Использование вторичного тепла технологических процессов
Использование вторичного тепла технологических процессов позволяет сократить потребление энергоресурсов за счёт полезного применения энергии, которая в существующей технологической схеме отводится с горячими газами или другими потоками. Однако наличие высокотемпературного выброса ещё не означает, что эту энергию можно эффективно использовать.
Для принятия технического решения необходимо установить температурный потенциал источника, расход и свойства теплоносителя, продолжительность образования теплового потока, характеристики потребителя и требования к теплообменному оборудованию. Особое значение имеет совпадение периодов образования остаточного тепла с периодами, когда оно действительно необходимо.
Основной принцип: технически доступная тепловая энергия и фактически полезно используемая энергия — разные величины. Возможность возврата тепла подтверждается не температурой источника, а согласованностью температур, расходов, режимов работы и ограничений оборудования.
Что такое вторичное тепло технологического процесса
Вторичное тепло — тепловая энергия, содержащаяся в потоках, отводимых от основного технологического процесса, которая при соответствующих условиях может быть использована для другой полезной тепловой нагрузки.
В рассматриваемой задаче основное внимание уделяется остаточному теплу промышленных процессов, в том числе горячим газовым потокам. Предмет проверки — возможность передачи части этой энергии потребителю через технически допустимую систему теплообмена.
Важно различать наличие остаточного тепла и возможность его использования. Источник может иметь высокую температуру, но работать непродолжительное время. Потребитель может нуждаться в тепле постоянно, но в периоды, когда технологический источник не действует.
Также возможна ситуация, когда температуры источника достаточно для передачи тепла, однако состав и загрязнённость потока ограничивают применение определённого теплообменника.
Поэтому оценку выполняют для пары «источник — потребитель», а не для горячего потока в отрыве от предполагаемой полезной нагрузки.
Какие исходные данные необходимы
Для предварительного технического обоснования необходимы температуры, расходы, загрязнённость потока, графики источника и потребителя, требования теплообменника и сведения о потерях при передаче тепла.
Температуры характеризуют состояние источника и потребителя. Необходимо знать не только температуру горячего потока, но и температурные условия, при которых потребитель способен принять тепло.
Расходы позволяют оценить количество энергии, переносимой потоками за единицу времени. Высокая температура при малом расходе не обязательно соответствует значительной тепловой мощности.
Загрязнённость потока определяет ограничения для поверхности теплообмена и условий дальнейшей эксплуатации оборудования. Если среда содержит загрязнения или агрессивные компоненты, возможность использования стандартного решения требует дополнительной проверки.
График источника показывает периоды, когда остаточное тепло реально образуется, и изменение его параметров в течение технологического цикла.
График потребителя отражает периоды и величину полезной тепловой нагрузки. Без него невозможно установить, какая часть доступной энергии действительно востребована.
Требования теплообменника включают применимость выбранной конструкции к температуре, расходу и свойствам рабочих сред, а также необходимые условия передачи тепла.
Потери учитывают при определении количества тепла, которое может быть передано потребителю после прохождения предусмотренного технического контура.
Исходные сведения необходимо получать за сопоставимые интервалы эксплуатации. Если источник работает циклически, средние показатели за длительный период могут скрывать существенные различия между стадиями работы.
Как определить температурный потенциал источника
Температурный потенциал — возможность передать тепло от источника потребителю с учётом их температурных уровней и необходимого температурного напора в теплообменном оборудовании.
Для оценки сначала устанавливают фактическую температуру горячего потока на входе в предполагаемую систему утилизации.
Затем определяют температуру потребителя на входе и требуемые параметры после получения тепла.
Если температурный уровень источника недостаточен для обеспечения необходимого нагрева с учётом теплообмена, прямая передача энергии в рассматриваемой схеме не обеспечивает требуемого результата.
При этом необходимо учитывать, что температуры потоков изменяются по мере прохождения теплообменника. Поэтому разность только между начальными температурами не характеризует полностью условия работы оборудования.
Важен минимальный температурный напор между потоками в расчётных условиях. Его необходимая величина зависит от выбранной конструкции и параметров теплообмена.
Если расчётный температурный напор не обеспечивает передачу необходимой тепловой мощности, предполагаемую схему следует пересмотреть.
Наличие высокой температуры горячих газов само по себе не подтверждает техническую пригодность источника. Необходимо проверить его температурное соответствие конкретному потребителю.
