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.
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
В металлургическом производстве с целью утилизации тепла отходящих газов применяют рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. В этих устройствах использование тепла газов идет в двух направлениях.
1. Тепло отходящих газов расходуется на подогрев воздуха и газообразного топлива, затрачиваемых на отопление печи и, следовательно, снова возвращается в печь. В данном случае утилизация тепла газов непосредственно влияет на работу печи, повышая температуру в печи и увеличивая экономию топлива. Такое использование тепла наблюдается при применении рекуператоров и регенераторов.
2. Тепло газов в печь не возвращается, а используется на обогрев котлов-утилизаторов, в которых вырабатывается пар, характеризуемый высоким давлением и температурой. В этом случае установка котла-утилизатора за агрегатом прямо не влияет на его работу, но дает вполне определенный и значительный эффект по заводу в целом.
С теплотехнической точки зрения утилизация тепла отходящих газов приводит к следующему.
а) Экономия топлива. В топливных печах (в отличие от электрических) тепло получается в результате сжигания топлива за счет воздуха. В общее количество тепла, затрачиваемого на процесс, входит и так называемое физическое тепло топлива и воздуха, под которым понимается количество тепла, которым обладает топливо и воздух, будучи нагретыми до определенной температуры. Поскольку на нагрев металла до заданной температуры в конкретной печи требуется строго определенное количество тепла, то, очевидно, что чем выше доля физического тепла в общем тепле, тем ниже доля химического тепла топлива, т. е. тем меньше топлива надо затратить на нагрев.
Чем выше степень утилизации, то есть чем выше нагревается топливо и воздух и, следовательно, ниже температура дымовых газов, уходящих из рекуператора или регенератора, тем выше экономия топлива, так как большая часть тепла снова возвращается в печь.
б) Повышение температуры. Известно, что при сжигании топлива выделяется тепло, которое нагревает продукты сгорания до определенной температуры, называемой температурой горения.
Температура горения равна:
t = Qнр /Vпр * Ср * С
где Qнр - низшая теплота сгорания топлива, кДж / кг или кДж / м3;
Vпр - объем продуктов, образующиеся при полном сжигании единицы топлива, м3 / кг, или м3 / м3;
Ср - средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг * град), или кДж/ (м 3* град).
Если газ и воздух были подогреты до какой-либо температуры и, следовательно, обладали физическим теплом Qф, то это тепло тоже будет расходоваться на подогрев продуктов сгорания. Следовательно, в числителе надо прибавить Qф и тогда
Видно,что чем больше Qф (Qнр для каждого вида топлива есть величина постоянная), тем больше числитель и выше, следовательно, температура горения топлива.
в) Интенсификация горения топлива. Кроме экономии топлива и повышения температуры горения его, подогрев топлива и воздуха приводит к более интенсивному протеканию самих реакций горения топлива. Так, например, максимальная скорость горения водорода при подогреве со 100 до 400 градусов увеличивается более чем в четыре раза. При сжигании жидкого топлива процесс горения интенсифицируется за счет ускорения процесса испарения жидкого топлива и, следовательно, образования газообразной смеси.
СПОСОБЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ
Потенциальные возможности утилизации сбросной теплоты
Приблизительно половина всей тепловой и электрической энергии, расходуемой в промышленности, выбрасывается в виде отходящего тепла в воздушный и водный бассейны. Отходящее тепло выбрасывается из процесса при температуре превышающей температуру окружающей среды, поэтому оно обладает дополнительным тепловым потенциалом. По ценности отходящая энергия может классифицироваться по трем температурным диапазонам: высокотемпературный - выше 650 °С; среднетемпературный- 230-650 °С; низкотемпературный - менее 230 °С. Высокотемпературное и средне-температурное отходящее тепло используется для производства технологического пара, выработки электроэнергии, сушки, подогрева воздуха. Низкотемпературное тепло может быть использовано для отопления зданий, подогрева воды и воздуха.
Имеются четыре основные причины необходимости утилизации тепловой энергии:
1. Экономическая. Затраты на энергию становятся все более высокими, и утилизация отходящего тепла может значительно сократить общие издержки производства.
