вентиляторные установки, шахтные и сточные воды.

На основании проведенных исследований разработана природоохранная энергосберегающая технология охлаждения шахтных компрессоров с утилизацией теплоты оборотной воды с помощью тепловых насосов.

Технология предназначена для охлаждения и утилизации тепла оборотной воды стационарных шахтных компрессорных установок. Принцип действия основан на использовании холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса, для охлаждения оборотной воды и передачи трансформируемого тепла этой воды потребителю. Горячая вода, полученная при утилизации бросового тепла, может быть использована для подпитки котлов, бытовых нужд, в тепличном хозяйстве, в системе отопления зданий.

Утилизация тепловых выбросов в угольной промышленности страны представляет собой яркий пример решения средозащитной проблемы, которое обеспечивает комплексный социально-экономический эффект, проявляющийся в повышении эффективности общественного производства и уровня жизни населения. В основе этого решения лежит создание таких энергосберегающих технологий, устройств и мероприятий, внедрение которых не требует больших капитальных вложений, а широкое их использование обеспечивает значительный экономический эффект, одновременно способствуя снижению экологической напряженности.

Cтраница 1

Утилизация низкотемпературной тепловой энергии в конденсаторах паровых установок и теплообменных аппаратах газовых установок принципиально может рассматриваться как одна из возможных областей применения термоэлектричества.  

Утилизация тепловой энергии уходящих газов котельных, дизельных и газотурбинных установок, регенерация тепловой энергии последних, получение нагретой воды в контактных водонагревателях, испарительное охлаждение и гигроскопическое опреснение воды, тепловлажностная обработка воздуха и мокрая очистка газов - вот далеко не полная область применения контактных аппаратов. Это объясняется, во-первых, простотой их конструкции и незначительной металлоемкостью по сравнению с рекуперативными поверхностными теплообменниками, возможностью изготовления из неметаллических материалов; во-вторых - повышением эффективности установок за счет более полного использования тепловой энергии, возможности улучшения параметров термодинамического цикла, регулирования расхода рабочего тела, внутреннего охлаждения или нагревания установки; в-третьих, - возможностью создания новых установок и их технических систем, обеспечивающих сокращение расхода топлива, воды, материалов, увеличение мощности и производительности, улучшение условий труда и уменьшающих загрязнение окружающей среды. Далеко не полностью еще раскрыты возможности использования процессов тепло - и массообмена в контактных аппаратах энергетических и теплоиспользующих установок. Этому способствует существующий чисто эмпирический подход к расчету, не позволяющий выявить внутреннюю связь физических явлений в сложных процессах тепло - и массообмена, отразить эту связь в расчетных зависимостях и использовать в практической деятельности.  

Установка предназначена для утилизации тепловой энергии сбросного (отработавшего) пара из автоклавов в действующем производстве силикатного кирпича. Автоклавная обработка кирпича-сырца насыщенным водяным паром является завершающей стадией при изготовлении силикатного кирпича, потребляющей значительное количество энергоресурсов. В связи с этим вопрос обеспечения более полного использования тепловой энергии отработавшего пара после автоклавов и рекуперации образующегося конденсата является актуальной задачей.  

Наиболее часто встречающиеся схемы утилизации тепловой энергии отходящих газов поршневых двигателей включают оборудование для производства пара с давлением до 15 кг / см, или горячей воды с температурой до 100 С, или прямое использование тепла отходящих газов в процессах сушки.  

Это позволило примерно удвоить утилизацию тепловой энергии и довести ее до 22 млн. Гкал в 1985 г. Реконструкция блоков теплообмена на 12 действующих установках первичной переработки нефти и модернизация технологических печей позволили сэкономить в одиннадцатой пятилетке почти 1 млн. т условного топлива. За счет использования в качестве топлива дополнительного количества нефтезаводского газа, который пока сжигается в факелах, а также внедрения 450 совершенных воздухоподогревательных устройств сэкономлено 0 5 млн. т условного топлива. За годы одиннадцатой пятилетки в отрасли сэкономлено около 900 млн. кВт - ч электроэнергии, 1 8 млн. т условного топлива.  

