Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЯХ

Учебное пособие

Великий Новгород

УДК 621. 1. 016. 7.(075.8) Печатается по решению

РИС НовГУ

Рецензент

Доцент В.М.Калашников

Энергосбережениев теплоэнергетике и теплотехнологиях: Учебное пособие Авт.-сост. А.Г.Муравьев; НовГУ имени Ярослава Мудрого. Великий Новгород. 2011. – 67с.

В методическом пособии изложены основные вопросы, касающиеся актуальности энергосбережения в теплоэнергетике и теплотехнологиях, методов оценки потенциала энергосбережения на предприятии, а также возможности внедрения энергосберегающих технологий и реализации энергосберегающих мероприятий в промышленности и жилищно – коммунальном хозяйстве.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 140104 "Промышленная теплоэнергетика".

УДК 621. 1. 016. 7.(075.8)

Актуальность энергосбережения в России и мире

Теплота сгорания топлива. Понятие условного топлива. Энергоёмкость ВВП.

Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива. Часто теплоту сгорания называют также теплотворной способностью топлива.

Высшая теплота сгорания топлива – это максимальное количество теплоты, которое можно получить в результате химической реакции горения топлива.

Низшая теплота сгорания топлива отличается от высшей на то количество тепла, которое затрачивается на испарение воды, содержащейся в топливе, а также образующейся в результате химической реакции горения топлива.

На испарение этой воды требуется определенное количество теплоты и высшая теплота сгорания не будет равна низшей.

Поскольку теплота, затраченная на испарение влаги чаще всего удаляется из энергетических установок в виде паров с дымовыми газами, то она редко полезно используется на практике. Поэтому в теплотехнических расчетах теплоты, получаемой при сжигании топлива используется низшая теплотворная способность топлива.

Для сопоставления энергетической ценности различных видов топлива и его суммарного учета введено понятие условного топлива. В качестве единицы условного топлива принимается топливо, которое имеет низшую теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг).

Введение понятия условного топлива позволяет, например, сопоставить энергетические затраты двух различных регионов страны, не уточняя какое количество тех или иных конкретных видов топлива сжигается в этих регионах.

Экономию энергии также удобно представлять в тоннах условного топлива (т.у.т.).

Зная теплотворную способность любого вида топлива, можно определить его эквивалент в условном топливе.

1 т.у.т. эквивалентна:

1,2–1,8 тонн каменного угля

1,8–3,2 тонны бурого угля

0,7 – 0,75 тонны мазута

0,8 – 0,9 куб.м. природного газа.

Пожалуй, основным показателем эффективности использования энергоресурсов на уровне страны является энергоёмкость внутреннего валового продукта (энергоёмкость ВВП). Обычно эту величину выражают в кг у.т. на денежную единицу.

Энергоаудит

Увеличение эффективности генерации тепла

В настоящее время происходит постоянное удорожание традиционных видов топлива (каменного угля, мазута, природного газа и т.д.), особенно в регионах, в которые эти виды топлива приходится транспортировать. Наряду с другими причинами, это связано с тем, что запасы этих топлив ограничены, и разработка новых месторождений требует всё увеличивающееся количество материальных затрат. Данная проблема может решаться различными путями, например:

1) увеличение использования альтернативных видов топлива, в том числе возобновляемых, таких как биомасса;

2) более эффективное сжигание топлива путём увеличения КПД традиционных теплогенерирующих установок или использование новых способов сжигания, например, таких как каталитическое сжигание.

Остановимся на этих двух примерах более подробно.

Виды ВЭР

Горючие ВЭР - состоящие из всех видов топливных вторичных продуктов и горючих отходов. Например, твердые отходы, жидкие сбросы и газообразные выбросы нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и других отраслей промышленности. В частности опилки, кора, твердые бытовые отходы, биошламы, использованные автомобильные покрышки и т.п.

Тепловые ВЭР - продукты производства, побочные продукты, отходы, использованные в процессе теплоносители, продукты сгорания топлива и т.д., имеющие температуру превышающую температуру окружающей среды, тепло которых может быть полезно использовано. Например - дымовые газы котлов; отработанный водяной пар; тепло конденсата; тепло продувочной воды; вентиляционные выбросы и т.д.

Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (выше 650⁰С), среднетемпературные (230-650⁰ С), низкотемпературные (ниже 230⁰С).

ВЭР избыточного давления. Пар от котлов, который редуцируется перед пароводяными подогревателями и т. д.

Тепловой насос

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рис. 8.4. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса. Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и горячего водоснабжения.

Рис. 8.4 Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса

Для того, чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.

Утилизация низкопотенциального тепла с применением теплового насоса.В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии может использоваться тепло вытяжного воздуха, отработанной воды горячего водоснабжения, грунта, подземных и морских вод, наружного воздуха, солнечной радиации.

Приводами компрессоров в тепловых насосах могут служить электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. Для тепловых насосов большой тепловой мощности используют дизельные и газотурбинные двигатели. Наиболее широкое распространение в качестве привода получили электродвигатели. Однако, в последние годы внимание специалистов привлекают двигатели, работающие на природном газе. Температура теплоносителя, получаемая в тепловых насосах с компрессорами, работающими от электродвигателя, обычно не превышает 50-60⁰ С. Более высокую температуру (до 90-95⁰ С) получают с помощью компрессора, работающего от газового двигателя, утилизируя тепло отходящих газов (10%) и тепло охлаждающей двигатель воды (33%). При этом коэффициент использования первичного топлива можно довести до 80% (доля энергии топлива, передаваемая в двигателе приводу компрессора, составляет 30%, утилизированное в системе теплового насоса тепло, выделяющееся при работе двигателя, - 50%), а коэффициент преобразования энергии возрастает с 1-4 до 3,5-6,5. Для привода компрессора используется природный газ, который сжигается в газовом двигателе. Мощность двигателя регулируется путем изменения расхода газа.

1 – вытяжной вентилятор; 2 – поток удаляемого воздуха; 3 – испаритель; 4 – регулирующий вентиль; 5 – конденсатор; 6 – компрессор; 7 – газовый двигатель; 8 – отходящие газы; 9 – теплоутилизатор отходящих газов; 10 – трубопроводы системы отопления; 11 – отопительный прибор; 12 – насос.

Рис. 8.5 Принципиальная схема системы отопления с тепловым насосом, использующим газовый двигатель

В конденсаторе вода нагревается до температуры, которая может использоваться для целей горячего водоснабжения или напольного отопления помещений, подогрева воды в бассейнах и т.д.

В результате прохождения через водоохлаждающую рубашку блока газового двигателя вода нагревается до 80-85⁰С. При этом выхлопные газы охлаждаются от температуры 650⁰С до 105⁰С. Затем вода может направляться в теплоутилизатор, где догревается теплом продуктов сгорания.

В России, к сожалению, сегодня эксплуатируются лишь единичные объекты, оснащенные теплонасосными системами теплоснабжения (ТСТ). Одним из таких объектов является сельская школа в Ярославской области, введенная в эксплуатацию в сентябре 1998 года в деревне Филиппово Любимского района. Там была создана аккумуляционная теплонасосная система теплоснабжения, максимально вписанная в суточный график электропотребления школы и использующая высвобождающиеся ночью электрические мощности и ночной тариф на электроэнергию для аккумулирования тепловой энергии в водяных баках-аккумуляторах.

В качестве источника тепловой энергии низкого потенциала для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли.

Теплонасосная система теплоснабжения школы включает следующие основные элементы:
- теплонасосные установки АТНУ-15;
- баки-аккумуляторы АКВА-3000, в каждом из которых установлено три ТЭНа по 9 кВт с таймерами;
- систему сбора низкопотенциального тепла грунта – 8 вертикальных грунтовых теплообменников – термоскважин глубиной 40 м каждая;
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Теплонасосная система теплоснабжения школы обеспечивает экономию энергии от 30 до 45 %, что позволило за четыре года эксплуатации сэкономить около 60 т у. т.