2. Обеспеченность тепловой энергией. Легко доступное отходящее тепло позволяет существенно снизить потребности предприятия в тепловой энергии.
3. Сбережение природных ресурсов страны. Путем утилизации тепла уменьшается потребность предприятий в дефицитных видах топлива, тем самым продляется срок их обеспеченности.
4. Экологическая. Утилизация сбросной теплоты снижает ее воздействие на экологию.
Методы утилизации отходящего тепла:
1. Непосредственная утилизация, например, для сушки или подогрева материалов при отсутствии каких-либо внутренних теплообменников.
2. Рекуперация, при которой отходящие газы и воздух, подвергаемый нагреву, разделяются металлической или огнеупорной теплообменными поверхностями. Передача энергии от одного потока к другому происходит непрерывно.
3. Регенерация, в ходе которой тепло отходящих газов передается теплообменному устройству, аккумулируется в нем в огнеупорных или металлических материалах и впоследствии служит для нагрева воздуха.
4. Утилизация с помощью котла-утилизатора, которая представляет собой одну из форм рекуперации с выработкой за счет тепла горячих отходящих газов технологического пара или горячей воды.
5. Совместное генерирование, при осуществлении которого совместно вырабатываются электрическая энергия и технологический пар.
6. Ступенчатое использование энергии, при котором вначале применяют энергию с наивысшими характеристиками, а затем все с более низкими параметрами для других связанных с этим процессов вплоть до того момента, когда эта энергия не будет иметь очень низкие параметры.
Потенциально возможные варианты применения отходящего тепла:
1) отходящие газы в диапазоне от средних до высоких температур могут использоваться для подогрева воздуха котлов с воздухонагревателями, печей с рекуператорами, сушилок с рекуператорами, газовых турбин с регенераторами;
2) отходящие газы в диапазоне от низких до средних температур могут использоваться для подогрева питающей котел воды при наличии экономайзеров;
3) отходящие газы и охлаждающая вода из конденсаторов могут использоваться для подогрева твердого и жидкого сырья в промышленных процессах;
4) отходящие газы могут использоваться для выработки пара в котлах-утилизаторах;
5) отходящее тепло может передаваться промежуточной среде при помощи теплообменников или котлов-утилизаторов, либо путем циркуляции горячих отходящих газов через трубы или каналы;
6) отходящее тепло может быть применено в абсорбционно-холодильном агрегате, для кондиционирования воздуха, и в тепловых насосах.
При выборе устройств для утилизации отходящего тепла должны учитываться:
а) температура отходящего тепла; б) интенсивность потока отходящего тепла; в) химический состав и наличие загрязняющих агентов в потоке отходящего тепла; г) необходимые температуры нагреваемых сред.
Затраты теплоты на подогрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80 % тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях - более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии
утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.
Также успешен опыт применения в административном здании в Москве установки утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.
При расположении приточных и вытяжных агрегатов на расстоянии более 30 м друг от друга система утилизации с насосной циркуляцией антифриза является наиболее рациональной и экономичной. В случае расположения их рядом возможно еще более эффективное решение. Так в климатических районах с мягкими зимами, когда температура наружного воздуха не опускаются ниже -7 °С, широко применяются пластинчатые теплоутилизаторы.
На рис. 1 показана конструктивная схема пластинчатого рекуперативного (теплоотдача осуществляется через разделительную стенку) теплоутилизационного теплообменника. Здесь показан (рис. 1, а) «воздухо-воздушный» теплоутилизатор, собранный из пластинчатых каналов, которые могут изготавливаться из тонкой листовой оцинкованной стали, алюминия и др.
Рисунок 1. а - пластинчатые каналы, в которых сверху над разделительными стенками каналов поступает вытяжной воздух L y , а горизонтально-приточный наружный воздух L п.н; б - трубчатые каналы, в которых сверху в трубках проходит вытяжной воздух L y , а горизонтально в межтрубном пространстве проходит приточный наружный воздух L п.н
Пластинчатые каналы заключаются в кожух, имеющий фланцы для присоединения к приточным и вытяжным воздуховодам.