Эти блоки (рис. 3.49) предназначены для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии вентиляционных выбросов за счет конвекции в блоках теплоутилизаторов, использующих в качестве теплоносителя водные растворы гликоля и этиленгликоля различных концентраций.  

Наряду с преимуществами метод сжигания нефтешламов имеет ряд недостатков, основными из которых являются сложность утилизации тепловой энергии, громоздкость оборудования, загрязнение атмосферы, что не всегда позволяет сделать вывод о нецелесообразности использования данного метода.  

Описываемая схема установки использования тепла сбросного пара и рекуперации конденсата позволяет в полном объеме высокоэффективно осуществлять утилизацию тепловой энергии сбросного пара и возвратить образующийся конденсат для повторного его использования как в технологическом процессе, так и в замкнутой системе водоснабжения для получения насыщенного пара на котельной установке.  

Ведение технологического процесса на особо сложных установках различных систем для раздельного и одновременного сжигания жидких, твердых и газообразных отходов химических производств, связанных технологически с утилизацией тепловой энергии и работающих на твердом, жидком или газообразном топливе.  

Ведение технологического процесса сжигания отходящих газов, природного газа, промышленных стоков, кубовых остатков и твердых отходов в печах сжигания разных конструкций с одновременным руководством аппаратчиками более низкой квалификации, а также обслуживание сложных установок различных систем для сжигания жидких, газообразных или твердых отходов химических производств, не связанных технологически с утилизацией тепловой энергии или химического сырья.  

Существует ошибочная точка зрения, что использование низкопотенциального тепла этого источника мало целесообразно. В то же время утилизация тепловой энергии пародистил-лятных фракций позволила бы значительно сократить расход оборотной (или прямоточной) воды, а также уменьшить тепловую мощность печей. Если лишь 50 % тепла, снимаемого в конденсаторах и холодильниках, использовать для предварительного подогрева сырья, то нефть с начальной температурой 10 С можно будет подогревать до 82 С.  

Нагрев холодной тюменской нефти, отобранной на головных сооружениях в одном из районов Татарии, и последующее ее-транспортирование в течение 10 - 180 мин. Отсюда следует, что обессоливание тюменской нефти при мягких режимных параметрах может быть осуществлено на пути ее движения к НПЗ и в тех случаях, когда эффект саморазогрева нефти при транспортировании будет устранен, но имеются резервы подлежащей утилизации тепловой энергии.  

При этом не только загрязняется воздушная среда, но и не используется образующаяся тепловая энергия. Ряд специалистов считает, что оно может быть оправдано только в том случае, если сочетаются утилизация тепловой энергии и очистка отходящих газов. Такой процесс происходит на мусоросжигательных станциях (заводах), которые имеют паровые или водогрейные котлы со специальными топками. Температура в топке должна быть не менее 1000 С, чтобы сгорели все дурнопахнущие примеси. Однако перед выбросом в атмосферу газы следует очищать, например, с помощью электрических фильтров.  

С практической точки зрения следует отметить, что если известна конечная ступень технологии переработки и утилизации ПО, то их следует классифицировать, основываясь в первую очередь на этой технологии. Конечным этапом обезвреживания большинства неутилизируемых городских ПО (исключая особо токсичные, а также инертный строительный мусор и т.п.) в настоящее время является сжигание. Это подтверждается опытом централизованного обезвреживания ПО в таких странах, как Дания, Финляндия, ФРГ, Швеция и др. При такой технологии важно сгруппировать все отходы так, чтобы они органически вливались в ту или иную технологическую цепочку, ведущую к конечной цели - - термическому обезвреживанию отходов с утилизацией тепловой энергии и других полезных продуктов. Исходя из этого нужно выделить горючие и негорючие отходы, внутри которых, в свою очередь, также есть различия в свойствах, фазовом состоянии, способах обработки и т.п. Отдельно следует выделить такие отходы, которые могут взаимно нейтрализовать друг друга или служить, например, реагентами для обработки возникающих сточных вод. Отходы, содержащие в себе особо полезные компоненты, например цветные металлы, должны выделяться и обрабатываться отдельно, чтобы конечный продукт не смешивался с менее ценными шламами. Необходимо определить тепловой баланс между горючими и негорючими отходами, внутреннюю потребность в тепле станции централизованного обезвреживания, необходимость в дополнительном топливе или объем и пути утилизации избыточного тепла. Это должно определять характер анкет или бланков единовременного учета отходов.  

