Кроме того, важно оценить количество и качество отходящего/избыточного тепла, а затем, исходя из этих данных, выявить возможные применения для него. Потенциал утилизации тепла часто ограничен такими факторами, как качество отходящего тепла и имеющиеся на предприятии возможности его использования.

Для организации эффективной утилизации тепла крайне важно располагать количественной информацией о существенных аспектах процессов, в которых образуется и будет использоваться тепло, а также пониманием этих процессов. Недостаток знаний о конкретных процессах является основным источником трудностей и неудач при организации утилизации тепла. Ошибки и существенные пробелы в данных способны привести к более серьезным проблемам, чем, например, неоптимальный выбор теплообменника. Как ошибки в понимании термодинамики процессов, так и отсутствие точной информации о физических свойствах отходящего тепла способны привести к проблемам независимо от выбранного типа теплообменника, если необходимая информация не получена заблаговременно.

Глубокое понимание технологического процесса, а также допустимого диапазона изменения его параметров является важной предпосылкой успешной и эффективной утилизации тепла. Хорошей отправной точкой для планирования соответствующих мер может быть детальное измерение и регистрация параметров процесса. Эта практика также позволит инженерам выявить потенциал энергосбережения, которое может быть реализован за счет малозатратных мер.

Возможные варианты утилизации тепла включают:

•использование тепла в том же процессе, который является его источником (регенерация, часто с использованием теплообменников, например, экономайзеров, см. раздел 3.2.5)

•использование тепла в другой системе или производственной единице (этот вариант может использоваться, например, в тех случаях, когда отходящее тепло характеризуется недостаточно высокой температурой). В этом случае, в своею очередь, возможны два варианта:

oиспользование тепла в другом процессе или производственной единице той же установки;

oиспользование тепла в процессах другой установки (например, на другом производстве в пределах химического комбината) или за пределами промышленных предприятий, например, в системах центрального отопления; см. обсуждение когенерации в разделе 3.4.

Если отходящее тепло характеризуется недостаточным содержанием эксергии, уровень последней может быть повышен при помощи теплового насоса, или может быть найдено применение для существующего тепла – например, горячее водоснабжение или отопление помещений (системы ОВКВ).

Поэтому в настоящем разделе обсуждается охлаждение (как деятельность, предоставляющая значительные возможности для утилизации отходящего тепла), а также два основных подхода, упоминавшихся выше – использование теплообменников и тепловых насосов.

3.3.1. Теплообменники

Общая характеристика

С помощью теплообменников осуществляется непосредственная утилизация тепла. Теплообменник представляет собой устройство, в котором тепловая энергия передается от одного потока жидкого или газообразного рабочего тела другому через твердую стенку. Теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения. Теплообмен в этих устройствах осуществляется как за счет конвекции, так и за счет теплопроводности.

Отходящие потоки с температурами в диапазоне от примерно 70ºC до 500ºC имеют место во многих отраслях промышленности, таких, как:

•химическая промышленность, включая производство полимеров;

•пищевая промышленность, включая производство напитков;

181

•целлюлозно-бумажная промышленность;

•текстильная промышленность.

Вданном диапазоне температур, в зависимости от конкретного применения и типа теплоносителей (газ – газ, газ – жидкость, жидкость – жидкость), может использоваться теплообменное оборудование (теплообменники) следующих типов:

•ротационные регенераторы;

•змеевиковые теплообменники;

•тепловые трубы /термосифонные теплообменники;

•трубчатые рекуператоры;

•экономайзеры;

•конденсационные экономайзеры;

•оросительные конденсаторы;

•кожухотрубчатые теплообменники;

•пластинчатые теплообменники;

•кожухопластинчатые теплообменники.

При более высоких температурах (выше 400 ºC), в таких отраслях, как, например, черная и цветная металлургия, а также производство стекла и керамических изделий, для утилизации тепла отходящих газов могут применяться следующие типы устройств:

•пластинчатые теплообменники;

•кожухотрубчатые теплообменники;

•радиационные трубы с рекуператорами;

•конвективные трубы с рекуператорами;

•рекуперативные горелки и системы горелок;

•статические регенераторы;

•ротационные регенераторы;

•компактные керамические регенераторы;

•импульсные регенеративные горелки;

•рекуперативные горелки с радиальными пластинами;

•регенеративные горелки со встроенным теплоаккумулирующим элементом;

•энергооптимизированные печи.

Скребковые теплообменники (теплообменники с динамически очищаемой поверхностью) применяются для нагрева и охлаждения при работе с материалами, обладающими высокой вязкостью, в процессах кристаллизации и выпаривания, а также в других ситуациях, где имеет место интенсивное загрязнение теплообменных поверхностей.

Одним из наиболее распространенных применений теплообменников являются системы кондиционирования воздуха (см. раздел 3.9). Как правило, в таких системах используются змеевиковые теплообменники.

Энергоэффективность

При проектировании теплообменника его конструкция оптимизируется исходя из ожидаемых условий его применения. Значительные отклонения от этих условий при эксплуатации устройства или значительные колебания эксплуатационных условий могут привести к изменению параметров теплообмена и коэффициента теплопередачи, а также падению давления теплоносителя.

182

Коэффициент теплопередачи и, как следствие, интенсивность теплообмена зависят от теплопроводности и толщины стенки, а также от состояния поверхности (прежде всего, степени загрязненности). Выбор оптимальной механической конструкции и материала способы повысить эффективность теплообменника. Затраты и механические нагрузки также влияют на выбор материала и конструкции теплообменника.

