ляет выводить на нагрузку токи, во много раз большие, чем при его зарядке, а в индуктивном накопителе за счет ЭДС самоиндукции при коммутации цепи можно получить напряжение, значительно превышающее напряжение источника питания.
В настоящее время известны следующие основные типы накопителей энергии: электрохимические, электрические, индуктивные, емкостные, механические, электромеханические, электродинамические, тепловые, гравитационные и др.
Тепловые накопители энергии представляют жидкое или твердое тело с достаточной теплоемкостью, способное воспринимать, хранить и затем отдавать накопленную тепловую энергию. Одним из вариантов применения теплового накопителя можно рассмотреть суточное накопление солнечного излучения в виде теплового потенциала расплавленной соли для солнечной электрической станции, работающей по термодинамическому циклу.
Существуют также технологии сезонного накопления тепловой энергии.
Тема 5.2 Вторичные энергетические ресурсы
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР): классификация и использование. Экономия топлива за счет использования ВЭР.
Общие энергетические отходы – это энергетический потенциал всех материальных потоков на выходе из технологической установки и все потери энергии в ней.
Подразделяют на три потока:
–неизбежные потери энергии в технологической установке;
–энергетические отходы внутреннего использования – энергетические отходы, которые возвращаются обратно в технологическую установку за счет регенерации или рециркуляции;
–энергетические отходы внешнего использования – энергетические отходы, представляющие собой вторичные энергетические ресурсы.
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологи-
247
ческом процессе.
Утилизация ВЭР позволяет получить большую экономию топлива и существенно снизить капитальные затраты на создание соответствующих энергосберегающих установок.
Экономия топлива – количество первичного твердого, жидкого или газообразного топлива, которое может быть сэкономлено при использовании теплоты вторичных энергетических ресурсов либо реализации иного энергосберегающего мероприятия.
ВЭР могут быть утилизированы без изменения вида энергоносителя или путем преобразования их в другие виды энергии.
Различают три вида вторичных энергетических ресурсов:
1)Тепловые ВЭР – тепловая энергия, образующая в результате технологического процесса или работы оборудования, которая не может быть в дальнейшем использована в данном технологическом процессе или агрегате, но может быть использована для производства тепловой энергии в виде горячей воды или пара, в другом процессе или агрегате. Тепловые ВЭР могут быть использованы для целей отопления и горячего водоснабжения. К тепловым ВЭР также относят и низкопотенциальное тепло, которое не может быть напрямую использовано без специальных устройств для целей теплоснабжения.
2)Горючие ВЭР – отходы одного технологического процесса, агрегата, которые могут быть использованы в качестве топлива в другом процессе, агрегате.
3)ВЭР избыточного давления – ресурсы, обладающие потенциальной энергией (как правило, газы и жидкости, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением), которое позволяет использовать их для производства механической или электрической энергии.
Температура отходящих газов различных промышленных печей и нагревательных устройств колеблется от 800–900 °С (в печах
срегенераторами) до 900–1200 °С в термических, прокатных и кузнечных (без регенерации), что позволяет в котлах-утилизаторах вырабатывать пар высоких параметров для технологических и энергетических нужд. Кроме того, поскольку нагревательные печи, как правило, оборудованы системой охлаждения отдельных элементов конструкции, при испарительном охлаждении можно получить пар, который используется и в энергетических целях. Так как темпера-
248
тура уходящих газов после котлов-утилизаторов все еще достаточно высока (около 200–250 °С), их теплоту целесообразно применять для отопления и горячего водоснабжения нагрева воды.
На машиностроительных предприятиях тепловые ВЭР сравнительно высоких параметров образуются в основном в мартеновских, нагревательных и термических печах в виде теплоты уходящих газов и теплоты охлаждения установок, печей, продукции. Кроме того, низкопотенциальная теплота содержится в отработанном паре, образующемся в процессе работы прессов и молотов.
Доменные газы, имеющие теплоту сгорания около 4000 кДж/м3, относятся к горючим ВЭР, но поскольку они обладают давлением выше атмосферного (до 0,3 МПа), то могут быть использованы как ВЭР с избыточным давлением в газовой бескомпрессорной утилизационной турбине для выработки дополнительной электроэнергии или привода воздуходувок. При водяном охлаждении доменных печей и металлоконструкций можно получить значительное количество низкопотенциальной теплоты (с температурой 15–20 °С). Метод испарительного охлаждения при сокращении расхода воды и электроэнергии на ее перекачку позволяет выработать пар высокого давления (до 0,8 МПа), используемый для нужд теплоснабжения.
В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, кирпича.
Вторичные энергоресурсы имеются также на тепло- и гидроэлектростанциях. На гидроэлектростанциях отходы теплоты образуются в результате тепловыделения в электрогенераторах. Для тепловых электростанций наиболее существенный источник ВЭР – низкопотенциальная теплота нагретой охлаждающей воды конденсационных устройств, с которой может теряться до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электростанции. Источником ВЭР считаются также дымовые газы котельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты сгорания газотурбинных уста-
новок.
Рациональное использование ВЭР является одним из крупнейших резервов экономии топлива, способствующим снижению топливо и энергоемкости промышленной продукции.
249
Основные направления повышения энергоэффективности на промышленных предприятиях ориентированы на снижение энергопотребления технологического оборудования (котлоагрегатов, печей, сушильных установок, сепараторов, двигателей и насосов) и совершенствования технологий производства. Один из путей повышения эффективности энергопотребляющего оборудования является сбор и повторное использование тепловых отходов.
