Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

следует ql > 1ц, что определяет диапазон отопительного коэффициента 1<ц<оо. Здесь Цо - теплота, отводимая от окружающей среды. Чем выше значение ц, тем эффек­ тивнее ХНУ.

Основная причина, по которой ХНУ не имели широкого применения в мире в течение длительного периода, заключается в сочетании двух неблагоприятных фак­ торов, долгое время господствовавших во всех странах: невероятно (хищнически) дешевые энергоресурсы и относительная сложность механического оборудования. Мощный толчок применению ХНУ был положен нефтяным кризисом 1973 г. Целе­ сообразность использования ХНУ зависит от соотношения цен на топливо и элек­ троэнергию. Экономически эффективными они становятся при отношении цены кВт-ч электроэнергии к цене тонны условного топлива равном -(0,5 - 0,6), что пред­ ставляет соотношение цен джоуля электроэнергии к цене джоуля энергии топлива 4

5. Особенно эффективна ХНУ там, где между температурами теплоотдатчика и теплоприемника имеет место небольшая разность температур, что встречается весьма часто: сушильные процессы, выпарные процессы, ректификация, отопление и пр. В нашей стране известность в кругах специалистов ХНУ получили после выхода в 1931 году монографии /10/, но, по причине перекоса цен на энергоресурсы, значи­ тельного применения они еще не получили. С устранением диспропорции цен топ­ лива и электроэнергии ХНУ открываются широкие горизонты.

ХНУ могут иметь замкнутую и разомкнутую схемы. Разомкнутая схема ХНУ наиболее простая и применяется в тех случаях, когда возможно совместить непо­ средственно в одном теплотехнологическом агрегате теплоприемник и теплоотдатчик. Хакие ХНУ имеют другое название - термокомпресоры. Рассматриваются термокомпресоры в следующем разделе. Принципиальные схемы простейших ХНУ обоих типов даны на рис. 5.4. Полный поток энергии, подведенный потребителю от ХНУ, определяется значением отопительного коэффициента.

Рассмотрим энергобаланс системы теплоснабжения, состоящей из тепловой электростанции (ХЭС), линии электропередачи (ЛЭП) и ХНУ с приводом от элек-

140

тывается 37 - 46% электроэнергии. При передаче электроэнергии в электросетях страны теряется около 8-9% ее количества, что, в пересчете на энергию затраченно­ го топлива, составляет 4%. Далее, из 33 - 42% дошедшей до ТНУ энергии первич­ ного энергоресурса, затрачивается на привод вспомогательных механизмов и теря­ ется в электродвигателе до 5%. КПД котельных можно принять 80%. В этом случае, чтобы ТНУ обеспечила потребителя равным с котельной количеством теплоты, не­ обходимо значение ее отопительного коэффициента р > (2 -е- 2,4). Для ТНУ, которые сегодня могут использоваться, поток энергии, подведенный потребителю, оценивается 1,2-10 % по отношению к энергии топлива, сожженного на ТЭС для получения электроэнергии, необходимой для работы ТНУ, т.е. их отопительный коэффициент составляет величину ^ (3 - 4). Используя данные диаграммы рис. 5.3 возможно оце­ нить перспективу экономии топлива, требуемого для страны, только на отоплении.

Интересен вопрос типа привода компрессора теплового насоса. С точки зрения простоты эксплуатации, надежности, стоимости непосредственно привода предпоч­ тительным оказывается электропривод. Однако по затратам первичного энергоре­ сурса, ввозимого в страну, он значительно уступает альтернативному решению при­ вода от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). На рис. 5.6 показана принципиаль­ ная схема ТНУ с приводом от ДВС. Изменение привода сопровождается включени­ ем в контур теплоносителя двух теплообменников:

-радиатора двигателя внутреннего сгорания (РДВС) для утилизации теплоты охлаждения непосредственно двигателя;

-охладителя выхлопных газов (ОВГ), образующихся при его работе. Непосредственно тепловой насос остался прежним, что и в случае с электро­

приводом. Изменения касаются схемы нагрева теплоносителя. Часть теплоносителя, покинув конденсатор ТНУ, последовательно проходит сначала через радиатор сис­ темы охлаждения ДВС, далее через охладитель дымовых газов. Затем происходит смешение его с другой частью теплоносителя, прошедшего только через конденса­ тор ТНУ, и общий поток по трубопроводу с помощью насоса (Н) направляется по­ требителю. Последнему передается теплота трех процессов, проходящих парал­ лельно:

