Утилизация теплоты продуктов сгорания. Утилизация теплоты Общие принципы работы аппаратов по утилизации тепла

Утилизация тепла отходящих дымовых газов

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значительное количество тепла. В мартеновских печах, например, из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80 % всего тепла поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах около 60 %. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, которая может быть выполнена принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу и воздуху (или только воздуху). Для достижения этой цели широко используют теплообменники рекуперативного и регенеративного типов, применение которых позволяет повысить к. п. д. печного агрегата, увеличить температуру горения и сэкономить топливо. При втором методе утилизации, тепло отходящих дымовых газов используется в теплосиловых котельных и турбинных установках, чем достигается существенная экономия топлива.

В отдельных случаях оба описанных метода утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновременно. Это делается тогда, когда температура дымовых газов после теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках. Так, например, в мартеновских печах температура дымовых газов после регенераторов составляет 750-800 °С, поэтому их повторно используют в котлах-утилизаторах.

Рассмотрим подробнее вопрос утилизации тепла отходящих дымовых газов с возвратом части их тепла в печь.

Следует, прежде всего, отметить, что единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом (единица физического тепла), оказывается значительно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива (единицы химического тепла), так как тепло подогретого воздуха (газа) не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Ценность единицы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент использования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов.

Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла. В это количество тепла входит не только тепло топлива , но и тепло подогретого воздуха или газа , т. е. .

Ясно, что при = const увеличение позволит уменьшить . Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степени утилизации тепла дымовых газов

где - соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт, или кДж/период.

Степень утилизации тепла может быть также названа к.п.д. рекуператора (регенератора), %

Зная величину степени утилизации тепла, можно определить экономию топлива по следующему выражению:

где I"д, Iд - соответственно энтальпия дымовых газов при температуре горения и покидающих печь.

Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономический эффект и является одним из путей снижения затрат на нагрев металла в промышленных печах.

Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической температуры горения , что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.

Повышение при приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить определенную величину , то повышение температуры подогрева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины , т. е. к снижению доли в топливной смеси газа с высокой теплотой сгорания.

Поскольку утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо целесообразно стремиться к максимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необходимо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда . Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит к очень незначительному выигрышу в экономии тепла.

Во всем мире и прежде всего в странах Западной Европы и США широко применяются технические решения, позволяющие снизить стоимость жизненного цикла холодильной установки. Это и применение электронных расширительных вентилей, и оптимизация давления конденсации в зависимости от температуры наружного воздуха, и установка давления всасывания холодильной машины в зависимости от нагрузки на нее, и управление компрессорами и вентиляторами конденсатора с помощью преобразователей частоты, позволяющих существенно уменьшить потребление энергии. В России активное внедрение подобных решений долгое время сдерживалось из-за заметно более низких, чем на Западе, цен на энергоносители, не позволявших окупить дополнительные капиталовложения в относительно короткий срок. Однако в последние годы технологии энергосбережения становятся все более и более актуальными и в нашей стране.

Системы утилизации тепла конденсации холодильной машины стоят особняком от перечисленных выше решений, поскольку позволяют экономить не электроэнергию, потребляемую непосредственно системой холодоснабжения, а дают возможность снизить затраты других систем, используемых на объекте.

Если рассматривать термодинамику цикла, то можно увидеть, что есть две основные возможности снять теплоту. Первая — использовать перегрев сжатого в компрессоре газа. Вторая — утилизировать теплоту конденсации хладагента.

При использовании перегрева сжатого газа в холодильном контуре устанавливается дополнительный теплообменник. В этом случае можно утилизировать до 20% всего тепла, сбрасываемого установкой. Так как температура хладагента в конце процесса сжатия может превышать 100 °C, среда (воздух или вода) нагревается до 80-90 °C.

При утилизации теплоты конденсации можно снять намного больше тепла, но тепла низкопотенциального, позволяющего нагреть воду или воздух лишь до 30 градусов.