На рис. 1, б показан «воздухо-воздушный» теплообменник из трубчатых элементов, которые могут быть также изготовлены из алюминия, оцинкованной стали, пластмассы, стекла и др. Трубы закрепляются в верхние и нижние трубные решетки, что формирует каналы для прохода вытяжного воздуха. Боковые стенки и трубные решетки образуют каркас теплообменника, с открытыми фасадными сечениями, которые присоединяются к воздуховоду поступления приточного наружного воздуха L п.н.
Благодаря развитой поверхности каналов и устройства в них турбулизирующих воздух насадок в таких «воздухо-воздушных» теплообменниках достигается высокая теплотехническая эффективность θ t п.н (до 0,75), и это является главным достоинством таких аппаратов.
Недостатком этих рекуператоров является необходимость предподогрева приточного наружного воздуха в электрокалориферах до температуры не ниже -7 °С (во избежание замерзания конденсата на стороне влажного вытяжного воздуха).
На рис. 2 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты вытяжного воздуха L у на нагрев приточного наружного воздуха L п.н. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного наружного L п.н и удаляемого вытяжного L у воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где энергия отепленного вытяжного воздуха L у передается холодному приточному L п.н.
Рисунок 2. Конструктивная схема приточного и вытяжного агрегатов с пластинчатым утилизатором, имеющим обводной воздушный канал по приточному наружному воздуху: 1 - воздушный фильтр в приточном агрегате; 2 - пластинчатый утилизационный теплообменник; 3 - фланец присоединения воздушного тракта поступления вытяжного воздуха; 4 - фильтр карманный для очистки вытяжного воздуха L у; 5 - приточный вентилятор с электродвигателем на одной раме; 6 - вытяжной вентилятор с электродвигателем на одной раме; 7 - поддон сбора из каналов прохождения вытяжного воздуха сконденсированной влаги; 8 - трубопровод отвода конденсата; 9 - обводной воздушный канал для прохода приточного воздуха L п.н; 10 - автоматический привод воздушных клапанов в обводном канале; 11 - калорифер догрева приточного наружного воздуха, питаемый горячей водой
Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора 2 холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на разделительных стенках установится температура, при которой на части поверхности каналов со стороны движения удаляемого вытяжного воздуха будет происходить конденсация водяных паров.
Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха L у, будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному к патрубку 8 трубопроводу отводится в канализацию (или бак-накопитель).
Для пластинчатого утилизатора характерно следующее уравнение теплового баланса переданной теплоты к наружному приточному воздуху:
где Q ту - утилизируемая приточным воздухом теплоэнергия; L у, L п.н - расходы отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, м 3 /ч; ρ у, ρ п.н - удельные плотности отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, кг/м 3 ; I y 1 и I y 2 - начальная и конечная энтальпия отепленного вытяжного воздуха, кДж/кг; t н1 и t н2 , с р - начальные и конечные температуры, °С, и теплоемкость, кДж/(кг · °С), наружного приточного воздуха.
При низких начальных температурах наружного воздуха t н.х ≈ t н1 на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон 7, а замерзает на стенках, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление проходу вытяжного воздуха. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.
Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха до t н.х ≈ t н1 ≈ -15 °С, воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух L п.н проходит, минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора 2.
Нагрев приточного наружного воздуха L п.н от t н.х до t п.н осуществляется в калорифере 11, питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме Q ту, вычисляемое по уравнению (9.10), равно нулю, так как через присоединенный теплоутилизатор 2 проходит только вытяжной воздух и I y 1 ≈ I y 2 , т.е. утилизация теплоты отсутствует.
Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника 2 является электрический предподогрев приточного наружного воздуха от t н.х до t н1 = -7 °С. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы холодный приточный наружный воздух в электрокалорифере нужно нагревать на ∆t т.эл = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрев приточного наружного воздуха при θ t п.н = 0,7 и t у1 = 24 °С составит t п.н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °С или ∆t т.у = 14,7 + 7 = 21,7 °С.
Расчет показывает, что в этом режиме нагрев в теплоутилизаторе и в калорифере практически одинаков. Использование байпаса или электрического предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.
Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов.