В наш век все более и более дорогих энергоресурсов огромное значение приобретает энергосбережение. для написаия данной статьи меня вдохновил именно тот . Здесь можно приобрести солнечную панель, которая по сути очень серьезно єкономит ваши средства. Энергосберегающие технологии внедряются везде: на предприятиях и в офисах, в частных домах и квартирах.

Энергосбережение в квартире

Энергосбережение в квартире включает в себя целый комплекс различных мероприятий: утепление стен, установка водных и газовых счетчиков, уменьшение использования электроэнергии, однако один способ сохранения тепловой энергии начал использоваться довольно недавно – утилизация тепла.

В наших квартирах, офисах и прочих помещениях практически всегда присутствуют вытяжки, позволяющие проветривать квартиры и увеличивающие скорость движения воздуха. Мало кто задумывается, но именно эти вытяжки являются одним из основных причин теплопотерь, ведь при работе вытяжки ежеминутно выдувается в воздух довольно большое количество относительно теплого воздуха, температурой 25-30 градусов, который можно использовать для вторичного использования и уменьшения теплозатрат. Для такой цели были разработаны различные системы утилизации тепла, позволяющие сократить количество утерянного тепла на 30-40% и, соответственно, повысить энергоэффективность.

Системы утилизации

Еще более весомые результаты показали системы утилизации тепла на дымоходных трубах. Вместе с дымом в каминах, дровяных и газовых печках уходит огромное количество тепловой энергии. Используя систему фильтров, возможно сохранить эту энергию и значительно увеличить коэффициент полезного действия от каминов и газовых печей.

Системы утилизации тепла используются и на промышленных объектах, где потеря тепловой энергии особо болезненна, с точки зрения экономических расходов предприятия. Особую популярность такие системы получили на теплоэлектроцентралях и крупных теплогенерирующих предприятиях. Система утилизации тепла на таком предприятии – один из важнейших системообразующих элементов предприятия, позволяющих поднять даже убыточное предприятие выше уровня рентабельности. Утилизация тепла активно используется также на атомных электростанциях нового поколения, где из кипящей воды, служащей охлаждающей жидкостью для реактора, выделяется определенное количество тепловой энергии.

Утилизация тепла

Довольно эффективно использование принципа утилизации тепла также и при охлаждении или кондиционировании помещения. Тепло, выделяющееся от работы холодильников или кондиционеров, можно утилизировать и использовать повторно по своему прямому назначению или превратив в электрическую энергию, тем самым снизив расходы на охлаждение помещений.

Утилизация тепла – одна из основ современного энергосбережения, позволяющая значительно уменьшить расходы домохозяйств, офисов и крупных промышленных предприятий. Системы утилизации помогут Вам сделать вашу энергетическую политику более грамотной и уменьшить расходы на потребление ценных энергоресурсов.

Зимы в России суровые, а потому к списку «примет народных» в эпоху индустриализации добавилась еще одна: если дренаж «парит», фланец подтекает, значит, технологические системы работают и не заморожены. Если нет, то, как говорится, «дело - труба» - придется систему отогревать и бороться с обледенением. В текущем столетии доступны куда более эффективные подходы к обеспечению работоспособности теплоэнергетических и технологических систем, но привычка снисходительно относиться к парящим дренажам и подтекающим фланцам осталась.

Между тем, в этом «теплоэнергетическом тумане» бесследно исчезают деньги - те, что были потрачены на выработку тепла. В условиях, когда тарифы на топливо и воду неуклонно растут, такое пренебрежение энергоресурсами - упущенная возможность в борьбе за эффективное производство.
Помимо пара к вторичным ресурсам относятся также и другие среды технологических процессов, такие как паровой конденсат после технологического оборудования и охлаждающая вода. В 8 случаях из 10 в моей практике (НПТ) на предприятиях не используется никак, а только требует дополнительных затрат на утилизацию.
О том, как трансформировать низкопотенциальное тепло в дополнительный источник экономии - эта статья.