Для чего может быть использовано утилизированное тепло? Наиболее очевидное применение — воздушное отопление зимой. В простейшем варианте установка имеет два параллельно установленных конденсатора, один — на улице (он работает в теплое время года), а второй — внутри помещения (он подогревает воздух в холода). В недорогом исполнении такое решение не имеет никакой регулирующей автоматики. Перевод из зимнего режима в летний производится вручную отключением соответствующего конденсатора, при помощи запорных клапанов. Более сложные варианты имеют один конденсатор, установленный в помещении, и систему, направляющую поток воздуха либо на улицу, либо внутрь помещения. Управление распределением потока может быть как ручным, так и автоматическим.

В настоящее время набирает популярность применение утилизированного тепла для подогрева воды, идущей на различные технические нужды.

Как правило, и для отопления, и для нагрева воды используют перегрев сжатого газа, так как температуры, которую можно получить при утилизации тепла конденсации хладагента, недостаточно. Использование перегрева газа позволяет нагреть воду до 40-50 °C и выше. В случае когда холодильная машина не обеспечивает нужной производительности или же не может работать постоянно, а емкости бака-аккумулятора для поддержания температуры недостаточно, применяют электрические нагреватели или газовые бойлеры.

Интересной разновидностью подобных систем являются каскадные установки с высокотемпературным тепловым насосом в качестве верхнего контура, который подогревает воду до 65-80 °C. Такая вода может использоваться для санитарной обработки поверхностей (при этой температуре погибает большинство бактерий), в химическом производстве. При большой потребности в горячей воде для промышленных нужд целесообразно применение систем с транскритическим циклом на СО 2 . Они менее эффективны по сравнению с традиционными, но позволяют нагревать воду до более высокой температуры.

Для применения систем утилизации тепла желательно, чтобы графики работы холодильной машины и потребности в горячей воде по возможности совпадали. Поэтому наиболее целесообразно использовать эти системы там, где холод вырабатывается постоянно. Например, на предприятиях пищевой промышленности, где горячая вода необходима для мойки помещений. Интересным представляется применение систем подобного рода на ледовых катках. Горячая вода здесь может использоваться для защиты грунта под охлаждаемой плитой от замерзания, а также для различных технологических нужд. Оценке экономической эффективности применения систем утилизации на промышленных предприятиях была посвящена статья в журнале «Мир климата» № 52.

Все больший интерес к подобным системам проявляют магазины и торговые сети. Еще бы — при относительно небольших дополнительных капитальных затратах системы рекуперации тепла позволяют обеспечить горячей водой целый супермаркет!

Интересен американский опыт использования теплоты перегрева конденсаторов молокоохладителей на фермах. Принципиальная схема установки показана на рис. 1. Вода, поступающая из водопровода, нагревается горячим газом и поступает в подогреватель, где ее температура увеличивается до требуемого значения. Эксплуатация таких установок в течение года позволила в три раза снизить расход энергии на нагрев воды. Особо заметный экономический эффект был получен там, где подогрев осуществлялся жидким топливом.

Следует отметить, что система утилизации тепла может быть установлена и на уже действующей холодильной машине. Так, канадская служба по вопросам энергетической эффективности The Office of Energy Efficiency (OEE ) опубликовала отчет о модернизации системы холодоснабжения кухни одного из крупных медицинских центров Канады. Линии нагнетания всех 10 компрессоров объединили в одну и установили на ней пластинчато-паяный теплообменник, в котором вода подогревалась с 10°C до 30°C и направлялась в газовый бойлер, где доводилась до необходимой температуры. Благодаря применению утилизации годовое потребление газа снизилось на 40%, срок окупаемости системы составил 2,3 года. В нашей стране успешный опыт модернизации действующей установки был осуществлен компанией «Простор-Л» на ледовой арене «Локомотив» в Ярославле. Система утилизации тепла, вырабатывающая горячую воду для технологических нужд, была установлена спустя полтора года после сдачи объекта в эксплуатацию. Благодаря ее применению расход горячей воды из городской сети сократился в десять раз, а сама система окупилась менее чем за два года.

