Регенераторы
Регенераторы - это установки, использующие теплоту отходящих газов для нагрева одного из двух компонентов горения или для специальной эндотермической подготовки топлива; в первом случае процесс будет называться физической, а во втором химической регенерацией.
Регенераторы - это разновидность теплообменников, принцип действия которых основан на передаче теплоты поочередным соприкосновением холодного и горячего теплоносителя с одними и теми же поверхностями аппарата.
Регенератор (от лат. regenero — вновь произвожу) в теплотехнике, теплообменник, в котором передача теплоты осуществляется путём поочерёдного соприкосновения теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с «горячим» теплоносителем стенки регенератора нагреваются, с «холодным» — охлаждаются, нагревая его.
Регенератор с периодическим переключением теплоносителей состоит из нескольких камер, заполненных кирпичной кладкой (насадкой), в камеры поочерёдно поступают горячие дымовые газы и нагреваемые воздух или газообразное топливо. В регенераторе с непрерывным переключением теплоносителей либо насадка поочерёдно входит в зону омывания теплоносителями, либо насадка неподвижна, а вращаются воздушные патрубки, размещенные внутри газовых коробов регенератора с периодическим переключением теплоносителей обеспечивают подогрев воздуха до 1000—1200 °С, с непрерывным — до 400 °С, однако последние значительно компактнее и дешевле.
Из регенераторов наибольшее применение имеют регенераторы с неподвижной и подвижной насадками. В регенераторах с неподвижной насадкой используют две (или больше) камеры, заполненных насадками из огнеупорных материалов, которые поглощают тепло из одной газообразной среды и передают его затем другой газообразной среде в результате чередования потоков отходящих газов и воздуха горения, проходящих через камеры (рисунок 9.9).
Рисунок 9.9 - Регенератор с неподвижной насадкой: 1 – камеры, ХВ – холодный воздух, ГВ – горячий воздух, ДГ – дымовые газы, ОГ – отходящие газы
Насадки регенераторов, выполненные из огнеупорных материалов, работают в условиях высоких температур и агрессивной среды. Такие условия характерны для коксовых печей, доменных воздухонагревателей, стекловаренных печей, мартеновских печей и нагревательных колодцев.
Тепловые насосы
В последнее время появилась реальная возможность принципиально по-новому решать вопросы комплексного энергоснабжения промышленных предприятий путем применения тепловых насосов, использующих низкопотенциальные выбросы (сбросы) для выработки одновременно теплоты и холода. Одновременная выработка этих энергоносителей на тепловых насосах практически всегда более эффективна, чем раздельное получение теплоты и холода на традиционных установках, так как в этом случае необратимые потери холодильного цикла используются для получения теплоты, отдаваемой потребителю.
Тепловые насосы, используют низкопотенциальные сбросы для выработки одновременно теплоты и холода. Одновременная выработка этих энергоносителей на тепловых насосах практически всегда более эффективна, чем раздельное получение теплоты и холода на традиционных установках, так как в этом случае необратимые потери холодильного цикла используются для получения теплоты, отдаваемой потребителю.
Тепловой насос – это устройство, позволяющее перенести тепловую энергию с уровня низкого потенциала на уровень среднего потенциала с затратой энергии относительно высокого потенциала.
Промышленностью выпускаются тепловые насосы двух видов:
парокомпрессорные, использующие электроэнергию в качестве энергии высокого потенциала;
абсорбционные, в которых относительно высокопотенциальным теплоносителем является пар, горячая вода и продукты сгорания.
В обоих типах тепловых насосов низкопотенциальная (сбросная) теплота расходуется на испарение рабочего агента. Перенос низкопотенциальной энергии на более высокий уровень происходит с затратой высокопотенциальной энергии:
в парокомпрессорном тепловом насосе сжатие паров рабочего агента в компрессоре;
в абсорбционном – поглощение паров рабочего агента жидким абсорбентом с повышением температуры раствора, перекачка слабого раствора в зону повышенного давления и его выпаривание (разделение) с одновременным понижением температуры раствора.
Принципиальная схема парокомпрессорного теплового насоса приведена на рисунке 9.10.