Низкопотенциальное тепло: где искать и как использовать

В промышленности к низкопотенциальным обычно относят вторичные энергетические ресурсы, представляющие собой жидкости с температурой менее 100°С и газы с температурой ниже 300°С. На практике за верхний предел температуры для конкретного потребителя можно принять температуру источника, которая позволяет использовать его тепло на полезные цели с помощью простых, давно известных и относительно дешевых устройств - теплообменников. Нижний предел температуры источников НПТ может показаться удивительным, но современные компрессионные тепловые насосы могут извлекать тепло из атмосферного воздуха в зимнее время вплоть до температур -30°С. Совсем не «тепло», но может использоваться для отопления жилых домов и даже промышленных целей (например, отопления удаленных промышленных объектов, имеющих надежное электроснабжение и проблемы с отоплением). Диапазоны температур использования низкопотенциального тепла представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Пример организации схемы ступенчатого снижения давления и использования пара разных параметров.

На промышленном предприятии источники НПТ бывают «обычные», характерные для практически любого производства (теплота промышленных стоков, отработанный пар технологических агрегатов, теплота конденсата пара после технологического оборудования или поступившего в конденсаторы тепловых двигателей с турбоприводом, теплота, которая передается системе оборотного водоснабжения в результате охлаждения оборудования и обычно сбрасывается в атмосферу через градирни или напрямую в пруды-охладители) и «специфические», характерные для предприятий определенной отрасли или региона. Так, для нефтехимических и газоперерабатывающих предприятий, например, характерны потери отходящих дымовых газов технологических печей; отработанного пара от ректификационных колонн, вакуумных систем, нагревателей; и теплоты продуктовых потоков.

Как использовать это тепло? Все зависит от потребностей и задач, которые есть у вас на предприятии. Вариантов много:

• использовать для отопления, подогрева воды для подпитки технологических систем или ее предварительной деаэрации;
• возвращать НПТ в технологический цикл и использовать повторно в технологических процессах;
• использовать для теплоснабжения объектов, удаленных от источников дешевого топлива;
• получать электроэнергию с целью снижения затрат на ее покупку у стороннего поставщика или резервирования питания собственных нужд.

Результаты:

• сокращение затрат на топливо и, соответственно, первичную выработку тепла или электроэнергии;
• снижение затрат на покупку воды для подпитки технологических циклов, ее обработку в системах водоподготовки и подогрев ее до температур, необходимых по технологическим требованиям;
• снижение затрат на подпиточную воду оборотного водоснабжения (испаряется в градирнях);
• снижение выбросов СО 2 и оксидов азота за счет уменьшения количества сжигаемого топлива.

Технические решения

В настоящее время существует несколько принципиальных технологий для .

Теплонасосные установки (ТНУ)

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы используют для извлечения НПТ тепловые источники более высокого потенциала: горячая вода, пар, отходящие газы, прямое сжигание топлива.

Компрессионные тепловые машины (КТН) в режиме работы те-
пловых насосов (ТНУ)

Рисунок 2. Принцип действия компрессионного ТН

Принцип действия КТН основан на способности низкотемпературного хладагента при кипении в условиях низкого давления отбирать тепло от источника низкотемпературного тепла. Температурный диапазон работы подбирается за счет выбора конкретного рабочего тела и диапазона рабочего давления. Для специальных промышленных установок можно получить максимальные температуры порядка 120÷140°С с использованием «каскадных» схем подключения и соответствующих хладагентов. Отдельное перспективное направление - высокотемпературные ТНУ с использованием СО 2 с закритическими параметрами.

Абсорбционные тепловые машины в режиме работы тепловых насосов (АБТН)

Принцип действия АБТН основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру, чем раствор.

Наибольшее распространение получили абсорбционные тепловые машины, в качестве абсорбента использующие раствор бромида лития (LiBr). Установки обеспечивают нагрев воды до температур 60-90°С.

Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение воды (например, технологической) до температур 5-15°С независимо от температуры окружающей среды.

