Эффективное использование низкопотенциального тепла
А. В. Сизякин, канд. техн. наук, кафедра ЭКАО НИУ МЭИ
Если сделать обзор самых перспективных разработок, на которых сосредоточено внимание венчурных фондов всего мира, окажется, что значительная их доля предлагает способы утилизации низкопотенциального тепла. А пока выделяемое низкопотенциальное тепло просто рассеивается в атмосфере, можно с небольшой натяжкой сказать: сегодня модно пытаться
Источники низкопотенциального тепла
Большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется «сбросное тепло».
Сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды. Его выделяют как техногенные системы, созданные людьми, так и источники естественного происхождения (табл.). Использование низкопотенциального тепла обычным путем, т. е. для нагрева котла с водой на тепловой электростанции затруднено, но оно обладает колоссальным энергетическим потенциалом, поэтому преобразование (утилизация) выбрасываемой тепловой энергии в полезную является важной практической задачей. Возникает вопрос: как это реализовать технически?
Таблица Источники низкопотенциального тепла
Техногенные системы
Источники естественного происхождения
Промышленные предприятия: теплота сжатия газов в компрессорах; теплота продуктов сгорания различного рода топлива
Геотермальные источники (энергия Земли)
Системы водяного охлаждения, стоки промышленных предприятий и очистных сооружений (теплота жидкости)
Нефтеперерабытывающие заводы, например в Капотне (теплота сгорания попутного газа)
Космические объекты (тепловые потери оборудования)
Птицефабрики, скотофермы и т. д. (энергия биологического топлива)
Лесоперерабатывающие предприятия (энергия сжигания отходов)
Энергетические установки по использованию низкопотенциального тепла отвечают современной концепции децентрализованного электропитания и могут быть использованы не только как дополнительные источники электроэнергии, но и как автономные источники электропитания загородных домов, небольших поселков, удаленных от электросетей промышленных объектов.
Работы по утилизации низкопотенциального тепла являются актуальными и ведутся во всех развитых странах мира. Например, автоконцерн BMW разрабатывает системы электроснабжения автомобиля, использующие в качестве сырья тепло выхлопных газов. Фирма Siemens инвестирует в проекты автономной системы электроснабжения завода, работающей на разнице температур, возникающей в технологическом процессе и т. д.
Данный проект рассматривает инновационную технически сложную систему генерирования электроэнергии, основанную на новейших решениях в области термодинамики и электромеханики.
Цикл Ренкина
Один из способов утилизации низкопотенциального тепла основан на использовании термодинамического цикла Ренкина. В качестве рабочего тела в тепловом контуре используется легкоиспаряемое органическое вещество, например, фреон.
Структура систем различной мощности идентична (рис.) и состоит из двух основных частей – теплового контура, который преобразует тепловую энергию в механическую, и электромеханической части, которая преобразует механическую энергию в электрическую требуемого качества.
Схема системы генерирования электроэнергии
Насос под давлением подает рабочее тело в котел через регенератор. В регенераторе происходит первичный нагрев рабочего тела, в котле происходит вторичный нагрев рабочего тела, при котором оно переходит из жидкого состояния в газообразное. Далее газ подается на специально разработанную высокооборотную турбину, где он расширяется, приводя ее во вращение. Отработавший газ попадает в рекуператор, где затрачивает часть своей тепловой энергии на первичный нагрев жидкости. После чего рабочее тело переходит в жидкое состояние в конденсаторе и попадает на вход насоса.
Принцип работы опытной установки
В настоящее время создана опытная установка по утилизации низкопотенциального тепла мощностью 1 кВт (исследования финансируются фирмой Siemens AG).
Сложность создания подобной установки заключалась в том, что при оптимальной работе системы частота вращения турбины должна достигать 100 000 об/мин. Для работы на таких скоростях вращения не пригодны общепромышленные подшипники. Поэтому в опытной установке применяются специально разработанные по уникальной технологии лепестковые газодинамические опоры. Вал находится внутри системы взаимно перекрывающихся лепестков из стальной ленты с повышенной упругостью.
При вращении вал увлекает за собой частицы воздуха, и при определенной частоте вращения их количество становится достаточным, чтобы лепестки отогнулись на доли миллиметра от поверхности вала, таким образом образуется воздушный промежуток между валом и системой лепестков, в котором и вращается ротор. При использовании лепестковых газодинамических опор практически полностью отсутствуют потери на трение при работе системы.
Турбина приводит во вращение генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Генератор имеет нерегулируемое возбуждение от постоянного магнита.
