6. Основні напрямки енергоощадності на промислових підприємствах.

Імовірно, найбільші можливості для економії енергії в промисловості полягають у багаторазовому використанні енергії. Рідини, що мають у якій-небудь установці найбільші температури й тиски, містять також найбільшу кількість відносної роботи виконаної над ними. Тому їх варто використати для приведення в дію двигунів, у яких відбувається розширення робочого тіла,(турбін), щоб використати принаймні частину роботи, що втримується в робочому тілі, і перевести її в кінетичну енергію для насосів і компресорів або для генерування електроенергії. Але, замість того щоб відводити робоче тіло в конденсатор, варто використати тепло що втримується як технологічне тепло. В установці зі встановленим енергетичним балансом не повинна споживатися електроенергія й не повинна конденсуватися пара над холодною водою або в холодному повітрі.

Необхідно коротко пояснити останнє твердження. Якщо установка споживає електроенергію, то цю електроенергію генерує, імовірно, конденсаційна парова турбіна. Оскільки енергетична установка робить тільки роботу й скидає тепло, її загальний к.к.д. не може бути таким же високим, як к.к.д. в установці, у якій використаються й робота, і тепло. Але якщо технологічне устаткування споживає більше роботи, ніж тепла, і не споживає електроенергію, то необхідно конденсувати або випускати низьконапірну пару. Коли попит на тепло перевищує попит на роботу, можна забезпечити одержання додаткової кількості тепла, роблячи електроенергію й поставляючи її споживачам, не здатним самостійно її робити. Проблема енергетичного балансу між роботою й теплом докладно розглядається в розділі 3. Тут же досить зробити висновок, що роботу по можливості варто використовувати із джерела енергії високого рівня.

Із цього погляду спалювання палива тільки для одержання тепла несумісне із завданням збереження енергії. Крім того, при перетворенні енергії в тепло, як у випадку електричного омічного нагрівання, недоцільно, і його треба по можливості уникати.

Перетворення тепла в механічну роботу, а потім в електроенергію - найбільш очевидний приклад використання тепла, але він далеко не єдиний. У промисловості є багато різноманітних операцій, що споживають енергію, хоча вона й не помітна в продуктах виробництва. Цю ідею ми згадували раніше при розгляді ентропії процесу змішання. Продукти, що виходять із сепараційного агрегату, у загальному випадку мають такуж енерговмістимість, як і вихідна сировина, але через те, що вони чистіше, їхня ентропія менше. Ентропія продуктів зменшилася через збільшення ентропії теплоносія, використаного для здійснення операції.

Оскільки енергія, що споживається й виділяється в технологічному процесу, власне кажучи, однакова По величині, її можна використати повторно, але це залежить від температури енергоносія. Така методика давно вже застосовується при багатоступінчастому випарюванні концентрованих розчинів. На першому щаблі тепло виділяється внаслідок конденсації водяної пари, що гріє.

Рис. 1. Багатоступінчастий випарний апарат, у якому багаторазово використається та сама енергія.

Потім вторинна пара, що утвориться при випарюванні розчину на першому щаблі, икористається як теплоносій на другому щаблі й т.д. (мал. 1.6). У найбільш типових установках є три щаблі: водяна пара, що спочатку гріє, подають при тиску, наприклад, 137 кПа на першому щаблі й на наступних щаблях утвориться пара при тиску 68,7, 34,3 й 13,7 кПа. На останньому щаблі заданий абсолютний тиск підтримують, за допомогою охолоджуваного водою конденсатора; не сконденсовані гази відкачують вакуумним насосом.

Звичайно розчин буває водним. Тоді відношення маси вторинної водяної пари до маси водяної пари, що гріє, трохи менше, ніж число щаблів, внаслідок того що втрати тепла й питома теплота паротворення зі зменшенням тиску зростають. При заданих тиску подачі водяної пари, що гріє, і температурі охолоджувача, числа щаблів а отже, перетворення водяної пари, що гріє, у вторинну водяну пару, отриману при випарюванні розчину, визначаються перепадом температури на кожній поверхні, через яку відбувається передача тепла. Якщо зменшити перепади температури, збільшивши поверхні теплообміну, то можна збільшити число щаблів й, отже, одержати більшу економічність. До різниці температур обумовлені не тільки потоком тепла, але також й підвищенням температури точки кипіння через наявність твердих домішок, статичним тиском і швидкісним напором. Ці практичні міркування визначають оптимальну поверхню теплообміну а отже і число щаблів.

Якщо подавати водяну пару, що гріє, при високому тиску, то число щаблів а, отже, економічність системи можна істотно збільшити. Цю процедуру не можна продовжувати нескінченно, тому що багато продуктів досить чутливі до температури.

Проте при використанні водяної пари з дуже високим тиском можна проектувати набагато більше щаблів випарювання, ніж при використанні водяної пари з низьким тиском. Це показує, що для одержання водяної пари низького тиску шляхом, спалювання палива може знадобитися значно більше палива, ніж для одержання пари високого тиску.

Якщо середній перепад температури на кожному щаблі становить 18°С, то на водяній парі при тиску 137 кПа може працювати ступінчастий випарний апарат, описаний вище. Нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарувати 2,88 кг води з розчину. Якщо апарат забезпечується парою при тиску 962 кПа, то можна використати сім щаблів. Тоді, нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарити 6,37 кг води з розчину. Хоча втрати тепла й інші причини можуть зменшити привабливість такого методу, наведений приклад демонструє цінність водяної пари високого тиску.

Застосувати принцип багато ступінчастості до інших процесів не так просто. Паралельні дистиляційні колони можуть працювати при різних тисках, так що тепло, що скидає однією колонією, можна повторно використати для випарювання в наступній колоні. Ступінчасте використання енергії можна застосовувати також у прямому або зворотньому напряму при послідовній перегонці багатокомпонентної суміші. Ці приклади докладно розглядаються у відповідних розділах книги. Тут же зроблений наголос на те, що в багатьох загальних технологічних процесах енергію можна використати повторно, і дане достатнє попереднє обґрунтування необхідності високо потенційної енергії й регулюючих пристроїв для координації її багаторазового використання. Процеси теплообміну необхідно робити при максимальній оборотності, тобто при мінімальному перепаді температур. Регулюючі пристрої не повинні заважати досягненню цієї мети.