Рисунок 3. Принцип действия АБТМ

Установки с использованием ORC-цикла для получения электроэнергии

Главная отличительная особенность установок на базе органического цикла Ренкина (ORC) - применение органического рабочего вещества вместо водяного пара. Это повышает общий КПД теплового цикла на малых мощностях и при низкой температуре источника тепла по сравнению с классическим паровым циклом, так как температура кипения органического вещества меньше, чем у воды, а с другой стороны - ограничивает их использование на средних и больших мощностях.

Интерес к установкам с ORC значительно усилился с развитием энергетических источников на нетрадиционных видах топлива (отходы деревообработки, биотопливо), так как при их сжигании трудно обеспечить параметры теплоносителя на выходе установки, позволяющие эффективно использовать обычный пароводяной цикл.

Диаграмма 1 . Область эффективного применения установок с ORC-циклом

В настоящее время в рамках повышения энергоэффективности предприятий нефтехимической промышленности и других, применяющих в технологиях пар разных параметров, производится модернизация с заменой редукционно-охладительных установок (РОУ) на противодавленческие турбины. В качестве нижнего предела редуцирования при этом используется пар с давлением, пригодным для целей теплоснабжения. Однако потребление тепловой энергии на отопление носит сезонный характер и ограничивает возможности выработки электроэнергии турбин с противодавлением, снижая и экономическую эффективность. Применение ORC-установок позволило бы уйти от сезонной неравномерности и служить дополнительной поддержкой электропитания собственных нужд.

В последнее время указанные выше технологии все чаще используются в различных сочетаниях между собой. Например, когенерация - соединение установок выработки электроэнергии, в том числе с ORC-циклом, и оборудования для получения тепловой энергии нужных для потребителя параметров за счет утилизации низкопотенциального тепла .

Если тепловая машина в составе автономной установки электроснабжения спроектирована для работы как в режиме теплового насоса, так и в режиме «холодильника» - система генерации электроэнергии преобразуется в систему тригенерации с получением дешевой электрической энергии, тепловой энергии, а также холода.

Системы сбора и возврата конденсата на производственных предприятиях

Тепловая энергия, содержащаяся в конденсате пара после его использования в технологических цепочках предприятия должна максимально возвращаться для последующего использования. При этом сам конденсат - отличный источник для подпитки паровых технологических контуров энергопроизводящих установок, снижающий необходимость подготовки дополнительной воды.

Основные задачи при проектировании и эксплуатации систем утилизации низкопотенциального тепла

Увязать между собой имеющиеся источники НПТ и потребителей, варианты их использования с учетом потребностей на конкретном предприятии, обеспечив при этом экономическую эффективность проекта - сложная инженерная задача. Для ее решения разработка системы утилизации должна включать следующие этапы:

• проведение предпроектного обследования энергетической системы (сбор данных и составление энергетических балансов, инструментальное обследование),
• моделирование технологических процессов установок, эксплуатация которых приводит к максимальным энергетическим потерям (математическое моделирование, пинч-анализ),
• анализ ресурсных ограничений при использовании НПТ, разработка вариантов и выбор оптимальных решений,
• анализ экономических ограничений при использовании НПТ в условиях данного предприятия и разработка ТЭО.

Специфика проектирования и эксплуатационные особенности систем утилизации НПТ заключаются в том, что практические все они используют в своей работе низкокипящие хладагенты, т.е. фактически «холодильные» технологии. Неслучайно вопросы безопасности тепловых насосов включены в единый ГОСТ с холодильными машинами (ГОСТ EN 378-1-2014 Системы холодильные и тепловые насосы. Требования безопасности и охраны окружающей среды. Части 1-4). Опыт эксплуатации подобных технологий в России существенен.

Будущее технологии в России

Эффективность технологий утилизации низкопотенциального тепла не вызывает вопросов, поэтому они с каждым годом они все шире применяются во всем мире. Причины медленного внедрения их в России - экономические. Низкая стоимость энергоносителей и относительно высокая стоимость импортного оборудования обуславливают высокие сроки окупаемости «стандартных» проектов.