Как рассчитать доступный тепловой поток
Для определения энергетического потенциала необходимо связать расход источника с изменением его теплового состояния.
В общем виде тепловую мощность, связанную с изменением энтальпии потока, можно выразить как:
Q̇ = ṁ × (hвх − hвых),
где Q̇ — тепловая мощность, ṁ — массовый расход потока, hвх и hвых — удельные энтальпии в рассматриваемых состояниях.
Энтальпия характеризует тепловое состояние среды и определяется её температурой и соответствующими свойствами.
Для применения зависимости необходимо установить допустимое конечное состояние источника. Нельзя произвольно принимать любую температуру охлаждения горячего потока без проверки технических ограничений.
При переменных расходах и температурах тепловая мощность также изменяется. Поэтому для технологического процесса с различными режимами рассчитывают соответствующие интервалы отдельно.
Тепловая энергия за период определяется интегрированием мощности по времени:
Q = ∫ Q̇(t) dt.
Однако рассчитанное таким способом количество потенциально отводимой энергии ещё не равно полезной экономии энергоресурсов. Для этого необходимо подтвердить возможность передачи тепла и его фактическую востребованность потребителем.
Почему необходимо совместить графики источника и потребителя
После оценки температур и расходов необходимо установить временную согласованность тепловых потоков.
Источник вторичного тепла может действовать только во время определённых технологических операций. Потребителю же тепло может требоваться по другому графику.
Если источник и потребитель работают одновременно, возникает возможность непосредственного использования части остаточного тепла при соблюдении остальных технических ограничений.
Если графики не совпадают, даже значительная расчётная тепловая энергия источника может оставаться невостребованной.
Поэтому сравнивают не только общие объёмы энергии за сутки или год, но и доступную мощность источника с потребностью в каждом существенном интервале.
Для предварительной оценки непосредственно используемую тепловую мощность можно ограничить тремя величинами: доступной мощностью источника, возможностью теплообменника передать её и фактической потребностью:
Q̇полезн(t) ≤ min[Q̇ист(t), Q̇т/о(t), Q̇потр(t)].
Это выражение показывает принцип ограничения, а не готовый расчёт оборудования. Реальная передача тепла дополнительно зависит от температурного напора, характеристик сред и принятой схемы.
Если потребитель не нуждается в тепле в момент работы источника, непосредственный полезный возврат в этот интервал отсутствует, даже если горячий поток продолжает образовываться.
Почему периодический выброс горячих газов может не совпадать с отопительным спросом
Характерная пограничная ситуация — периодическое образование горячих газов при технологическом процессе и потребность в тепле для отопления здания.
Горячие газы могут поступать в систему утилизации только во время работы оборудования. Отопительная нагрузка при этом определяется эксплуатацией здания и наружными температурными условиями.
Если технологический процесс останавливается в периоды, когда зданию требуется тепло, источник не способен непосредственно обеспечивать соответствующую нагрузку.
В другой период горячие газы могут образовываться при небольшой отопительной потребности. Тогда часть теплового потенциала остаётся невостребованной.
Поэтому сравнение годовой энергии горячих газов с годовой потребностью здания в отоплении недостаточно для подтверждения возможности их совместного использования.
Необходимо установить совпадение графиков и определить тепловую мощность, которую потребитель способен принять в каждый рассматриваемый интервал.
Если значительная часть работы источника приходится на время отсутствия спроса, непосредственная схема использования будет ограничена этой несогласованностью.
Именно поэтому наличие горячего выброса не означает доступную круглогодичную экономию.
Когда необходимо рассматривать накопление или резервирование тепла
Если графики источника и потребителя не совпадают, необходимо проверить, требуется ли накопление тепловой энергии либо резервирование теплоснабжения.
Накопление тепла позволяет рассматривать перенос части доступной энергии от периода её образования к периоду потребления.
При этом необходимо определить, сколько тепла образуется в избытке, в какие периоды оно требуется и какие потери возникают при накоплении и последующей передаче.
Если источник прекращает работу, а потребитель должен продолжать получать тепло, проверяют необходимость резервирования соответствующей нагрузки.
Накопление и резервирование решают разные задачи. Первое связано с временным переносом энергии, второе — с обеспечением потребителя в периоды недостаточной доступности основного источника.
Для выбора технического решения необходимо учитывать фактическую продолжительность перерывов, температурные требования потребителя и доступную энергию в рабочие периоды.