Рисунок 9.10 – Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса
I – компрессор, II – конденсатор, III – дроссель, IV – испаритель; 1 – сбросный теплоноситель, 2 – нагреваемый теплоноситель, 3 – электроэнергия
Компрессор I, потребляя электроэнергию 3, обеспечивает циркуляцию рабочего агента по замкнутому контуру, включающему конденсатор II, дроссель III, испаритель IV. В испарителе рабочий агент, испаряясь, отбирает теплоту от сбросного потока 1, а в конденсаторе, конденсируясь, отдает теплоту нагреваемому потоку 2. В качестве рабочего агента в парокомпрессионных тепловых насосах используется хладон R-12
Примеры применения тепловых насосов для теплоснабжения
Существуют различные модели тепловых насосов передачи (“накачки”) низкопотенциального тепла различных сбросов (бытовых, промышленных, станционных) на уровень, требуемый для отопления. Рассмотрим примеры применения моделей тепловых насосов, используемых для централизованного теплоснабжения в Японии, Швеции, Германии. Такие тепловые насосы (теплотрансформаторы) имеют реальные термодинамические преимущества перед прямым сжиганием топлива или электрообогревом.
Японская модель
Новая система теплоснабжения с использованием тепла сточных вод (рисунок 9.1) была внедрена в процессе модернизации городской инфраструктуры, когда был создан новый городской центр с деловыми и административными зданиями, учреждениями образования и культуры, научно-исследовательскими институтами.
Рисунок 9.11 – Использование теплового насоса в Японии
“Бесплатный” тепловой источник в виде сточных вод выбран для города как один из наиболее надежных – всегда доступный и имеющий постоянную температуру. Два тепловых насоса могут извлекать 3,5 МВт бесплатного тепла из переработанных отходов с температурой 15°С и поставлять району 5 МВт тепла. Покупается только 30% энергии. Предусмотрено аккумулирование тепла и использование системы не только для обогрева, но и для охлаждения. В японской модели подача тепла осуществляется с температурой 47°С вместо 150°С. Снижение температуры горячей воды на входе приводит к уменьшению тепловых потерь в зданиях с 72% до 29% при самых консервативных оценках.
Шведская модель
Швеция – вторая страна в списке мировых лидеров по применению тепловых насосов в районных системах теплоснабжения. Шведы используют все возможные типы тепловых отходов. Чем выше температура источника, тем выше КПД тепловых насосов.
Рисунок 9.12 - Применение тепловых насосов в районных системах теплоснабжения Швеции
Районные теплонасосные станции используют тепло сбросных потоков с температурой 25°С от многочисленных промышленных предприятий. Одна из причин высокого КПД системы – тип зданий: скандинавские дома имеют лучшую изоляцию в мире.
Хотя теплые промышленные отходы – богатый источник тепла для тепловых насосов, у них есть недостатки. Фабрики работают с перерывами, многие предприятия прекращают работу на выходные. Поэтому должен быть другой вспомогательный источник тепла. Если в качестве вспомогательного источника подключаются котельные, то эффективность преобразования в системе снижается.
Другим недостатком является принятая практика размещения тепловых насосов рядом с источниками тепла и подача по трубопроводам уже нагретой воды с достаточно высокой температурой (80°С). Системы более эффективны, если холодная вода подается к тепловому насосу, расположенному вблизи здания, где она нагревается.
Немецкая модель
Рассмотрим одну из лучших в мире систем теплоснабжения с тепловыми насосами (рисунок 9.3). В этой системе удалось соединить максимум преимуществ и минимум недостатков. Используются промышленные тепловые сбросы текстильного завода. Вода подается к зданиям холодной, тепловые насосы расположены около потребителя, поэтому практически нет потерь при транспорте теплоносителя.
Единственный недостаток в немецкой модели – потребность во вспомогательном котле. Текстильный завод не работает в выходные, так что приходится закупать 20% энергии в виде топлива для котла. Имея надежный геотермальный тепловой источник в добавление к системе, можно было бы улучшить КПД системы.
Рисунок 9.13 – Система теплоснабжения с тепловыми насосами в Германии