Важно отметить, что системы утилизации тепла обычно выполняются по индивидуальным проектам под конкретную задачу. Крайне важно правильно подобрать все компоненты системы и без ошибок ее спроектировать. Теплообменник-утилизатор, как правило, имеет пластинчатую конструкцию, хотя на больших установках применяются и кожухо-трубные теплообменники. Если в конструкции предусмотрено наличие предконденсатора, необходим его точный подбор с целью недопущения конденсации хладагента. При использовании одновременно нескольких источников тепла, например, средне- и низкотемпературных центральных холодильных машин, важно предусмотреть такую их компоновку в машинном отделении, которая позволит обеспечить удобную прокладку трубопроводов для горячей воды и доступ к системам автоматики и запорной арматуре.

В качестве примера использования утилизации тепла в промышленности рассмотрим систему, которую применил один из лидеров холодильного бизнеса — компания ООО «Термокул» (г. Москва) (рис. 2). Горячая вода вырабатывается системой холодоснабжения камеры шоковой заморозки. Вода, получаемая в результате нагрева, используется для размораживания мяса, оттаивания камеры шоковой заморозки и мытья полов после завершения смены. Ее можно использовать и для других нужд. В данной системе на линии нагнетания перед основным конденсатором смонтирован предконденсатор (рис. 3), представляющий собой пластинчато-паяный теплообменник фирмы «Данфосс». Суммарное тепло перегрева горячего газа, выделяемое системой холодоснабжения на базе трех винтовых компрессоров Bitzer HSN 8571, составляет 450 кВт. Предконденсатор позволяет утилизировать до 400 кВт тепла. Вода, имеющая температуру 8 °C, нагревается до 40 °C с производительностью 11 кубометров в час, что позволяет полностью удовлетворить все технологические потребности. Для компенсации снижения производительности при отключениях компрессоров в системе установлен бак-накопитель объемом 3 кубических метра.

Применение такого технического решения позволяет экономить на электроэнергии и прокладке инженерных коммуникаций, что является очень важным для предприятия.

Статью подготовили Сергей Бучин и Сергей Смагин

• Холодильные машины и холодильные установки. Пример проектирования холодильных центров
• «Расчёт теплового баланса, поступления влаги, воздухообмена, построение J- d диаграмм. Мульти зональное кондиционирование. Примеры решений»
• Проектировщику. Материалы журнала "Мир климата"
  • Основные параметры воздуха, классы фильтров, расчет мощности калорифера, стандарты и нормативные документы, таблица физических величин
  • Отдельные технические решения, оборудование
  Что такое эллиптическая заглушка и зачем она нужна
Влияние действующих температурных нормативов на энергопотребление центров обработки данных Новые методы повышения энергоэффективности систем кондиционирования центров обработки данных Повышение эффективности твердотопливного камина
• Системы утилизации тепла в холодильных установках
Микроклимат винохранилищ и оборудование для его создания Подбор оборудования для специализированных систем подачи наружного воздуха (DOAS) Система вентиляции тоннелей. Оборудование компании TLT-TURBO GmbH Применение оборудования Wesper в комплексе по глубокой переработке нефти предприятия «КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ» Управление воздухообменном в лабораторных помещениях Комплексное использование систем распределения воздуха в подпольных каналах (UFAD) в сочетании с охлаждающими балками Система вентиляции тоннелей. Выбор схемы вентиляции Расчет воздушно-тепловых завес на основе нового вида представления экспериментальных данных о тепловых и массовых потерях Опыт создания децентрализованной системы вентиляции при реконструкции здания Холодные балки для лабораторий. Использование двойной рекуперации энергии Обеспечение надежности на стадии проектирования Утилизация теплоты, выделяющейся при работе холодильной установки промышленного предприятия Методика аэродинамического расчета воздуховодов Методика подбора сплит-системы от компании DAICHI Новый стандарт проектирования тепловой изоляции Прикладные вопросы классификации помещений по климатическим параметрам Оптимизация управления и структуры систем вентиляции Вариаторы и дренажные помпы от EDC Новое справочное издание от АВОК Новый подход к строительству и эксплуатации систем холодоснабжения зданий с кондиционированием воздуха Ваш выбор... Сопоставление фреоновых кондиционеров по техническим характеристикам Вибрационные характеристики вентиляторов Вентиляция на предприятиях общественного питания Новые приборы для вентиляции помещений с герметичными окнами Автоматика для систем вентиляции и кондиционирования SHUFT Система дистанционного контроля и управления параметрами технологических процессов от компании «Термокул» Бесплатный холод - реальность наших дней

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский Государственный Технический Университет»

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Выполнил: Студент Рябинина Е.А.

