Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Илиев А.Г.

Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, Россия

Методика расчета оптимального использования тепловых вторичных энергресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных сточных вод.

Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологический ущерб от его использования, развитие рыночных отношений, изменение структур предприятий коммунального хозяйства, резкое повышение (в десятки раз) стоимости теплоэнергетических ресурсов, острая конкуренция в сфере услуг, диктуют необходимость новых разработок в сфере использования энергетического потенциала тепловых отходов в качестве источника тепловой энергии в технологических теплоиспользующих процессах предприятий сервиса, а именно, применение вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и разработку способов его рационального использования

Существенный потенциал ВЭР для применения в энергосберегающих системах теплоснабжения представляет собой тепловая энергия промышленных сточных вод. В плане выполнения Энергетической программы Российской Федерации до 2010г. с целью реализации потенциала технологического энергосбережения следует уделить внимание теплоёмким предприятиям коммунального хозяйства, в том числе фабрике-прачечной. Технологическое оборудование фабрик - прачечных можно рассматривать как теплоиспользующее оборудование, т.е. как теплообменные аппараты. Стиральные машины представляют собой смесительные теплообменники, в которых происходит нагревание рабочей жидкости (водопроводной воды) паром путём барботажного подогрева или электроподогрева. В любом случае, в результате технологических процессов стирки присутствуют промышленные горячие стоки, имеющие определенный тепловой потенциал, который можно использовать в локальной системе подогрева рабочего теплоносителя горячими промстоками в дополнительном теплообменнике.

На основе системного анализа технологических режимных карт стирки белья можно сделать следующие выводы:

-расход воды на стирку 1 кг белья, а значит и количество горячих промстоков, составляет 38-40 л;

-средневзвешенная температура промстоков от стирки составляет 60-750С;

На основе анализа условий эксплуатации технологического теплоиспользующего оборудования составлен тепловой баланс стиральных машин:

Q_СМ = Q_Б + Q_В + Q_М + Q_О + Q_И + Q_С ; (2)

Где Q_Б – расход тепла на нагрев белья;

Q_В – расход тепла на нагрев воды;

Q_М –потери тепла на разогрев металлических частей машины соприкасающихся с жидкостью и бельём;

Q_О – потери тепла нагретыми поверхностями машины в окружающую среду;

Q_И – потери тепла на испарение жидкости из машины.

Q _С - потери теплоты с промышленными стоками.

По уравнениям теплообмена можно определить все составляющие формулы (1) и процент потерь теплоты с промстоками, который составляет 40-45% от Q_СМ

Тепловой потенциал промстоков - Q_ВЫХ определяется по формуле:

Q_ВЫХ =ρ С_р G_С t_С , кДж /ч; (3)

ρ -плотность промышленных стоков, кг/м³

С_Р – массовая изобарная теплоемкость промышленных стоков, кДж/кг·град

t_С – температура промышленных стоков,⁰С;

- расход промышленных стоков, м³/ч

Таким образом, при годовом расходе промстоков G^Г_С:

Q ^Г_ВЫХ ρ С_Р ··t_C = ρ С_Р ·N^Г ·g ·t_C; ГДж/год (4)

Где G_C = N^Г · g;

N^Г – производительность предприятия, кг /год или т./год;

g – норма расхода рабочего теплоносителя (воды) на 1 т стирки белья, м³ ;

Количество ВЭР, за вычетом потерь Q_ПОТ и низкопотенциальной теплоты на сброс в конечной точке системы Q_КОН , можно определить (3):

Q^Г_ВЭР = (Q_ВЫХ - Q_ПОТ - Q_КОН) τ ≈ (0,70- 0,75) Q^Г_ВЫХ; Гкал/г (5)

Где Q_ПОТ - количество неизбежных тепловых потерь, принимаемых в пределах 3 ÷ 5% от Q_ВЫХ;

Q_КОН – количество теплоты, теряемое с теплоносителем выходящим из конечной точки системы составляет 20 – 25 %.

Таким образом Q_{ВЭР <} Q_ВЫХ и составляет

Q_ВЭР = (0,7-0,75)Q_ВЫХ

Удельный показатель по ВЭР для предприятия любой производительности

(7)

Где: Q_ВЫХ – годовой выход тепловых вторичных энергоресурсов

N^Г - годовые показатели - производительность фабрики (объемы стирки белья т/год)

В вариантах с собственным источником теплоснабжения (отопительно – производственной котельной) можно определить количество сэкономленного топлива за счет использования ВЭР по формуле (8):

(8)

Степень использования Q_ВЭР зависит от структуры предприятия, схемы использования теплоты ВЭР и направления их использования в системах: технологического теплопотребления, горячего водоснабжения, приточной вентиляции и вне основного производства.