Однако практика показывает, что эффективная экономика проекта - это всегда вопрос индивидуального подхода и ответственного отношения исполнителя к проектированию системы и подбору оптимального оборудования и комплектующих. К тому же, сроки окупаемости сегодня рассчитываются исходя из действующих тарифов на энергоносители, тогда как грядущая либерализация тарифов на тепловую энергию, скорее всего, приведет к резкому росту энергетической составляющей в затратах предприятий.

Меньше других эта ситуация затронет те компании, которые уже сейчас начинают оптимизировать энергозатраты, в частности, благодаря повторному использованию низкопотенциального тепла.

Игорь Соколов
Ведущий эксперт компании «Первый инженер»

к.т.н. Барон В.Г., директор ООО «Теплообмен», г. Севастополь

В настоящее время вопросам энергосбережения уделяется все более пристальное внимание, все активнее изыскиваются различные варианты снижения энергозатрат, рассматриваются и реализуются, в том числе и с привлечением значительных средств, разнообразные схемы, призванные сократить потребление энергии. В то же время все еще остается скорее исключением, чем правилом отбор тепла от разного рода охлаждающих жидкостей с целью его последующего использования. В большинстве случаев это тепло (к сожалению, зачастую низкопотенциальное) в огромных количествах рассеивается в окружающую среду через градирни, системы разомкнутого водяного охлаждения и просто путем конвективного теплообмена с окружающим воздухом. В итоге происходит тепловое загрязнение окружающей среды, непродуктивно расходуются средства на создание таких, отметим - не дешевых, систем, и, главное, бесцельно тратится энергия, которую параллельно, зачастую для покрытия нужд того же потребителя, вырабатывают генерирующие мощности. Причин такого невнимания к источнику энергии в виде сбросного тепла разнообразных систем охлаждения достаточно много. При этом еще недавно основными были объективные причины - чрезвычайно большие массо-габаритные характеристики первичных средств съема тепла, т.е теплообменников, и их, в значительной мере обусловленная этим, высокая стоимость и сложность компоновки на объекте. Кроме того, сдерживающим фактором являлась дороговизна тепловых насосов, призванных превратить бросовое низкопотенциальное тепло, повысив его температурный уровень, в продукт, подлежащий дальнейшему использованию. С сожалением следует отметить, что на сегодня, несмотря на то, что среди этих причин уже практически нет объективных, процесс энергосбережения путем повторного использования рассматриваемого тепла остается на точке замерзания. Сейчас большинство причин не достаточно активного использования этих вторичных ресурсов лежит уже в субъективной плоскости. Это как косность мышления, так и отсутствие знаний о современных технических устройствах, способных эффективно решать такие задачи. В данном случае имеется ввиду, что уже существует возможность перевода низкопотенциальной тепловой энергии на более высокий температурный уровень с помощью тепловых насосов, а также, как первое условие этого, имеются высокоэффективные теплообменные аппараты для съема низкопотенциального тепла. Высокоэффективные теплообменные аппараты являются первым и непреложным условием потому, что для утилизации сбросного тепла необходимо в первую очередь осуществить его эффективную передачу от охлаждающей жидкости какому-то теплоносителю, от которого это тепло может быть затем передано либо непосредственно потребителю, если есть процессы, требующие тепла на низком температурном уровне, либо передано в цикл теплового насоса для повышения энергетического качества этого тепла. Отсутствие в прежние годы эффективных теплопередающих аппаратов, особенно для вязких жидкостей, наряду с отсутствием эффективных тепловых насосов объективно препятствовало энергосбережению путем утилизации сбросного тепла. На сегодня такие устройства существуют и рассмотрению одного из современных теплопередающих аппаратов, созданного специально для целей отбора низкопотенциального тепла от сложных в теплотехническом отношении сред - моторных масел, посвящена настоящая статья.

