Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

тавливаются из веток обрезаемых деревьев и санитарной рубки деревьев (ЖКХ, лесхозы) (рис. 4.13);

–коммунальные и производственные отходы – сжигание в специализированных тепло-электростанциях (Waste-to-energy – technology (WtE)) (см. п. 2.4);

–отработанные масла, сжигание которых в специальных печах связано с выделением в атмосферу большого количества вредных

веществ (17 диоксинов (C12H4O2Cl4) и фуранов (C4H4O)). В Республике Беларусь фирмой «Интер-Блэйз» разработана новая технология сжигания отработанных масел, основанная на процессе эмульгирования масел с водой (5–10 % вода), разработаны для этих целей специальные горелки и другое оборудование (рис. 4.14). Технология, наряду с теплотехническими характеристиками, обеспечивает снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Рис. 4.14. Изготовление щепы из веток обрезаемых деревьев

Новые технологии использования ВЭР для производства тепла

иэлектричества. К таким технологиям относятся:

–газификация (производство метана, водорода, синтетического топлива из ВЭР);

–газификация в плазменной струе (производство обогащенного синтетического газа, включая водород);

261

–термическая деполимеризация (производство сырой нефти, которая может дальше проходить процесс очистки);

–получение горючих газов из биологических отходов микробиологическим способом и др. (рис. 4.15)

Рис. 4.14. Оборудование для сжигания отработанных масел

Рис. 4.15. Схема получения горючих газов микробиологическим способом

Использование избыточного давления. В магистральных газопроводах газ находится под давление 5,5–7,5 МПА. Для создания такого давления на компрессорных станциях затрачивается большое количество электричества (170 млн кВт/ч в год). Для подачи газа потребителям требуется снижение давления газа до 0,3–1,2 МПа.

262

При этом потенциальная энергия избыточно сжатого газа полностью теряется. Эта проблема решается использованием турбодетандерных генераторов электрической энергии.

Турбодетандером называется утилизационная (т. е. не потребляющая топлива) расширительная турбина, механически связанная с потребителем ее мощности, например электрогенератором, компрессором и т. п.

Как видно из рис. 4.16 в турбодетандере снижение давления осуществляется за счет инжектирования газа с меньшего в больший объем, что обеспечивает снижение его давления и вращение турбины генератора.

Рис. 4.16. Конструкция (а) и общий вид (б) турбодетандерной установки

В соответствии с экспертными оценками в Республике Беларусь возможна установка турбодетандерных генераторов общей мощностью 200–250 МВт. В настоящее время фирма «Газпром» разрабатывает проект строительства трех комплексов с общей мощностью 5 МВт, которые позволят вырабатывать более 30 млн кВт/ч электрической энергии в год.

4.4.3.Использование низкопотенциальной энергии ВЭР

Квторичным низко- (от +5 до +30 С) и среднепотенциальным источникам энергии (до 400 С) можно отнести:

263

–сбросную горячую воду от различного оборудования и агрегатов, использующих ее в качестве хладагента;

–продуктовые потоки (газы, пар и др.);

–уходящие газы средней температуры;

–вторичный и отработанный пар;

–конденсат и т. п.;

–тепло земли и водного бассейна (см. раздел. 2).

Как показывает отечественная и мировая практика, наиболее полное и экономически эффективное использование средне- и низкопотенциальных ВЭР промышленного производства осуществимо, в первую очередь, с помощью тепловых насосов, термокомпрессоров и трансформаторов теплоты.

Применение теплонасосных установок и трансформаторов для утилизации тепловых ВЭР и других местных низкотемпературных источников теплоты позволяет на 20–60 % снизить расходы топлива. Как показано в разделе 2 эти системы используют не только тепловые отходы производства, но и теплоту окружающего воздуха, грунта, воды рек, озер и других водоемов, сточных вод и коммунальных стоков и др. (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Схема использования теплоты коммунальных стоков с помощью теплового насоса

264

Низкопотенциальные тепловые отходы (отработанный и вторичный пар, теплый влажный воздух, конденсат и другие виды ВЭР) удобнее и экономичнее улавливать и преобразовывать с помощью термотрансформаторов (трансформаторов теплоты). Термотрансформаторы, кроме работы в режиме теплового насоса, могут повышать давление пара (повышающий термотрансформатор), «расщеплять» поток пара на потоки, имеющие бόльшее и меньшее давление (расщепляющий термотрансформатор), получать электроэнергию, используя низкопотенциальное тепло, и даже электроэнергию и холод без подвода тепла (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Схема адсорбционного термотрансформатора

Пароструйные термотрансформаторы (эжекторы). Аналогично турбодетандерам, принцип работы термотрансформаторов основан на использовании кинетической энергии потока пара. Пар повышенного давления поступает в сопло, расширяется, выходит из него с большой скоростью и, двигаясь вдоль оси пароструйного аппарата, создает эжектирующий эффект (рис. 4.19). Благодаря инжекции

ваппарат засасывается пар низкого давления, сжимается эжектором,

ик потребителю уже поступает пар среднего давления.

265

Всасывающая

камера

Диффузор

Рис. 4.19. Схема пароструйного термотрансформатора

Одно из эффективных направлений утилизации теплоты ВЭР – производство холода для предприятий, технологические процессы которых требуют его при различных температурах охлаждения. Наличием на предприятиях достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т. п. позволяет вырабатывать холод с помощью абсорбционных холодильных машин (рис. 4.20).