Если графики источника и потребителя достаточно согласованы, дополнительное накопление может оказаться ненужным. Если совпадения нет, отсутствие необходимого накопления или резервирования способно ограничить работоспособность предлагаемой схемы.
Решение принимают по результатам временного баланса, а не по одной величине суточного или годового энергетического потенциала.
Как загрязнённость и агрессивность среды ограничивают выбор теплообменника
Параметры горячего потока включают не только температуру и расход, но и его физико-химические характеристики.
Если газовый поток содержит загрязнения, они могут влиять на состояние поверхностей теплообмена и условия дальнейшей эксплуатации оборудования.
При наличии агрессивных компонентов необходимо проверить совместимость рабочей среды с материалами и конструкцией предполагаемого теплообменника.
Поэтому нельзя выбирать оборудование исключительно по расчётной тепловой мощности.
Сначала устанавливают состав и загрязнённость потока в предусмотренных режимах. Затем проверяют, какие ограничения эти характеристики создают для выбранной конструкции.
Если параметры среды изменяются в течение технологического цикла, необходимо учитывать не только среднее состояние, но и условия, которые могут ограничивать применение оборудования.
Если анализ показывает несовместимость среды с предполагаемой конструкцией, соответствующее решение нельзя считать технически подтверждённым.
При этом само наличие загрязнений ещё не означает невозможность возврата тепла. Оно означает необходимость обоснованного выбора конструкции и проверки условий её эксплуатации.
Главное условие: тип теплообменника должен соответствовать фактической среде, а не только температуре и предполагаемой мощности источника.
Как учитывать потери при передаче вторичного тепла
Тепло, доступное на выходе технологического процесса, не обязательно полностью достигает потребителя.
Количество полезно передаваемой энергии зависит от характеристик теплообменника и потерь в предусмотренной системе передачи.
Поэтому при оценке необходимо установить расчётные границы: где измеряется или рассчитывается тепловой потенциал источника и где определяется полезная нагрузка потребителя.
Если источник и потребитель находятся в разных точках системы, расход энергии между ними необходимо рассматривать с учётом потерь на соответствующем участке.
В общем виде полезную энергию можно представить как:
Qполезн = Qпередано − Qпотери,
где Qпередано — энергия, поступившая в рассматриваемый контур передачи, Qпотери — энергетические потери внутри установленных границ.
При этом нельзя включать одну и ту же потерю в расчёт дважды. Границы определения переданной и полезной энергии должны быть согласованы.
Для схемы с накоплением дополнительно оценивают соответствующие потери между периодом получения и периодом использования тепла.
Если потери не определены, предварительный энергетический потенциал источника нельзя автоматически принимать за полезную экономию потребителя.
Как определить фактически востребованную энергию
После проверки температурного потенциала, графиков и условий передачи необходимо определить ту часть остаточного тепла, которая способна заменить потребление энергоресурса у конкретного потребителя.
Для этого устанавливают потребность в тепловой энергии и параметры, которые должен обеспечивать предполагаемый источник.
Затем определяют, в какие периоды вторичное тепло доступно при необходимых температурах и расходах.
Если одновременно выполняются условия достаточного температурного напора, допустимого режима теплообменника и наличия полезной нагрузки, соответствующий интервал может быть включён в расчёт потенциально используемой энергии.
Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, возможность полезной передачи тепла в рассматриваемом интервале требует дополнительного технического решения.
В результате получают не просто годовое количество энергии горячего потока, а предварительный профиль полезного теплового замещения.
Он необходим для оценки того, какую часть действующей тепловой нагрузки предполагаемая система действительно сможет обеспечить.
Если исходные параметры изменяются, расчёт необходимо выполнять для соответствующих режимов, а не только по среднему значению.
Как оценить экономическую полезность возврата тепла
Экономическая оценка должна опираться на технически подтверждённую величину полезно используемой энергии.
Недостаточно рассчитать весь тепловой потенциал отходящих газов и умножить его на стоимость энергоресурса.
Сначала необходимо установить, какая часть тепла может быть передана потребителю при фактических режимах эксплуатации.
Затем определяют, какое потребление энергоресурса эта передача способна заменить.
При этом следует учитывать, что величина переданного тепла и сокращение приобретаемого энергоресурса не всегда совпадают в физических единицах: результат зависит от характеристики существующего способа теплоснабжения.
Для оценки экономической полезности также необходимы затраты на реализацию и эксплуатацию рассматриваемой схемы.