ЗФ курс III группа 19

Проверил: Консультант Чуркина А.Ю.

Самара 2010 г.

Введение

На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). К ним относятся уходящие газы различных котлов и технологических печей, охлаждаемые потоки, охлаждающая вода и отработанный пар.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности за счет ВЭР удовлетворяется боле 26 % потребности в тепле, в содовой промышленности – более 11 %.

Количество использованных ВЭР зависит от трех факторов: температуры ВЭР, их тепловой мощности и непрерывности выхода.

В настоящее время наибольшее распространение получила утилизация тепла отходящих производственных газов, которые почти для всех огнетехнических процессов имеют высокий температурный потенциал и в большинстве производств могут использоваться непрерывно. Тепло отходящих газов является основной состовляющей энергетического баланса. Его используют преимущественно для технологических, а в некоторых случаях – и для энергетических целей (в котлах-утилизаторах).

Однако широкое использование высокотемпературных тепловых ВЭР связано с разработкой методов утилизации, в том числе тепла раскаленных шлаков, продуктов и т. д., новых способов утилизации тепла отходящих газов, а также с совершенствованием конструкций существующего утилизационного оборудования.

1. Описание технологической схемы

В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высокую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходящих газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большему расходу топлива. Поэтому необходимо использовать тепло отходящих газов. Этого можно достигнуть либо применением воздухоподогревателя, нагревающего воздух, поступающий в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар, необходимый для технологических нужд.

Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемый двигателем воздуходувки.

Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важно предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура поверхности теплообмена ниже температуры точки росы; при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухоподогревателя, значительно охлаждается, содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует агрессивную слабую кислоту.

Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Одним из наиболее надежных способов защиты от коррозии является предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.

Источником теплоты, для повышения температуры насыщенного пара, является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвекционной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь и поступают в котел-утилизатор. На выходе из КУ насыщенный водяной пар поступает обратно на подачу в печь перегрева пара, а дымовые газы, охлаждаясь питательной водой, поступают в воздухоподогреватель. Из воздухопо-догревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы – в атмосферу.

2. Расчет печи

2.1 Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q р н. Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q р н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, но правилу аддитивности:

где Q pi н - теплота сгорания i-гo компонента топлива;

y i - концентрация i-гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q р н см = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м 3 .

Молярную масса топлива:

M m = Σ M i ∙ y i ,

где M i – молярная масса i-гo компонента топлива, отсюда:

M m =16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/моль.

кг/м 3 ,

тогда Q р н см, выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты расчета сводим в табл. 1:

Состав топлива Таблица 1

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

,

где n i C , n i H , n i N , n i O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

Содержание каждого компонента топлива, масс. %;

M i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М m - молярная масса топлива.

Проверка состава:

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L 0 , кг/кг, вычисляется по формуле:

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:

где L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент избытка воздуха,

L=1,25∙17,0 = 21,25 кг/кг.

Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

где ρ в = 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях,

м 3 /кг.

Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

где m CO2 , m H2O , m N2 , m O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m п. с = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2 ,

m п. с = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

где W ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W ф = 0),

Поскольку топливо – газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

где m i - масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м 3 ;

М i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный объем, м 3 /кмоль,

м 3 /кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; м 3 /кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:

V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2 ,

V = 1,38 + 2,75+ 13,06 + 0,70 = 17,89 м 3 /кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

кг/м 3 .

Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Средние удельные теплоемкости газов с р, кДж/(кг∙К) Таблица 2

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

где с CO2 , с H2O , с N2 , с О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t, кДж/(кг · К);

с t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

при 100 °С: кДж/(кг∙К);

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

Результаты расчетов сводим в табл. 3.

Энтальпия продуктов сгорания Таблица 3

При объективной оценке эффективности нужно учитывать разные режимы работы утилизатора: «сухой», «мокрый», неуправляемый, управляемый, оттайки и др., описанные в предыдущей статье (журнал С.О.К., №12/2010). В результате возможных ошибок, перечисленных ниже, можно получить фактическую эффективность и экономию теплоты существенно меньшую, чем по расчету, это может не устроить заказчика. Последний не намерен долго ждать окупаемости этого аппарата, отводя этому срок примерно два-три года.

Основные теплотехнические параметры утилизаторов теплоты и холода

В технических и частично экономических расчетах, при испытании теплоутилизационного оборудования используют различные и, в общем случае, многочисленные параметры, одни из которых применяют чаще, другие — реже. Среди этих параметров основными являются:

В вышеприведенных формулах использованы выражения, называемые водяными эквивалентами по наружному W н и уходящему W у воздуху, по циркулирующей воде или рассолу W w , по насадке W нас: W н = G н c в; W у = G у c в; W w = G w c w и W нас = М нас c нас. Все эти величины, кроме W нас, измеряют в кВт/°C, а величину W нас — в кДж/°С.

Отношение W нас к любому из эквивалентов (W н, W y , W w) характеризует инерционность процесса передачи теплоты от насадки к движущейся среде и измеряется в секундах.

Технико-экономическая эффективность применения теплоутилизации в СКВ и СВ

Задача обоснования эффективности теплоутилизации связана с учетом значительной стоимости оборудования, достигающей 30-50 % от стоимости приточной установки, разной продолжительности использования, тенденцией роста тарифов на тепловую и электрическую энергию, высокой платой за подсоединение к теплосети, высоких штрафов за превышение температурой обратной воды ее графика ТЭЦ, поэтому однозначного решения такая задача не имеет. По мнению А.А. Рымкевича и других специалистов, утилизация теплоты — важное вторичное мероприятие, которое нужно рассматривать и анализировать после того, как исчерпаны все первичные возможности снижения потребления теплоты за счет комплекса мероприятий.

Способы оценки эффективности утилизации теплоты

Существуют несколько способов оценки эффективности утилизации теплоты в том или ином аппарате. Первый способ оценки на основе коэффициента использования энергии как отношения получаемой в утилизаторе теплоты к затрачиваемой электроэнергии на преодоление сопротивления сред η э = Q т /N.

Будучи чисто энергетической характеристикой, он не учитывает стоимости аппарата и разные, к тому же возрастающие, тарифы за теплоту (по горячей воде или сопутствующей электроэнергии) и за электроэнергию, т.е. использует натуральные мгновенные показатели. Кроме того, получаемая в утилизаторе теплота всегда переменна в зависимости от начальной разности температур t у - t нi текущей эффективности и режима работы теплоутилизатора.

Второй способ оценки основан на эксергетическом КПД , учитывающем относительную эксергию теплоты, влаги и эксергию движущегося воздуха:

где E 1 и Е 2 — эксергия теплоты, влаги и эксергия удаляемого и приточного (наружного) воздуха; ΣE n — суммарная эксергия потребляемой электрической энергии в системе. По поводу этих коэффициентов В.Н. Богословский и М.Я. Поз справедливо заметили, что «...любой из указанных термодинамических показателей дает только представление о степени термодинамического совершенства процесса и не может служить основанием для принятия технического решения.» .