Накопленное и повторно использованное тепло позволяет замещать дорогостоящее топливо или электрическую энергию, не создавая при этом дополнительных выбросов вредных веществ в атмосферу. Существует ряд технологий, позволяющих эффективно преобразовывать тепловые отходы в продукт конечного использования. Тем не менее, значительное количество тепловых ВЭР все еще остается не использованным.
В первую очередь утилизируются высокотемпературные тепловые ресурсы, затем средне- и низкотемпературные тепловые ВЭР
– это отходящие газы с температурой ниже 250°С, охлаждающая вода и конденсат температурой ниже 70°С и др. Целесообразность их утилизации на промышленных предприятиях, их использование (в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и т.п.) очевидны.
Анализ источников тепловых отходов показывает, что около 60% сбросного тепла является низкотемпературным (232°С и ниже). Утилизация такого тепла является менее эффективной с технической и экономической точки зрения, но именно этот вид тепловых отходов имеется на предприятиях в больших количествах. Поэтому утилизация низкопотенциальных отходов на данный момент основное направления в работе на предприятиях по использованию тепловых ВЭР. Современные технологии предоставляют различные возможности её рекуперации и применения в целях отопления и горячего водоснабжения, технологических целях.
Использование тепла отходящих газов, вторичного пара, вентиляционных выбросов, сточных вод. Тепловые насосы и транс-
250
форматоры тепла. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах.
Для целей утилизации теплоты широко используются следующие теплообменные аппараты: рекуператоры, печные регенераторы, вращающиеся регенераторы, воздухоподогреватели.
Рекуператоры. Рекуператоры применяют для утилизации теплоты уходящих газов для средне- и высокотемпературного применения. Их работа основана на излучении, конвекции или радиаци- онно-конвективном теплообмене. Рекуператоры выполняют из металлических и керамических материалов. Металлические рекуператоры используют при температурах ниже 1100°С, тогда как при более высоких температурах лучше подходят керамические трубчатые рекуператоры. Они выдерживают температуры выше 1500°С на горячей стороне и около 980°С на холодной стороне.
Регенераторы. Регенеративные печи включают две камеры с кирпичными кладками, через которые поочередно проходит горячий и холодный поток. При прохождении продуктов сгорания через камеру, кирпичная насадка забирает у них теплоту и нагревается. Затем, поток воздуха подается таким образом, что поступающий для процесса горения воздух проходит через горячую насадку, которая передает ему теплоту. Камеры используются таким образом, что в то время как одна насадка забирает теплоту уходящих газов, другая нагревает воздух. Направление воздушного потока меняется примерно каждые 20 минут.
Регенераторы могут быть эффективно использованы для высокотемпературного применения загрязненных газов. Их основным недостатком являются достаточно большие размеры и высокая стоимость по сравнению с рекуператорами.
Принцип действия вращающихся регенераторов заключается
ваккумулировании теплоты с помощью пористой насадки, которая поочередно омывается то горячим, то холодным газом, проходящим через регенератор. Вращающиеся регенераторы часто используются
вкачестве воздухоподогревателей и представляют собой вращающийся барабан, содержащий насадку и соединяющий прилегающие каналы, по одному из которых движется горячие отработавшие газы, а по другому – холодный воздух.
Преимуществом вращающихся регенераторов является то,
251
что они могут быть использованы и для передачи влаги, также как и теплоты от незагрязненных газов. При использовании гигроскопических материалов влага может передаваться от одного канала другому. Это дает возможность использовать регенераторы в системах кондиционирования воздуха, когда входной горячий влажный воздух передает теплоту и влагу холодному выходному воздуху. Кроме основного применения в системах отопления помещений и кондиционирования воздуха, вращающиеся регенераторы также используются в ограниченном масштабе и в среднетемпературных системах. Регенераторы разработаны и для высокотемпературных печей, хотя такие системы не нашли широкого распространения в связи с их стоимостью.
Теплообменники на тепловых трубах. Теплообменник на тепловых трубах представляет собой пучок труб, запаянных с двух сторон. Каждая труба содержит фитиль, который обеспечивает перемещение рабочей жидкости между горячим и холодным концами трубы. Горячие газы проходят через испарительную зону тепловую трубы, вызывая кипение рабочей жидкости внутри нее. Образующийся в результате пар направляется к «холодному» концу трубы, где конденсируется, отдавая теплоту холодному газу, омывающему конденсационную зону тепловой трубы. Под действием капиллярных сил конденсат возвращается в испарительную зону, и цикл возобновляется.
Использование теплового насоса, позволяет повысить температурный уровень тепловых отходов до нужной температуры конечного потребителя. Тепловые насосы используют внешние источники энергии, в них реализуется цикл, в котором энергия от низкотемпературных источников передается источнику с более высокой температурой.
Низкопотенциальное тепло можно условно разделить на два диапазона:
–Тепло с температурой от 40 до 150°C, которое может быть непосредственно использовано для отопительных целей. В данном случае при утилизации теплоты осуществляется перенос теплоты от источников с более высокой температурой к источникам с более низкой температурой.
–Тепло с температурой ниже 40°C, которое не может быть напрямую использовано для отопления и горячего водоснабжения,
252