Эти аппараты созданы путем модифицирования под специфичные условия теплообмена с высоковязкими средами эффективных теплообменных аппаратов типа ТТАИ. Аппараты ТТАИ, созданные сотрудниками ООО «Теплообмен» с использованием опыта, накопленного в ходе многолетних работ по созданию теплообменников для нужд советского военно-морского флота, отличаются высокой эффективностью и исключительно малыми массо-габаритными характеристиками. Кроме того, по сравнению с аналогами они удобнее в обслуживании и, как правило, лучше компонуются на объекте. Однако весь комплекс вышеуказанных преимуществ в полной мере проявляется при работе этих аппаратов на невязких капельных жидкостях, для обеспечения теплообмена между которыми эти аппараты и создавались. Причина в том, что среди значительного количества новых технических решений, заложенных как в конструкцию, так и в технологию изготовления этих аппаратов, имеется целый ряд специфичных решений, обеспечивающих тонкий механизм воздействия на определенные слои движущийся жидкости на базе учета особенностей теплофизических свойств таких рабочих сред. Представляло практический интерес разработать на базе этих теплообменников легкие и компактные аппараты для высокоэффективного отбора тепла от охлаждающего различные машины и механизмы смазочного масла.

Для этого предприятием ООО «Теплообмен» были проведены работы по модификации серийно выпускаемых аппаратов ТТАИ с учетом особенностей поставленной задачи. Такой модифицированный теплообменник, предназначенный для отбора тепла от охлаждающей компрессор масляно-воздушной смеси, был испытан в октябре 2006г. на испытательном стенде НПАО «ВНИИкомпрессормаш» в составе компрессорной установки.

Испытанный теплообменный аппарат сохранил в себе все основные признаки теплообменников семейства ТТАИ, т.е. это кожухотрубный аппарат с тонкостенным корпусом, выполненным из высоколегированной нержавеющей стали аустенитного класса, в котором подвижно (с использованием принципа плавающих трубных решеток, причем обеих) размещен высококомпактный, плотно упакованный трубный пучок, собранный из особотонкостенных труб малого диаметра (6мм), расположенных по специальным образом выполненной разбивке. Трубные решетки пучка, на которых предусмотрено особое двухступенчатое уплотнение с вестовыми отверстиями, изготовлены по специальной технологии из композитных материалов. Теплопередающие трубки пучка, также из высоколегированной нержавеющей стали аустенитного класса, но кислотостойкой группы (благодаря иному составу и сочетанию легирующих элементов), имеют специальный, т.н. «термодинамически целесообразный», профиль.

Указанные конструктивно-технологические особенности теплообменников ТТАИ позволяют получать целый комплекс потребительских свойств, выгодно отличающих эти аппараты от аналогов и открывающих широкие перспективы, как с технической, так и экономической точек зрения, их применения для утилизации вторичных энергоресурсов.

Среди основных технических отличий можно назвать следующие.

Установка трубного пучка в корпусе по принципу обеих плавающих трубных решеток позволяет не только снять опасения по поводу возможного возникновения термических напряжений в цепочке «корпус - трубная решетка - трубчатка», но и радикально повысить ремонтопригодность аппарата, т.к. обеспечивается возможность при техническом обслуживании и ремонте извлечь трубный пучок из корпуса. Это позволяет, в случае возникновения такой необходимости, заменить трубный пучок на новый без демонтажа аппарата, не говоря уже о доступе для осмотра и очистки межтрубной полости.

Применение двухступенчатого уплотнения с системой водосборных канавок и вестовых отверстий на плавающих трубных решетках обеспечивает не только гарантированное исключение взаимопроникновения рабочих сред в этом месте (что особенно важно в случае отбора от смазочных масел тепла водой или незамерзающими хладоносителями), но и функциональное диагностирование состояния уплотнительных элементов, что позволяет планировать их замену, избегая аварийного останова.

Благодаря специальному профилю теплопередающих трубок достигается не только опережающий рост коэффициентов теплоотдачи по сравнению с ростом гидравлического сопротивления, но и, на известных режимах, эффект самоочистки. Целесообразность опережающего роста тепловой эффективности очевидна, но и наличие сопутствующего эффекта самоочистки является весьма существенным фактором, т.к. в процессе эксплуатации требования к охлаждающей жидкости зачастую не выдерживаются, в результате чего на теплопередающих поверхностях накапливаются различные отложения, снижающие эффективность отбора тепла, что отрицательно сказывается как на работе механизма, охлаждаемого маслом, так и на потребителях вторичных энергоресурсов.