На рис. 3 показана принципиальная схема установки утилизации теплоты вытяжного воздуха X на нагрев приточного наружного воздуха L п.н с быстрым устранением обмерзания каналов 2 для улучшения прохода удаляемого воздуха через пластинчатый теплоутилизатор 1.
Воздуховодами 3 теплоутилизатор 1 соединен с трактом прохождения приточного наружного воздуха L п.н, а воздуховодами 4 с трактом прохождения удаляемого вытяжного воздуха L у.
Рисунок 3. Принципиальная схема применения пластинчатого теплоутилизатора в климате России: 1 - пластинчатый теплоутилизатор; 2 - пластинчатые каналы для прохода холодного приточного наружного воздуха L п.н и теплого вытяжного удаляемого воздуха L у; 3 - присоединительные воздуховоды прохода приточного наружного воздуха L п.н; 4 - присоединительные воздуховоды прохода удаляемого вытяжного воздуха L у; 5 - калорифер в потоке удаляемого воздуха L у на входе в каналы 2 пластинчатого теплообменника 1,6- автоматический клапан на трубопроводе подачи горячей воды G w г; 7 - электрическая связь; 8 - датчик контроля сопротивления воздушного потока в каналах 2 для прохода вытяжного воздуха L у; 9 - отвод конденсата
При низких температурах приточного наружного воздуха (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стенки пластинчатых каналов 2 теплота от вытяжного воздуха передается полностью теплоте, отвечающей уравнению теплового баланса [см. формулу (1)]. Снижение температуры вытяжного воздуха происходит с обильной конденсацией влаги на стенках пластинчатых каналов. Часть конденсата успевает стечь из каналов 2 и по трубопроводу 9 удаляется в канализацию (или бак-накопитель). Однако большая часть конденсата замерзает на стенках каналов 2. Это вызывает возрастание перепада давления ∆Р у в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8.
При возрастании ∆Р у до настроенной величины от датчика 8 через проводную связь 7 последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды G w г в трубки калорифера 5, установленного в воздуховоде 4 поступления удаляемого вытяжного воздуха в пластинчатый утилизатор 1. При открытом автоматическом клапане 6 в трубки калорифера 5 поступит горячая вода G w г, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха t y 1 до 45-60 °С.
При прохождении по каналам 2 удаляемого воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей и образующийся конденсат по трубопроводу 9 стечет в канализацию (или в бак-накопитель конденсата).
После оттайки наледей перепад давлений в каналах 2 понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.
Рассмотрим процесс утилизации теплоты на I-d диаграмме, представленный на рис. 4.
Рисунок 4. Построение на I-d-диаграмме режима работы в климате Москвы установки утилизации с пластинчатым теплообменником и размораживанием его по новому методу (по схеме на рис. 3). У 1 -У 2 - расчетный режим извлечения теплоты из вытяжного удаляемого воздуха; Н 1 - Н 2 - нагрев утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетном режиме; У 1 - У под 1 - нагрев вытяжного воздуха в режиме размораживания от наледей пластинчатых каналов прохождения удаляемого воздуха; У 1. раз - начальные параметры удаляемого воздуха после отдачи теплоты на оттаивание наледей на стенках пластинчатых каналов; H 1 -Н 2 - нагрев приточного наружного воздуха в режиме размораживания пластинчатого утилизационного теплообменника
Проведем оценку влияния метода размораживания пластинчатых теплоутилизаторов (по схеме на рис. 3) на теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты вытяжного воздуха на следующем примере.
ПРИМЕР 1. Исходные условия: В крупном московском (t н.х = -26 °С) производственно-административном здании в системе приточно-вытяжной вентиляции смонтирована теплоутилизационная установка (ТУУ) на базе рекуперативного пластинчатого теплообменника (с показателем θ t п.н = 0,7). Объем и параметры удаляемого вытяжного воздуха в процессе охлаждения составляют: L у = 9000 м 3 /ч, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6,2 г/кг (см. построение на I-d-диаграмме на рис. 4). Расход приточного наружного воздуха L п.н = 10 000 м 3 /ч. Размораживание теплоутилизатора производится методом периодического повышения температуры удаляемого воздуха, как это показано на схеме рис. 3.