Несколько замечаний о целесообразности применения тепловых насосов для нужд отопления. Трансформация низко потенциальной теплоты в технологических схемах (выпаривание, сушка, ректификация и т.п.), как правило, оказывается экономически выгодной. Вопрос об использовании трансформации теплоты для целей отопления и коммунального теплоснабжения в каждом конкретном случае требует отдельного рассмотрения. Последнее связано с тем, что использование тепловых насосов вместо ТЭЦ увеличивает расход топлива энергосистемой, а также капитальные вложения в нее. Использование тепловых насосов вместо автономных котельных иногда дает экономию топлива, но увеличивает капитальные вложения. Следует отметить, что рост топливной составляющей в себестоимости энергии создает предпосылки для внедрения тепловых насосов, на целесообразность этого указывает зарубежный опыт.

8.2.4. Тепловая труба

Рис.8.6 Тепловая труба

Один конец тепловой трубы подключается к источнику тепла с температурой Т₁, а противоположенный - к приёмнику тепла с температурой Т₂, которая несколько ниже Т₁. Участок тепловой трубы, к которому подводится тепло, является испарителем, а участок, от которого оно отводится - конденсатором рабочей жидкости.

При нагреве испарителя рабочая жидкость испаряется из пор фитиля этого участка в паровой канал. При этом давление пара в этой зоне повышается. В то же время при охлаждении конденсатора давление пара в нём понижается. Под действием возникшей разности давлений пар в паровом канале движется от испарителя к конденсатору, где он конденсируется. Образовавшаяся жидкость впитывается в поры фитиля конденсатора и за счёт капиллярных сил подаётся по порам в испаритель, где она вновь испаряется. Таким образом, тепловая труба работает на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

Высокоэффективный компактный теплообменник-утилизатор на тепловых трубах дымовых газов малых котлов.

Теплообменник (см. рисунок) содержит корпус 1, в котором размещены тепловые трубы 2, закрепленные в перегородке 3, делящей корпус на два канала: для потоков горячего 4 и холодного 5 газов. Теплота сбросного потока горячего газа с помощью тепловых труб передается встречному потоку холодного газа. В таком теплообменнике реализуется наилучшая (противоточная) схема движения потоков, которая в рекуператорах традиционного типа практически не встречается.

Рис. 8.7 Конструкция теплообменника-утилизатора на тепловых трубах

В течение двух лет воздухоподогреватель, установленный на котле Е-1, 0-9Г-2, проходил испытания на одном из предприятий Госагропрома. Из результатов испытаний следует, что воздухоподогреватель на тепловых трубах за счет утилизации приблизительно 51 кВт тепловой мощности обеспечивает подогрев до 190-200°С поступающего в топку котла воздуха и экономию около 5,5 куб.м/ч природного газа. Коэффициент полезного действия котла увеличивается с 88 до 94,2%, т.е. на 6,2%. При этом почти в 2 раза уменьшается тепловое загрязнение окружающей среды, так как температура сбросного потока продуктов сгорания снижается с 250-270 до 150-160°C.

Литература

1. Интернет - курс "Энергосбережение" под руководством профессора Данилова О.Л. http://htex. mpei.ac.ru/NSAS/

2. "Закон РФ об энергосбережении" от 3 апреля 1996 г. № 28-Ф3.

3. А.Д. Симонов, Н.А. Языков, П.И. Ведякин, Г.А. Лавров, В.Н. Пармон Мобильные каталитические теплофикационные установки для локального теплоснабжения. Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Материалы IV всероссийской конференции и семинара РФФИ./ НГТУ. - Нижний Новгород, 2001. - 248с., с. 205-214.

4. В.Н.Пармон, З.Р.Исмагилов, М.А.Керженцев Энергосберегающие и экологически чистые технологии сжигания топлив. Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Материалы IV всероссийской конференции и семинара РФФИ./ НГТУ. - Нижний Новгород, 2001, с.192 - 198.

5. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Пожарнов В.А. Биомасса — реальный источник коммерческих топлив и энергии,Ч. 1, Мировой опыт. Теплоэнергетика, 2001, № 2, с. 21-25.

6. Мацнев В.В., Муравьев А.Г. Использование биотоплива как одно из направлений энергосбережения. Энергосбережение в Новгородской области. Проблемы и перспективы: Тезисы докл. Второго регионального научно-практического семинара.-Великий Новгород: НовГУ, НУНЦЭ, 2002, с 19-20.