Если температурный потенциал, совместимость графиков или требования к теплообменнику ещё не подтверждены, финансовый расчёт носит предварительный характер.
Обоснованное решение нельзя принимать только по высокой температуре выброса или крупной оценке его годового теплосодержания.
Экономическую целесообразность проверяют для фактически возможного теплового замещения с учётом необходимых технических условий.
Как оформить техническую схему возможной утилизации
Результатом проверки должна стать техническая схема возможного использования вторичного тепла с оценкой согласованности источника и потребителя, температурного потенциала и ограничений оборудования.
В схеме определяют источник остаточного тепла и его фактические параметры.
Затем указывают предполагаемого потребителя, требуемый температурный режим и временную потребность в тепловой энергии.
Между ними устанавливают предполагаемую границу теплообмена и требования, которым должно соответствовать оборудование.
Отдельно отражают загрязнённость или агрессивность горячего потока, поскольку эти свойства могут ограничивать допустимую конструкцию теплообменника.
Далее показывают, насколько совпадают графики источника и потребителя.
Если согласованность недостаточна, указывают необходимость проверки накопления тепла или резервирования нагрузки.
При расчёте ожидаемого результата учитывают доступную тепловую мощность, ограничения температурного напора и потери при передаче.
Все значения необходимо разделять на измеренные, расчётные и предварительно принятые.
Если для подтверждения данных используются акты, эксплуатационные журналы или измерительные протоколы, они должны относиться к соответствующим режимам и границам системы.
Такая схема позволяет определить, какие технические условия уже подтверждены и какие сведения необходимы до выбора окончательного решения.
Как проверить достаточность исходных данных
Перед использованием расчёта необходимо установить, подтверждены ли характеристики источника и потребителя.
Если известна температура горячего потока, но отсутствуют достоверные сведения о расходе, нельзя определить его тепловую мощность.
Если расход известен, но не установлены температурные требования потребителя, невозможно проверить достаточность температурного потенциала.
Если параметры потоков подтверждены, но отсутствуют их графики, нельзя достоверно определить годовую полезно используемую энергию.
Если известны температуры и графики, но не исследована загрязнённость или агрессивность среды, применимость предполагаемого теплообменника остаётся неподтверждённой.
Если не учтены потери при передаче, величина полезного теплового замещения может оказаться завышенной.
Поэтому достаточность исходных данных оценивают применительно к конкретному выводу. Наличие части измерений может позволять определить предварительный потенциал, но не подтверждать работоспособность всей схемы.
Недостающие сведения необходимо перечислять как условия дальнейшей проверки, а не заменять их произвольными коэффициентами.
Когда использование вторичного тепла можно считать обоснованным
Предварительно обоснованной можно считать схему, для которой установлены источник, потребитель, их температурные и расходные характеристики, согласованность периодов работы и применимость предполагаемого теплообменного оборудования.
Если источник периодический, необходимо подтвердить, какая часть его теплового потенциала совпадает с полезной нагрузкой. При несовпадении графиков отдельно рассматривают необходимость накопления или резервирования.
Если горячий поток загрязнён либо содержит агрессивные компоненты, необходимо проверить допустимость выбранной конструкции и условия её эксплуатации.
Если требуется экономическая оценка, она должна исходить из реально доступного полезного теплового замещения, а не из полного теплосодержания выброса.
При этом техническая схема с предварительными расчётами ещё не доказывает фактически достигнутую экономию. После реализации потребуются измерения в соответствующих режимах эксплуатации.
Главное ограничение: без анализа чистоты потока, фактических режимов источника и потребителя и температурного напора расчёт возврата тепла остаётся предварительным. Высокая температура выброса не подтверждает доступную круглогодичную экономию.
Практический вывод заключается в том, что использование вторичного тепла необходимо оценивать последовательно: установить температуры и расходы, проверить свойства среды, совместить временные профили источника и потребителя, определить допустимую передачу энергии и учесть потери. При несовпадении графиков рассматривают необходимость накопления или резервирования.
Результатом становится технически проверяемая схема возможной утилизации с явно обозначенными ограничениями. Она позволяет перейти к следующему решению — уточнению конструкции, параметров и экономической целесообразности — без необоснованного предположения, что весь остаточный тепловой поток может быть полезно использован.
Связанные направления: материалы по энергоэффективности, печи и термическое оборудование и разработка мероприятий по энергосбережению.