Но одними из наиболее существенных преимуществ аппаратов ТТАИ являются их незначительные по сравнению с аналогами масоо-габаритные характеристики, что достигается благодаря взаимовлиянию и взаимодополнению ряда вышеперечисленных технических особенностей.

К сожалению, применение серийно выпускаемых теплообменников ТТАИ для решения задачи отбора низкопотенциального тепла от вязкой масляно-воздушной смеси не могло дать необходимых результатов ввиду наличия возможности возникновения байпасных токов масла и обусловленного этим снижения тепловой эффективности аппарата. Это обусловило выполнение доработок, которые должны были решить задачу обеспечения практически чистого поперечного обтекания трубок пучка потоком охлаждаемого масла при сохранении гидравлического сопротивления масляной полости теплообменника в достаточно жестко, для вязких сред, ограниченных пределах. В качестве допустимой верхней границы сопротивления была принята величина 10 м.в.ст., что более соответствует аппаратам, работающим на невязких средах, однако большее значение гидравлического сопротивления способно сделать экономически нецелесообразным утилизацию сбросного тепла, т.к. рост сопротивления теплообменника ведет к росту мощности, расходуемой на привод масляного насоса.

В ходе доработки были приняты два новых принципиально важных решения:

Трубки трубного пучка было решено сгруппировать в центральной части корпуса, оставив свободными проходы для перетока масла из одного отсека в другой;

Корпус теплообменника решено было сделать составным из секций, длина которых равна расстоянию между перегородками межтрубного пространства, а сами перегородки выполнить с целиком замкнутой периферийной цилиндрической поверхностью, на которую опираются обжимаемые секциями корпуса эластичные уплотнительные прокладки.

Группировка теплопередающих трубок в центральной части (см. рис.1), с одной стороны, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление масляной полости охладителя за счет снижения скорости движения масла в одном из самых зауженных сечений, в котором к тому же осуществляется разворот потока на 180 о и, с другой стороны, исключает из процесса теплообмена (и тем самым снимает необходимость учета при выполнении расчетов) трубки, которые обтекались бы потоком масла под углом атаки, отличным от прямого, да к тому же еще меняющимся от ряда к ряду.

Представленный на рис.2 аппарат в ходе натурных испытаний на испытательном стенде НПАО «ВНИИкомпрессормаш» в составе компрессорной установки показал фактические результаты, приведенные в табл.1.

Таблица 1

Анализ этих результатов показывает, что модифицированный аппарат ТТАИ полностью обеспечивает требования по эффективному отбору тепла от высоковязкой масляно-воздушной смеси.

Однако очевидно, что технические преимущества модифицированного теплообменника ТТАИ при всей своей привлекательности не могут являться основной целью создания такого аппарата. Основная цель - это создание компактного (с целью обеспечения возможности размещения на объектах, где ранее не предполагалась установка соответствующего теплообменника) и относительно не дорогого аппарата (чтобы энергетический выигрыш от использования вторичных ресурсов не был нивелирован затратами на приобретение и установку теплообменника). Для анализа этих характеристик было проведено сравнение описанного теплообменного аппарата с аналогами. Для осуществления такого сравнения в табл.2 приведены весовые, а также ценовые характеристики трех вариантов:

Пластинчатого теплообменного аппарата, выпускаемого в Украине;

Кожухотрубного аппарата российского производства;

Рассматриваемого в настоящей статье теплообменного аппарата из семейства ТТАИ.

Таблица 2

Следует отметить, что приведенные в табл.2 аппараты сравниваются на идентичные теплотехнические условия, при этом необходимо иметь ввиду, что если по аппарату ТТАИ теплотехнические характеристики получены в ходе натурных испытаний, то по аппаратам других двух позиций приходится опираться на их расчетные характеристики, сообщенные производителями (как показывает опыт, фактические характеристики нередко уступают расчетным).

В настоящее время выполняются работы по созданию типоразмерного ряда модифицированных теплообменных аппаратов ТТАИ, предназначенных для отбора сбросного тепла от высоковязких охлаждающих жидкостей. Завершение этой работы устранит последнее объективное препятствие на пути широкого использования вторичных энергетических ресурсов в виде сбросного тепла высоковязких жидкостей, охлаждающих работающие машины и механизмы.