Ротор генератора является составным: вал выполнен из магнитного сплава на основе редкоземельных элементов, на вал одет бандаж из высокопрочного сплава, обеспечивающий механическую прочность ротора при вращении на высоких частотах вращения. Применение сплавов на основе редкоземельных магнитных элементов обеспечивает стабильные высокие магнитные характеристики составного ротора, что в свою очередь обеспечивает стабильные рабочие характеристики генератора.
Однако применение постоянных магнитов в генераторе не обеспечивает возможности регулирования уровня вырабатываемого напряжения, и при изменении скорости вращения турбины изменяется не только частота вырабатываемого напряжения, но и его амплитуда. Из-за этого электрическая энергия, снимаемая с клемм генератора, не может быть напрямую использована в быту или промышленности.
Для обеспечения заданного качества электрической энергии во всех режимах работы в системе генерирования используется электронный преобразователь.
В зависимости от назначения системы, электронный преобразователь может быть выполнен однофазным, если потребителями электрической энергии являются бытовые приборы, или трехфазным, для применения в промышленности. Электронный преобразователь имеет структуру с промежуточным звеном постоянного тока. Выходное напряжение генератора, характеризующееся определенной частотой, амплитудой и гармоническим составом, поданное на вход преобразователя выпрямляется. Далее полученное постоянное напряжение преобразуется в инверторе в напряжение с заданной частотой, амплитудой и гармоническим составом.
Инвертор выполнен на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, работающих в ключевом режиме. Для формирования синусоидального напряжения применяются алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Инвертор выполняет функции ограничения тока и защиты системы от коротких замыканий, стабилизации частоты выходного напряжения, стабилизации уровня выходного напряжения, индикации аварийных режимов и визуализации параметров работы системы.
Практический интерес представляют системы мощностью более 10 кВт. При их создании будут применены научные и инженерно-технические принципы, отработанные при изготовлении опытного образца мощностью 1 кВт.
Технико-экономический анализ показал, что срок окупаемости проекта составит 2 года. Минимальный срок службы системы – 10 лет. Срок окупаемости системы для покупателя при действующих тарифах на электроэнергию 5 лет.
Источник
Методы утилизации тепла
Утилизация тепла отходящих дымовых газов
Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значительное количество тепла. В мартеновских печах, например, из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80 % всего тепла поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах около 60 %. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, которая может быть выполнена принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу и воздуху (или только воздуху). Для достижения этой цели широко используют теплообменники рекуперативного и регенеративного типов, применение которых позволяет повысить к. п. д. печного агрегата, увеличить температуру горения и сэкономить топливо. При втором методе утилизации, тепло отходящих дымовых газов используется в теплосиловых котельных и турбинных установках, чем достигается существенная экономия топлива.
В отдельных случаях оба описанных метода утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновременно. Это делается тогда, когда температура дымовых газов после теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках. Так, например, в мартеновских печах температура дымовых газов после регенераторов составляет 750—800 °С, поэтому их повторно используют в котлах-утилизаторах.
Рассмотрим подробнее вопрос утилизации тепла отходящих дымовых газов с возвратом части их тепла в печь.
Следует, прежде всего, отметить, что единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом (единица физического тепла), оказывается значительно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива (единицы химического тепла), так как тепло подогретого воздуха (газа) не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Ценность единицы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент использования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов.
Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла. В это количество тепла входит не только тепло топлива , но и тепло подогретого воздуха или газа , т. е. .
Ясно, что при = const увеличение позволит уменьшить . Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степени утилизации тепла дымовых газов
где — соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт, или кДж/период.
Степень утилизации тепла может быть также названа к.п.д. рекуператора (регенератора), %
;
Зная величину степени утилизации тепла, можно определить экономию топлива по следующему выражению:
где I’д, Iд — соответственно энтальпия дымовых газов при температуре горения и покидающих печь.
Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономический эффект и является одним из путей снижения затрат на нагрев металла в промышленных печах.
Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической температуры горения , что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.
Повышение при приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить определенную величину , то повышение температуры подогрева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины , т. е. к снижению доли в топливной смеси газа с высокой теплотой сгорания.
Поскольку утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо целесообразно стремиться к максимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необходимо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда . Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит к очень незначительному выигрышу в экономии тепла.
, но и тепло подогретого воздуха или газа 
, т. е. 
.
= const увеличение 
— соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт, или кДж/период.
;
, что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.
приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить определенную величину 
, т. е. к снижению доли в топливной смеси газа с высокой теплотой сгорания.
. Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит к очень незначительному выигрышу в экономии тепла.