1) Ql - конденсации рабочего тела ТНУ;

142

при рассмотрении утилизационных тепловых насосов необходимо отметить ос­ ложняющие факторы: место и временные графики сброса и потребления теплоты, мощность сбрасываемых потоков и потребность в них, агрегатное состояние, за­ грязненность, агрессивность носителей сбрасываемой теплоты и пр. Остро стоит проблема рабочего тела, допускающего работу с температурами более высокими, чем те, что имеют место в варианте отопительной ТНУ. Рациональным решением, в этом случае, может быть сочетание ТНУ с теплообменником. Характерный пример такого сочетания приведен ранее при рассмотрении ТНУ с приводом от ДВС, когда в зоне высоких температур (охлаждение выхлопных газов) нагрев теплоносителя, подогретого уже в конденсаторе ТНУ, осуществляется непосредственно в теплооб­ меннике-охладителе газов.

Эффективность применения ТНУ повышается при их объединении с аккумуля­ торами теплоты, выравнивающими графики работы ТНУ, о чем речь пойдет ниже.

В заключение отметим, что парокомпрессионные ТНУ не являются единствен­ ным их типом. Возможны абсорбционные ТНУ, где используется явление сорбции (поглощения) одного вещества объемом другого. Сорбция используется для термо­ химического процесса сжатия рабочего тела, что позволяет заменить потребление высококачественной энергии первого ввда, необходимой для привода механическо­ го компрессора, на энергию второго вида, подводимую в форме теплоты сорбцион­ ных процессов. Особенно заманчиво применение абсорбционных ТНУ при наличии отработанных потоков теплоты и использовании их в качестве первичного теплоно­ сителя для “привода” ТНУ. Наряду с абсорбционными и компрессионными ТНУ мо­ гут быть воздушные, пароэжекторные и др.

Сегодня не вызывает сомнений, что в долговременной перспективе роль ТНУ будет непрерывно возрастать и они станут неотъемлемым элементом энергосистемы вообще и системы энергоснабжения любого объекта в частности.

5.2. Рекомпрессия пара, использование пароструйных компрессоров

Существует ряд теплотехнологий, которые объединяет наличие отработанного потока пара низкого давления. Сложность использования такого потока связана с

145

его низким давлением и, как неизбежное следствие этого, низкой температурой кон­ денсации, при которой затруднен поиск потребителя теплоте процесса конденсации пара. Проблему решает рекомпрессия (повышение давления пара), поскольку позво­ ляет пар снова использовать в технологическом процессе. Принципиальная схема осуществления рекомпрессии представлена на рис.5.4-6. Установки рекомпрессии относят к ТНУ, при этом, очевидна относительная простота соответствующей прин­ ципиальной схемы. Вместе с тем, как это часто случается, в процессе внедрения приходится сталкиваться со скрытыми проблемами, решение которых усложняет схему рекомпрессии. Следует отметить следующее:

1)прежде всего, необходимо совпадение графиков генерации и потребления ресур­ са, что, чаще всего, не соблюдается;

2)территориальная удаленность источника и потребителя пара недопустима, по­ скольку транспортировка пара, по ряду причин, на значительные расстояния не­ желательна;

3)утилизируемый поток пара должен быть свободным от загрязнений и достаточно сухим;

4)чаще всего приходится иметь дело с водяным паром, который в своей обыденно­ сти обладает уникальными свойствами, и не всегда привлекательными для тех­ нического применения. В конкретном случае, следует отметить два момента: крутой ход кривой упругости воды и чрезвычайную пологий ход пограничной кривой пара. Резкое изменение давления насыщения (крутой ход кривой упруго­ сти воды) приводит к тому, что в большинстве случаев начальное давление ре­ компрессии водяного пара оказывается ниже атмосферного давления, т.е. имеет место ва1^ м . Последний существенно осложняет установку, поскольку требу­ ются мероприятия по удалению воздуха, попадающего в поток из атмосферы че­ рез неплотности конструкции. Пологий ход пограничной кривой пара связан с чрезвьшайно большими значениями удельного объема пара воды и такими же размерами сечений для пропуска пара, что требует колоссальных размеров уст­ ройств сжатия. Нелинейное возрастание потерь трения с ростом размеров уста­ новки делает невозможным применение традиционных механических компрес­ соров.