7. Шилов С.А., Муравьев А.Г., Федорова Д.М., Парамонова Е.Л., Филиппов М.В., Голяцкий М.Н. Перспективы использования торфа. Энергосбережение в Новгородской области. Проблемы и перспективы: Тезисы докл. Второго регионального научно-практического семинара.-Великий Новгород: НовГУ,НУНЦЭ, 2002, с40-41.

8.Мацнев В.В., Муравьев А.Г., Федоров С.М. Перевод котла ТП-87 Новгородской ТЭЦ на сжигание торфа в кипящем слое. Вестник ГОУ УГТУ-УПИ. 80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука: Сб. тр. Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. № 8(28). с 43-45.

9. Боровков В.М., Зысин Л. В. Основные направления реконструкции отопительных и промышленных котельных по переводу их в режим работы мини – ТЭЦ на базе современных парогазовых технологий. Энергосбережение в Новгородской области. Проблемы и перспективы: Тезисы докл. Второго регионального научно-практического семинара.-Великий Новгород: НовГУ,НУНЦЭ, 2002, с 17-19.

10. Зельвенский Я.Д. Пути энергосбережения при разделении смесей ректификацией. хим. пром., 2001, №5, с 21-27.

11. Муравьев А.Г., Кузнецов В.Н. Уменьшение расхода энергоресурсов в процессе ректификации метанола. Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения: Материалы IV всероссийской конференции и семинара РФФИ./ НГТУ.-Нижний Новгород, 2001, с.77-78.

12. Муравьев А.Г. Опыт работы Новгородского учебно – научного центра энергосбережения по повышению эффективности систем теплоснабжения объектов социальной сферы и ЖКХ, “Инженерные системы” АВОК – Северо - Запад, 2005, № 2(17), с. 15-18.

13. Атаев А.Е., Елисеев Н.П.Экономия электроэнергии при внутреннем освещении административных объектов, учебных заведений, больниц, детских садов и других общественных зданий. http: www.esco-ecosus. narod. ru/2002-2/art6 htm

14.Экономия энергоресурсов в промышленных технологиях. Справочно – методическое пособие. Под ред. С.К. Сергеева. НГТУ, НИЦЭ – Н. Новгород, 2001. - 296 с.

15. Варнавский Б.П., Колесников А.И., Федоров М.Н. Энергоаудит объектов коммунального хозяйства и промышленных предприятий. Учебное пособие.М.: МИКСиС, 1998. – 150с.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Актуальность энергосбережения в России и мире.
1.1 Теплота сгорания топлива. Понятие условного топлива. Энергоёмкость ВВП.
1.2 Состояние с производством и потреблением топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в мире и в России.
2 Государственная политика в области повышения эффективности использования энергии. Нормативно-правовая и нормативно- техническая база энергосбережения.
2.1. Закон “ Об энергосбережении”. Федеральная целевая программа "Энергоэффективная экономика" на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года.
3 Энергосбережение и экология. Энергосбережение и уменьшение выбросов парниковых газов.
4 Энергоаудит.
4.1. Нормативно-правовые основания проведения энергетических обследований.
4.2. Виды энергетических обследований.
5 Увеличение эффективности генерации тепла.
5.1 Использование биомассы в качестве топлива.
5.2 Каталитические технологии сжигания топлив.
5.3 Расширение использования местных видов топлива.
6 Энергосбережение при совместной выработке тепловой и электрической энергии.
7 Пути экономии энергетических ресурсов в тепломассообменных процессах и установках.
8 Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).
8.1. Виды ВЭР.
8.2. Способы и оборудование для использования низкотемпературных тепловых ВЭР.
8.2.1. Контактный теплообменник с активной насадкой (КТАН)
8.2.2. Вращающиеся регенеративные воздуховоздушные утилизаторы тепла (тепловые колеса).
8.2.3. Тепловой насос.
8.2.4. Тепловая труба
9 Энергосбережение в жилищно - коммунальном хозяйстве.
9.1. Энергосбережение при генерации тепловой энергии в малых и средних по мощности котельных.
9. 2. Уменьшение потерь при транспортировке теплоносителя. Частотно регулируемый электропривод.
9.3. Уменьшение потерь у потребителя.
9.3.1. Уменьшение теплопотерь зданий.
9.3.2. Регулирование теплопотребления в тепловых пунктах.
10 Энергосбережение в системах освещения.
Литература