Третий способ оценки является более общим технико-экономическим показателем и характеризует ожидаемый срок окупаемости дополнительных капитальных затрат (впервые предложен для условий рынка английским физиком У Томсоном (1824-1907), более известным в нашей стране как теплофизик Кельвин ) в вариантах разного типа ТУ, их эффективности, стоимости и аэродинамического сопротивления:

Годовой экономический эффект [руб/ год] как разность приведенных затрат по сравниваемым вариантам систем с теплоутилизатором (2) и без него (1) является другим комплексным показателем:

где ΔC т.год — стоимость сэкономленной теплоты в горячей воде, паре, электроэнергии с учетом настоящих и перспективных тарифов на энергоносители, руб/год; ΔC э.год — стоимость дополнительного годового расхода электроэнергии на перемещение воздуха и воды через аппарат, руб/год; ΔK ту — капитальные затраты на утилизатор, его монтаж, наладку и управление, руб.; (Е н + 0,18) ΔK ту — отчисления от дополнительных капитальных затрат на амортизацию, ремонт, общеобъектные и прочие расходы 0,18ΔK ту [руб/год], в связи с применением теплоутилизатора и изменением типоразмера воздухонагревателя, а также с учетом нормативного коэффициента эффективности:

где r — норма дисконта, r = 0,10-0,15 ; Т ок — срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, год; ΔK вн — сокращение капитальных затрат на воздухонагреватель при уменьшении его рядности или полном отказе, руб.; ΔK прис — единовременные затраты на присоединение объекта к источнику теплоты, руб/Гкал или руб/кВт⋅ч.

В формуле должна быть учтена зависимость всех величин от конструкции утилизатора и его эффективности. Также среди составляющих эксплуатационных затрат следует учесть возможные штрафы ТЭЦ за превышение температуры обратной воды после воздухонагревателя.

Сводная номограмма для оценки эффективности современных теплоутилизаторов была разработана на основе соответствующих расчетов и представлена на рис. 1 в предположении неизменности коэффициента эффективности в течение неуправляемого режима работы аппарата. Эта номограмма построена в следующей последовательности. Предварительно по данным одного из производителей кондиционеров была оценена примерная удельная стоимость разных теплоутилизаторов (рис. 1а). Аналогично на этот график можно нанести данные об удельной стоимости теплоутилизаторов других производителей. Для конкретных условий (t y = 20 °C, t к = 10 °С) при разных θ ту построена граница режимов работы ТУ (правый квадрант на рис. 1) и определено удельное количество теплоты (на 1 кг/с нагреваемого воздуха при односменной работе).

Воспользуемся этими данными для оценки эффективности применения ТУ в климатических условиях города Санкт-Петербурга.

Оценить удельную экономическую эффективность применения теплоутилизатора, отнесенную к 1000 м 3 /ч нагреваемого наружного воздуха при его удельной стоимости K ту /L н = 40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч) в самом благоприятном случае, т.е при непрерывной работе системы

ΣQ ту.год = 24 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч), электронагреве по среднему (между дневным и ночным) тарифу c’э = 2 руб/кВт⋅ч, аэродинамическом сопротивлении аппарата ΔР в = 0,30 кПа; КПД вентиляторной установки η = 0,7, соответствующей дополнительной мощности на перемещение воздуха 0,12 кВт/(тыс. м 3 /ч):

дополнительном годовом расходе электроэнергии 1,05 тыс. кВт⋅ч/(год⋅тыс. м 3 /ч) ΔW э = 8766 х 0,12 = 1,05.

Сокращением затрат на воздухонагреватель при устройстве теплоутилизатора пренебречь. Платой за подключение данного нагревателя к теплосети и штрафом за превышение воздухонагревателем температуры обратной воды пренебречь. Срок окупаемости затрат Т ок принять равным трем годам. Определяем срок окупаемости дополнительных капитальных затрат, получаем один год:

Поменяем условия расчета, заменив электронагрев теплоносителем — горячей водой по тарифу с’ т = 1 руб/кВт⋅ч. Тогда срок окупаемости дополнительных капитальных затрат на устройство теплоутилизатора в тех же условиях будет равен 2,7 года:

Как видно, даже при данном тарифе на теплоту в горячей воде и при непрерывной работе системы в течение суток и года высокая удельная стоимость теплоутилизатора не позволяет рассчитывать на быстрый возврат (окупаемость) капиталовложений. Если применять менее эффективные (θ тy = 0,55-0,65), но зато более дешевые устройства, то, судя по повторяемости Δτ/Δt н, основной эффект может возрасти, т.к. его достигают не при низких, а при промежуточных наружных температурах (t н = -10...+10 °С).

