165

водит, в конечном счете, к значительному уменьшению экономии, как топлива, так и приведенных затрат.

, кг/с

, МПа

Рисунок 14.4 – Зависимость паропроизводительности

котла-утилизатора от давления генерируемого пара

14.3 Использование вторичных тепловых ресурсов на промышленном предприятии

Технологические процессы сопровождаются в ряде случаев значительными отходами, которые при использовании в других технологиях называются вторичными (или внутренними) ресурсами. Если эти отходы представляют интерес как источник энергии, то их называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР). Различают следующие ВЭР:

−горючие ВЭР (используется их теплота сгорания);

−ВЭР повышенного давления (используется их внутренняя энергия для совершения работы);

−тепловые ВЭР.

К тепловым ВЭР можно отнести горячие газы ВТУ и ДВС; водяной пар, отработавший в двигателях, и вторичный пар после технологического процесса;

166

горячая вода от различных охлаждающих устройств; производственный конденсат и др.

Понятие «вторичные энергетические ресурсы» (тепловые отходы) в известной мере имеет относительный характер. Если усовершенствование тепловой схемы промышленного предприятия позволит найти полезное применение части тепловых отходов в пределах данного производства, то эта энергия перестает быть отходом, т.е. ВЭР. Одним из наиболее популярных способов повышения эффективности использования теплоты топлива является регенерация (например, в ГТУ, в ПСУ, в промышленных печах), которая значительно снижает величину тепловых отходов. И только после этого можно рассматривать вопрос о дальнейшем использовании ВЭР. В любом случае при разработке схем использования тепловых отходов необходимо технико-экономическое обоснование предлагаемого решения.

Основной проблемой, возникающей при этом, является несоответствие графиков выдачи ВЭР и их потребления. Для выравнивания графика поступления пара к потребителям и устранения перебоев в их снабжении в схеме целесообразно устанавливать паровые аккумуляторы переменного давления

(см. пункт 14.2.2).

14.3.1 Использование вторичного пара и конденсата выпарной установки

Примером рационального использования вторичного пара и конденсата промышленной тепломассообменной установки является многокорпусная выпарная установка, схема которой с вариантом более глубокого использования энергии вторичного пара и конденсата рассмотрена в теме 2.

14.3.2 Компрессия вторичного пара выпарной установки

Во многих отраслях промышленности от различных пароиспользующих установок отводится значительное количество отработавшего или вторичного

167

пара низкого давления, параметры которого непригодны для дальнейшего использования его в технологических аппаратах или в отопительновентиляционных системах. Однако при помощи механических или тепловых трансформаторов тепла можно повысить давление отработавшего пара для дальнейшего его использования и тем самым обеспечить значительную экономию теплоты и топлива.

Выпаривание является первым производственным процессом, в котором трансформаторы тепла получили применение и распространение. Это объясняется следующими благоприятными обстоятельствами:

а) при выпаривании на 1 кг рабочего пара получается около 1 кг вторичного пара;

б) параметры первичного и вторичного пара при малых температурных депрессиях достаточно близки, поэтому необходимая степень сжатия невелика;

в) вторичный пар после компрессии является греющим паром и используется в этом же аппарате.

Применение трансформатора тепла с приводом от турбины в выпар-

ной установке требует меньшего расхода рабочего пара от источника пароснабжения, но более высокого давления (рисунок 14.5, а). Рассмотрение схемы

с турбокомпрессором, имеющим привод от электродвигателя (рису-

нок 14.5, б), показывает, что расход пара из котельной необходим только для пуска аппарата, а во время работы турбокомпрессора – отсутствует. Эксплуатационные расходы на выпаривание по этой схеме определяются в основном расходом электроэнергии, который в свою очередь зависит от производительности выпарного аппарата и степени сжатия вторичного пара. Температурный перепад, определяющий разность давлений, представляет собой сумму полезного перепада температур в выпарном аппарате и температурной депрессии. Отсюда следует, что при прочих одинаковых условиях расход энергии на выпаривание меньше для тех жидкостей, у которых меньше температурная депрессия вслед-

168

ствие малой концентрации раствора или высокомолекулярной массы растворенных веществ.

Применение теплового насоса в двухкорпусной выпарной установке (рисунок 14.5, б) показывает, что по сравнению с однокорпусной количество сжимаемого пара уменьшается вдвое, а располагаемый температурный напор увеличивается примерно в 1,5 раза, чем достигается некоторая экономия электроэнергии. Дальнейшая экономия энергии за счет введения третьего корпуса весьма незначительна, так как экономия в те мпературном перепаде получается за счет первого корпуса, где депрессия и без того мала.

Рисунок 14.5- Схема выпарных установок с турбокомпрессорами

а – однокорпусная выпарная установка; б – двухкорпусная выпарная установка;

1 – вторичный пар; 2 – рабочий пар; 3 - конденсат

Турбокомпрессоры для сжатия вторичного пара выпарных установок малоперспективны из-за их сложности и высокой стоимости.

Дешевыми и надежными устройствами являются струйные компрессоры – инжекторы, подключенные к выпарному аппарату по одной из двух схем (рисунок 14.6). По схеме, изображенной на рисунке 14.6, а), весь вторичный пар сжимают до давления, равного давлению его в греющей камере. До этого же давления расширяется рабочий пар в сопле инжектора. Так как количество

Рисунок 14.6 - Схема выпарных установок с пароэжекторным тепловым насосом

смешанного (рабочего и вторичного) пара превышает количество пара, необходимое для поддержания производительности выпарного аппарата, часть сжатого пара Dизб может быть использована другими потребителями тепла. Если для них могут оказаться достаточными параметры вторичного пара из выпарного аппарата, то в этом случае более экономична схема, изображенная на рисунке 14.6, б). По этой схеме только часть вторичного пара сжимается в струйном компрессоре, а избыточный пар подается потребителю (например, во второй корпус установки).

Можно доказать аналитически, что расход рабочего пара при работе уста-

рисунок 14.6, б), где u – коэффициент инжекции (см. ниже). Если, однако, учесть, что при работе по схеме рисунок 14.6, б), несжимаемая доля вторичного пара из-за низких его параметров часто не находит потребителя и направляется в конденсатор, то для большинства случаев схема рисунок 14.6, а), окажется более экономичной.

Рабочий пар высокого давления рр поступает в струйный аппарат, расширяется в сопле инжектора и засасывает вторичный пар давлением рвт (рисунок 14.7). Из инжектора выходит смесь паров при некотором среднем давлении

170

рс. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура, а, следовательно, и энтальпия. Степень повышения давле-

Процесс в струйном аппарате в i,s- диаграмме изображен на рисунке 14.8. Рабочий поток с параметрами рр, tр (точка А) расширяется в сопле от давления рр до давления рк (точка В). Инжектируемый пар с давлением рвт (точка К) расширяется на выходном участке камеры смешения до давления рк (точка М).

Рисунок 14.7 – Принципиальная схема струйного теплового насоса

В камере смешения происходит выравнивание скоростей рабочего и инжектируемого пара и частичное повышение давления смешиваемых потоков (точка N). Смешанный поток поступает в диффузор, где происходит преобразование кинетической энергии во внутреннюю – повышаются давление и энтальпия смешанного потока. Конечное состояние пара, выходящего из компрессора, характеризуется параметрами рс и hс (точка С).