Интенсивность теплообмена существенным образом зависит от характеристик теплообменных поверхностей. Площадь поверхностей может быть увеличена за счет оребрения (как, например, в случае теплообменников с ребристыми трубами или ламельных теплообменников). Этот подход особенно полезен при низкой интенсивности теплообмена (например, в случае газообразного теплоносителя).

Загрязнение теплообменных поверхностей приводит к снижению интенсивности теплообмена. Уменьшение загрязнения может достигаться посредством использования специальных материалов (особо гладких поверхностей), специально подобранной формы поверхностей (например, спиральные теплообменники) или изменения рабочих условий (например, высокие скорости теплоносителей). Кроме того, поверхности могут очищаться при помощи автоматических систем очистки. Некоторые теплообменники оборудованы подобными системами (скребковые теплообменники с динамически очищаемой поверхностью).

Увеличение массового расхода теплоносителей приводит к увеличению коэффициента теплопередачи, но одновременно и к большему падению давления. Высокий уровень турбулентности способствует более интенсивному теплообмену, но также приводит к большим падениям давления. Для увеличения турбулентности могут использоваться пластины со специальным рельефом или завихрители.

Интенсивность теплообмена зависит также от физических характеристик теплоносителя (например, температуры и давления). Если в качестве основного теплоносителя используется воздух, он может увлажняться перед поступлением в теплообменник. Это способствует улучшению теплообмена.

Экологические преимущества

Энергосбережение за счет использования потоков отходящего тепла.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Данных не предоставлено.

Применимость

Теплообменное оборудование широко и успешно применяется во многих отраслях промышленности. См. «Общая характеристика» выше, а также раздел 3.2.

Утилизация отходящего тепла с помощью теплообменного оборудования находит все более широкое применение, причем во многих случаях энергия, полученная таким образом, используется за пределами установки (см. обсуждение когенерации в разделе 3.4, а также Приложения 7.10.3 и 7.10.4). Утилизация отходящего тепла нецелесообразна в случае отсутствия потенциальных применений, соответствующих характеристикам этого тепла, включая временной график его производства.

Экономические аспекты

Период окупаемости соответствующих инвестиций может находиться в диапазоне от шести месяцев до 50 лет и более. В австралийской целлюлозно-бумажной промышленности срок окупаемости ряда сложных теплообменных систем с различными характеристиками составил 1–3 года.

Экономический эффект от внедрения подобного оборудования и период его окупаемости могут быть рассчитаны, например, с использованием методов, представленных в Справочном документе по экономическим аспектам и вопросам воздействия на различные компоненты окружающей среды.

183

В некоторых случаях, в особенности, когда производимое тепло используется за пределами предприятия, возможно получение финансирования в рамках инициатив в сфере энергетической политики (см. Приложение 7.13).

Мотивы внедрения

•снижение затрат на энергию, сокращение выбросов, во многих случаях – быстрая окупаемость инвестиций;

•улучшение характеристик технологических процессов, например, уменьшение загрязнения поверхностей (при использовании скребковых теплообменников), улучшение условий эксплуатации существующего оборудования и параметров потоков, уменьшение падения давления в системе (что способствует увеличению максимальной возможной производительности предприятия);

•снижение платежей за воздействие на окружающую среду.

Примеры

•отрасли, перечисленные в разделе «Общая характеристика»: химическая, пищевая, целлюлозно-бумажная, текстильная;

•целлюлозно-бумажная промышленность Австралии;

•предприятие Tait Paper в Инверуре, Абердиншир, Великобритания.

Справочная информация

[16, CIPEC, 2002], [26, Neisecke, 2003], [34, ADENE, 2005], [97, Kreith, 1997], [127, TWG]

3.3.1.1. Мониторинг состояния и техническое обслуживание теплообменников

Общая характеристика

Для мониторинга состояния трубок теплообменника могут применяться методы токовихревой (электроиндуктивной) дефектоскопии. Кроме того, часто используется моделирование работы теплообменника при помощи методов вычислительной гидродинамики (CFD). Для оценки внешних поверхностей теплообменников могут также использоваться тепловизоры (инфракрасные камеры, см. раздел 2.10.1), позволяющие выявлять значительные перепады температур или участки с повышенной температурой.

Серьезную проблему представляет загрязнение труб или поверхностей теплообменника. Часто для охлаждения используется речная или морская вода, и находящиеся в ней органические частицы могут, попадая в систему, образовывать отложения на поверхностях. Еще одной проблемой является формирование накипи – химических отложений, образованных, например, карбонатом кальция или магния (см. раздел 3.2.6). В процессе охлаждения также могут образовываться отложения, например, кремниевая накипь в алюминиевом производстве. См. «Примеры» ниже.

Экологические преимущества

Улучшение условий теплообмена, что способствует более эффективной утилизации тепла.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Воздействие, связанное с реагентами, используемыми для водоподготовки.

Производственная информация

•пластинчатые теплообменники нуждаются в периодической чистке, которая требует разборки и сборки устройств;

•очистка трубчатых теплообменников может производиться при помощи реагентов (кислотная промывка), зондов или гидроочистки высокого давления (для двух последних подходов могут использоваться патентованные решения, поставляемые конкретными компаниями);

184