Для более строгого расчета нужно принимать во внимание разную поверхность, рядность и стоимость основного воздухонагревателя и еще одного электрического, работающего в случае прекращения подачи теплоносителя во внеотопительный период при t н > 8 °С. Результаты экономического расчета повысят эффективность утилизации теплоты, если учесть высокую начальную плату за присоединение воздухонагревателя к тепловой сети или другому источнику.

Оценка эффективности применения утилизаторов

Проблеме оценки эффективности применения утилизаторов посвящено много публикаций. Все они по-разному подходят к методам вычисления эффекта, учитывая одни составляющие и не учитывая другие. Дадим оценку только некоторым, наиболее характерным публикациям. В статье использован традиционный, упрощенный, по нашему мнению, не совсем правильный и частный метод расчета срока окупаемости как результат деления стоимости теплоутилизатора на стоимость разности сэкономленной тепловой и перерасходованной электрической энергии. При этом в статье не указана эффективность аппарата и комплекс «эффективность/стоимость», кстати, переменный, зависящий от типа аппарата, его воздухопроизводительности, не учтены разные режимы работы, оттайка и возникающие перерасходы, плата за присоединение и др. Все это не дает представления о различии результатов расчета в разных условиях.

Что касается многообразных климатических условий, представленных в статье городами, где суткоградусы отопительного периода изменяются от 1500 до 12 000 сут-°С за отопительный период, то эту часть работы можно существенно упростить. Проведя небольшое исследование и представив его в координатах: относительный годовой расход утилизируемой теплоты в круглогодично неуправляемом аппарате — суткоградусы отопительного периода — можно получить практически линейную зависимость (рис. 2). Такая линеаризация делает избыточными многократные расчеты, приводимые в этой статье, а прямую для данных условий (L н, θ ту, ΔK ту) достаточно провести по трем-четырем точкам, соответствующим городам в разных климатических условиях.

Технико-экономическая оценка энергосберегающего оборудования

Технико-экономической оценке энергосберегающего оборудования посвящена статья , характерная в части возникающих вопросов и замечаний. Наибольшее внимание в ней уделено собственно методике анализа и вычислению коэффициента дисконтирования, имея ввиду отдаленный срок окупаемости. Однако расчеты показывают, что полная амортизация и окупаемость затрат на эти аппараты желательна за относительно короткий срок (один-три года). В ряде случаев, при дефиците теплоты на объекте и высокой плате за присоединение к источнику, утилизация не только обоснована, но и единственно возможна для нагревания наружного воздуха.

Не имея принятую в статье итоговую формулу для срока окупаемости теплоутилизатора, трудно представить, учтены ли в приводимых расчетах: возможный дефицит теплоты на объекте и реальная, постоянно растущая плата за подсоединение к источнику теплоты; принятая доля разности капитальных затрат, учитываемая в эксплуатационных затратах на амортизацию, ремонт, общеобъектные расходы (всего около 18 %).

Покажем на примере, что единовременная плата за подсоединение к тепловой сети соизмерима или даже превышает стоимость теплоутилизатора. Пусть удельная стоимость утилизатора ΔК ту ~ 30-40 тыс. руб/(тыс. м 3 /ч). Такому единичному расходу воздуха соответствует в средних условиях расчетная теплопроизводительность утилизатора и, соответственно, уменьшение мощности при подсоединении к ТЭЦ:

Это равносильно плате за подсоединение в размере

ΔК подс = 3,45 х 12 х 10 3 = 41,5 тыс. руб., если принять удельную плату:

В условиях этого примера оказывается, что плата за присоединение к ТЭЦ соизмерима или даже больше, чем стоимость теплоутилизатора, и поэтому речи о сроке окупаемости не идет.