Требуется: Установить теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты с использованием нового метода периодической оттайки пластин аппарата.
Решение: 1. Вычисляем температуру нагретого утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетных условиях холодного периода года при t н.х = t н1 = -26 °С:
2. Вычисляем количество утилизируемой теплоты за первый час работы установки утилизации, когда обмерзание пластинчатых каналов не повлияло на теплотехническую эффективность, но повысило аэродинамическое сопротивление в каналах прохождения удаляемого воздуха:
3. Через час работы ТУУ в расчетных зимних условиях на стенках каналов накопился слой инея, который вызвал повышение аэродинамического сопротивления ∆Р у. Определим возможное количество льда на стенках каналов прохода вытяжного воздуха через пластинчатый теплоутилизатор, образованного в течение часа. Из уравнения теплового баланса (1) вычислим энтальпию охлажденного и осушенного вытяжного воздуха:
Для рассматриваемого примера по формуле (2) получим:
На рис. 4 представлено построение на I-d-диаграмме режимов нагрева приточного наружного воздуха (процесс H 1 - H 2) утилизируемой теплотой вытяжного воздуха (процесс У 1 -У 2). Построением на I-d-диаграмме получены остальные параметры охлажденного и осушенного вытяжного воздуха (см. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.
4. Количество выпавшего из вытяжного воздуха конденсата вычисляется по формуле:
По формуле (4) вычисляем количество холода, затраченного на понижение температуры льда: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · ч. На образование льда затрачивается следующее количество холода:
Общее количество энергии, идущей на образование наледей на разделительной поверхности пластинчатых теплоутилизаторов, составит:
6. Из построения на I-d-диаграмме (рис. 4) видно, что при противоточном движении по пластинчатым каналам приточного L п.н и вытяжного L у воздушных потоков на входе в пластинчатый теплообменник наиболее холодного наружного воздуха по другую сторону разделительных стенок пластинчатых каналов проходит охлажденный до отрицательных температур вытяжной воздух. Именно в этой части пластинчатого теплообменника и наблюдаются интенсивные образования наледей и инея, которые будут перекрывать каналы для прохода вытяжного воздуха. Это вызовет повышение аэродинамического сопротивления.
Датчик контроля при этом подаст команду на открытие автоматического клапана поступления горячей воды в трубки теплообменника, смонтированного в вытяжном воздуховоде до пластинчатого теплообменника, что обеспечит нагрев вытяжного воздуха до температуры t у.под.1 = +50 °С.
Поступление горячего воздуха в пластинчатые каналы обеспечило за 10 мин оттайку замерзшего конденсата, который в жидком виде удаляется в канализацию (в бак-накопитель). За 10 мин нагрева вытяжного воздуха затрачено следующее количество теплоты:
или по формуле (5) получим:
7. Подведенная в калорифере 5 (рис. 3) теплота частично расходуется на растаивание наледей, что по расчетам в п. 5 потребует Q т.рас = 4,53 кВт · ч теплоты. На передачу теплоты к приточному наружному воздуху из затраченной теплоты в калорифере 5 на нагрев вытяжного воздуха останется теплоты:
8. Температура подогретого вытяжного воздуха после затраты части теплоты на размораживание вычисляется по формуле:
Для рассматриваемого примера по формуле (6) получим:
9. Подогретый в калорифере 5 (см. рис. 3) вытяжной воздух будет способствовать не только размораживанию наледей конденсата, но и увеличению передачи теплоты к приточному воздуху через разделительные стенки пластинчатых каналов. Вычислим температуру нагретого приточного наружного воздуха:
10. Количество теплоты, переданной на нагрев приточного наружного воздуха в течение 10 мин размораживания, вычисляется по формуле:
Для рассматриваемого режима по формуле (8) получим:
Расчет показывает, что в рассматриваемом режиме размораживания нет потерь теплоты, так как часть теплоты подогрева из удаляемого воздуха Q т.у =12,57 кВт · ч переходит на дополнительный догрев приточного наружного воздуха L п.н до температуры t н2.раз = 20,8 °С, вместо t н2 = +9 °С при использовании только теплоты вытяжного воздуха с температурой t у1 = +24 °С (см. п. 1).
Загрузка...