Для более подробного анализа рассмотрения технологического процесса, при осуществлении которого необходим теплоноситель с водяным эквивалентом W и температурой t . Исходная температура теплоносителя t^I. Таким образом, для обеспечения рассматриваемого технологического процесса теплоносителем необходимых параметров, этот теплоноситель необходимо нагреть от температуры t^I до температуры t. Предполагается, что нагрев осуществляется насыщенным водяным паром с температурой t_S.

Одновременно, в результате выполнения каких-то технологических процессов имеется сток с водяным эквивалентом W_C и температурой t^I_C, причем t^I_C >t^I. Представляется целесообразным рассмотреть вопрос об использовании тепла стока для предварительного подогрева теплоносителя, а: также об оптимальной глубине охлаждения стока.

Оптимальной глубиной охлаждения будем считать такую, при которой приведенные затраты на осуществление тепловой подготовки теплоносителя будут минимальными.

Эти затраты могут быть представлены в следующем виде:

П=П_FО +П_FД +П_П +А (9)

где - П_FО затраты на основной теплообменник, руб/год;

П_FД - затраты на дополнительный теплообменник, руб/год,

П_П - стоимость пара, израсходованного для подогрева теплоносителя в основном теплообменнике, руб/год;

А - сумма затрат, не зависящих от глубины охлаждения стока.

Годовые приведенные затраты на дополнительный теплообменник:

П_FО = S_Д F_Д ε_Н (10)

Где S_Д - удельная стоимость дополнительного теплообменника, руб/м²;

F_Д - поверхность теплообмена дополнительного теплообменника, м² ,

ε_Н - нормативный коэффициент отчислений от капиталовложений 1/год.

Поверхность теплообмена дополнительного теплообменника:

(11)

где Q_Д - тепловой поток в дополнительном теплообменнике, Вт,

К_Д - коэффициент теплопередачи в дополнительном теплообменнике, Вт / м²К

Δt_Д - температурный напор в дополнительном теплообменнике, К.

Будем считать, что в дополнительном теплообменнике осуществляется противоток. Тогда среднелогарифмический температурный напор:

(12)

Уравнение теплового баланса дополнительного теплообменника:

Q_Д = W_C (t_C^I – t _C^II ) = W (t ^II–t ^I ) (13)

Годовые приведенные затраты на основной теплообменник:

П_FО =S_О F_О ε руб/год, (14)

Где S_О - удельная стоимость основного теплообменника, руб/м²;

F_О - поверхность теплообмена основного теплообменника, м²

Поверtхность теплообмена основного теплообменника:

(15)

где Q₀ - тепловой поток в основном теплообменнике, Вт,

K₀- коэффициент теплопередачи в основном теплообменнике, Вт/А;

Δt₀ - температурный напор в основном теплообменнике, К.

При конденсации греющего теплоносителя среднелогарифмический температурный напор:

(16)

Тепловой баланс основного теплообменника:

Q₀ = W(t-t^II)=Dr (17)

Где D - расход пара, кг/с,

r - теплота парообразования, Дж/кг.

Стоимость израсходованного на нагрев теплоносителя пара:

П_П = 3600 τS_П D руб/год, (18)

где τ - число часов работы, 1/год,

S_П - удельная стоимость пара, руб/кг;

D - расход пара, кг/с.

Обозначим:

Δt=t-t^I

Δt_НД =t ^I_C- t^I

Δt_C =t ^I_C- t^II

Δt_Н=t_S-t^I

Δt_Н=t_S-t

b_W= W_C /W

Решив совместно уравнения (9) - (18) с учетом принятых обозначений выражение (9) можно представить в виде:

(19)

Для определения значения St_C, при котором приведенные затраты будут минимальными в качестве функции цели целесообразно взять зависимость:

(20)

Легко доказать, что функции (17) и (18) имеют минимум при одном и том же значении Δt_C:

Обозначив:

после несложных преобразований получим следующее выражение для функции цели:

Значение Δt_c , сообщающее минимум Ф=f(Δt_c)может быть найдено одним из численных методов. Таким образом, могут быть найдены оптимальные значения глубины охлаждения стоков для основных производств отрасли при различных значениях технико-экономических показателей их работы. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и реконструкции предприятий отрасли, при внедрении системы использования теплоты промышленных сточных вод в качестве греющего теплоносителя решении использования вторичных энергоресурсов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Илиев, А.Г. «Определение технико-экономических показателей отопительных приборов предприятий сервиса при внедрении энергосберегающих теплотехнологий» / Илиев А.Г. // Сборник научных трудов Sworld.-Выпуск 1. Том 10. – Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2014-93с. 44-48с.

2. Илиев, А.Г. Снижение влияния вредных факторов на окружающую среду при функционировании энергетического сектора / Илиев А.Г. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2014». – М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. – 367 с.

3. Илиев, А.Г.Определение удельных показателей тепловых вторичных энергоресурсов предприятий сервиса / Илиев А.Г. // Перспективы развития науки и образования: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 января 2014г.:в 15 частях. Часть 1: М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2014. 163с.