146

Один лишь перечень трудностей применения рекомпрессии объясняет ограни­ ченность ее применения в прошлом подходе к структуре теплотехнологичесих сис­ тем. Изменение ситуации с ценой топлива приводит к необходимости реструктури­ зации оборудования, связанного с энергоиспользованием при проведении техноло­ гических процессов. Несовпадение графиков генерации и потребления имеет более глобальный характер в системе эффективного энергоиспользования и решается с помощью теплового аккумулирования энергии, о чем речь пойдет в следующем па­ раграфе. Загрязненность пара вынуждает переходить на использование ТНУ закры­ тых схем, рассмотренных ранее. Остановимся на вопросах влажности и низкого давления утилизируемого пара.

Поток влажного пара представляет механическую смесь насыщенной жидкости и насыщенного пара. Последние имеют плотности, которые для воды отличаются в десятки тысяч раз. Такое положение обеспечивает крайнюю неоднородность потока влажного пара по своей структуре, сопровождаемую термодинамическим несовер­ шенством (увеличением необратимых потерь) протекающих процессов и, что еще существеннее, невозможностью согласования скоростей столь разнородных потоков насыщенных пара и жидкости со скоростями движущихся частей устройств сжатия. В совокупности с другими факторами рассогласование скоростей жидкости и дви­ жущихся частей компрессора приводит к поломке последних. Наиболее подходят для рекомпрессии влажного пара роторные винтовые компрессоры, состоящие из двух находящихся в зацеплении винтов, имеющих сложные профили.

Между зубьями винтов образуются полости, которые заполнены сжимаемым веществом. При вращении винтов полости перемещаются в сторону нагнетания, пе­ ремещая заключенное в них вещество, что и обеспечивает сжатие последнего. Воз­ можность сжатия влажного пара обусловлено следующими свойствами роторного компрессора:

низкая скорость и плавность потока вдоль роторов; возможность достижения больших степеней сжатия в одной ступени;

стабильно высокое значение КПД в большом диапазоне нагрузки.

Однако, при пониженном давлении пара и сколь-нибудь значительных массо­ вых расходах утилизируемого потока пара механические устройства сжатия оказы­

147

в литературе струйные аппараты можно встретить под самыми различными на­ званиями: инжекторы, эжекторы, компрессоры, элеваторы, насосы и пр. С измене­ нием агрегатного состояния взаимодействующих сред, изменяются происходящие при этом взаимодействии процессы, что должно отражаться в классификации струйных аппаратов. С этих позиций все струйные аппараты разделяют на группы:

1)аппараты, в которых агрегатное состояние обоих сред одинаково. Это газо- (паро-) струйные компрессоры, эжекторы, инжекторы и насосы;

2)аппараты, в которых агрегатное состояние обоих сред различно и не изменя­ ется в процессе прохождения струйного аппарата. Это водо-воздушные эжекторы, струйные аппараты для пневмо- и гидротранспорта сыпучих ма­ териалов;

3)аппараты, в которых агрегатное состояние обоих сред различно, но изменя­ ется в процессе прохождения струйного аппарата так, что на выходе имеет место однофазный поток. Это струйные подогреватели и парожидкостные инжекторы. В первых рабочей средой является жидкость, а инжектируемой - пар, во вторых - рабочая среда является паром, инжектируемая - жидко­

стью.

Очевидно, что классификация струйных аппаратов и их применение выходит за рамки данного раздела и всей книги, тем не менее, приведем ее полностью. Для гра­ мотного специалиста будет полезным изначально иметь представление о возможно­ стях этих устройств.

Классификация струйных аппаратов производится и на основании других при­ знаков, прежде всего, по степени понижения давления рабочей среды (Р1/Р2) и сте­ пени повышения давления инжектируемой среды (рз/рг)- По изложенному признаку струйные аппараты с однофазными обоими потоками делятся на три группы:

1)струйные компрессоры, используемые для повышения давления пара или га­ за. Оба потока находятся в газообразном (паровом) состоянии. Степень по­ нижения давления рабочей среды (Р1/Р2) велика, степень повышения давле­

ния инжектируемой среды (рз/р2) умеренна (1,2 < рз/р2 2,5);

2)эжекторы, используемые для поддержания глубокого вакуума. Оба потока находятся в газообразном (паровом) состоянии. Степень понижения давле­

149