Пары хладагента

Охлаждающая вода Источник

тепла

Рис. 4.20. Схема работы (а) и общий вид (б) адсорбционной машины

В составе абсорбционной холодильной машины роль компрессора выполняется системой абсорбер-генератор. При этом процессы, связанные с работой компрессора, осуществляются с помощью раство-

266

ров, состоящих из двух или трех компонентов. В холодильной технике это, как правило, раствор (бинарный), состоящий из двух компонентов с различными температурами кипения при одинаковом давлении. Один компонент, с более низкой температурой кипения, является холодильным агентом, другой – абсорбентом (поглотителем).

Наибольшее применение в холодильной технике получили абсорбционные холодильные машины, работающие на растворах водааммиак (водоаммиачные), вода-бромистый литий (бромистолитиевые). В водоаммиачных холодильных машинах холодильным агентом является аммиак, в бромистолитиевых – вода.

4.4.4. Применение устройств на тепловых трубах

Тепловые трубы имели предшественника, так называемые трубы Перкинса. Трубы Перкинса – это бесфитильные тепловоды, в которых перенос тепла осуществляется также за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя – за счет сил гравитации. Эти устройства были изобретены Перкинсом в 1897 г. и успешно использовались сначала в хлебопекарном деле, а затем нашли и другие многочисленные области применения.

Термин «тепловая труба» впервые был использован в патенте Гровера, представленном от имени Комиссии по атомной энергии США в 1963 г.

Тепловая труба (ТТ) (рис. 4.21) представляет собой устройство, обладающее высокой эффективностью передачи теплоты. На внутренней стенке ее укреплен фитиль, сделанный, например, из капил- лярно-пористого материала. Труба заполняется небольшим количествомтеплоносителя(рабочейжидкости), послечегоизнееоткачивается воздух, и она плотно закрывается. Один конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь в результате охлаждения пар конденсируется и под воздействием капиллярных сил возвращается к горячему концу трубы. Поскольку теплота парообразования теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.

Тепловая труба позволяет транспортировать теплоту в различных направлениях, по любым прямолинейным и криволинейным каналам, поскольку фитиль (рис. 4.22), который смачивается в зоне

267

конденсации, будет всегда подавать теплоноситель в зону испарения. Круговорот теплоносителя в тепловой трубе совершается независимо от наличия сил тяжести.

Рис. 4.21. Схема работы тепловой трубы

отдача

тепла

источник

капиллярная тепла трубка структура

жидкость

а

б

Рис. 4.22. Схема (а) и конструкция (б) фитильной тепловой трубы

268

Эффективность работы тепловой трубы часто определяется с помощью показателя «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая тепловая труба, где в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 ºС, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь.

Теплопередающая способность тепловой трубы может быть очень большой. Так, в тепловой трубе, где в качестве рабочего тела используется литий, при температуре 1500 ºС в осевом направлении можно передать тепловой поток 10–20 кВт/см2.

Вкачестве теплоносителя могут использоваться ацетон, аммиак, фреоны, дифенильные смеси, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли.

Внастоящее время известны десятки разновидностей конструкций тепловых труб. Наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающимися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические тепловые трубы и др.

Наиболее характерными областями применения тепловых труб являются энергетика, машиностроение, электроника (охлаждение больших интегральных схем, рис. 4.23), химическая промышленность, сельское хозяйство. В каждой из этих отраслей они могут использоваться для утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов.

Рис. 4.23. Применение тепловых труб в электронике

Наибольшее применение ТТ находят при температуре ВЭР от 50 до 250 °С, поскольку в данном температурном диапазоне нет необходимости использовать дорогостоящие материалы и теплоносители.

Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами. Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) – разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносите-

269

лем. Появились они в начале 70-х гг. XX в., когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.

Для теплообменников целесообразны сравнительно дешевые конструкции тепловых труб, имеющие малые габариты и хорошие теплотехнические характеристики.

Взависимости от агрегатного состояния теплоносителей, омывающих испарительную и конденсационную зоны ТТТ, они разделяются на три типа:

1) газ–газ (воздух–воздух);

2) газ–жидкость;

3) жидкость–жидкость.

Теплоиспользующие аппараты первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных процессов, в системах отопления и вентиляции помещения, для кондиционирования воздуха, в агрегатах-утилизаторах животноводческих ферм и т. д.

Теплообменники второго типа (газ–жидкость) используются в условиях, исключающих взаимодействие газа и жидкости в широком интервале давлений и температур. Эти ТТТ могут быть применены как конденсаторы, нагреватели и охладители жидкостей, парогенераторы и т. д.

Втеплоиспользующих аппаратах типа жидкость–жидкость теплоотдающая и тепловоспринимающая среды являются жидкостями.

Применяются они в основном в химической промышленности и в атомной энергетике в условиях, когда исключается возможность взаимодействия теплоотдающей и тепловоспринимающей жидкостей в широком диапазоне давления и температуры.

Конструктивно теплообменники на тепловых трубах выполняются из набора тепловых труб (рис. 4.24). В ТТТ имеются зоны испарения и конденсации, в некоторых аппаратах еще и транспортная (адиабатная) зона, не участвующая в процессе теплообмена. Эти зоны могут иметь различные геометрические размеры, которые лимитируются возможностями тепловых труб по транспорту теплоносителя. Испарительная зона теплообменника находится в потоке теплоотдающей среды, а конденсация – в потоке тепловоспринимающей среды.

270