Нельзя не обратить внимание в анализируемой статье на способ расчета годового расхода утилизируемой теплоты. Не оговаривая режим работы теплоутилизатора, авторы приняли его по умолчанию круглогодично неуправляемым. Приближенно-синусоидальное изменение t н (t) ошибочно построено не по средним значениям температур («норме»), а по максимальным и минимальным, т.е. имеет существенно завышенную амплитуду. Соответственно этому величина утилизируемой теплоты тоже завышена. Для Санкт-Петербурга, например, t н.min.cp = -8,1 °C , а расчетная зимняя температура t нрх = -26 °C. Аналогично в теплый период года t н.max.cp = 18,1 °С , тогда как расчетная летняя температура t нрт = 24,6 °С. Также, среднегодовая температура t н.ср.год = 4,4 °С далеко не равна полусумме принятых расчетных в холодное и теплое время года (-0,6 °С). Возражение вызывает неучет режимов работы и оттайки, приводящий к завышению расхода утилизируемой теплоты, и отсутствие учета переменной эффективности аппарата.

Эффективность конструкции утилизатора можно анализировать с точки зрения выбора: оптимальной поверхности F, рядности i или глубины насадки аппарата h. Обозначим относительную рядность или глубину аппарата как h в долях от той, при которой θ ту = 1, а количество теплоты Q ту = Q т.max . При приближенно экспоненциальной зависимости Q ту ≈ 1 - exp(-h) эффективность θ ту = 1 достигается при условии h = 4 (с точностью до 1 %). Примем, что годовой расход утилизируемой теплоты приближенно экспоненциально зависит от величины h (рис. 1а), тогда как стоимость утилизатора и его аэродинамическое сопротивление от h зависят приближенно линейно.

Тогда искомый срок окупаемости можно представить в виде (функции от безразмерного параметра h, имеющей следующий вид:

где a 1 , a 2 , a 3 , a 4 — некоторые корректирующие коэффициенты, принятые постоянными.

В результате вычисления производной, приравненной нулю, получаем, что оптимум (минимум T факт) соответствует случаю, когда h = 1, а эффективность теплоутилизатора q ту.опт = 0,63 (из свойств экспоненциальной функции). Вышеописанные зависимости иллюстрирует график на рис. 3, где показан приближенный характер изменения всех составляющих приведенных затрат и срока окупаемости дополнительных затрат на подсистему утилизации от относительной глубины h, относительной толщины d или относительной поверхности F насадки или пластин такого аппарата.

Сравнивая результаты приближенной оптимизации по формуле (14) с данными о характеристиках отечественных ВРТ при L = 5-38 тыс. м 3 /ч, δ = 0,2 м, v фр = 2,2 м/с, F/L = 300-425 м 2 / (м 3 /с), F/F фр = 490-660 м 2 /м 2 , получили при насадке из алюминиевой фольги расчетную эффективность θ ту = 0,77, при насадке из технического картона — θ ту = 0,65 (в последнем случае близко к оптимальной эффективности, вычисленной при вышеописанных допущениях). Более подробно зависимости, характеризующие экономический эффект для различных теплоутилизаторов при разной производительности, сменности работы и с разной насадкой, можно определить по данным .

К аналогичным выводам об оптимальной эффективности теплоутилизатора пришли авторы «Справочника» . В частности, они отмечают: «...Доведение эффективности утилизатора до величины, большей 0,65 при односменной работе и 0,75 при трехсменной, во всех случаях приводит к уменьшению экономического эффекта, т.к. сбережение теплоты при этом достигается за счет чрезмерного роста приведенных затрат на устройство и эксплуатацию утилизаторов и расхода металла. Наибольшее влияние на экономический эффект оказывает продолжительность работы системы — при трехсменной ее работе эффект резко возрастает. Рост эффекта при увеличении расхода воздуха объясняется в основном непропорциональным ростом удельных затрат на оборудование и занимаемую им площадь.» . В этом же справочнике указано, что по данным РПИ в климатических условиях Прибалтики для пластинчатого утилизатора СВ свинарника-откормочника оптимальная эффективность не должна превышать 0,50.

Продолжение в следующем номере.

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.