Рекуперация тепла в сложных энерготехнологических схемах

Метод используется для анализа эффективности энергопотребления в сложных технологических схемах. При проведении анализа необходимо помнить, что реализуется он для всей технологической схемы. В каждой технологической схеме есть потоки, которые необходимо охладить, и потоки, которые необходимо нагреть. Сущность метода состоит в подборе взаимно обменивающихся пар потоков (технологических и энергетических) с наибольшим температурным соответствием. Метод позволяет повысить термодинамическую (эксергетическую) эффективность теплоиспользования. В соответствии с этим методом предполагается следующая последовательность:

Общие принципы рекуперации тепла, вытекающие из второго закона термодинамики, изложены выше и заключаются в необ­ходимости уменьшения движущих сил во всех точках теплооб­менников. Однако реальное осуществление этих принципов яв­ляется сложной задачей, особенно в таких системах, в которых велико число потоков различного потенциала и число вариантов рекуперации энергии. Одним из действенных приемов, используемых для оценки возможности регенерации тепловой энергии, является метод, разработанный Линхофом и др. Это метод температурного соответствия.

Метод используется для анализа эффективности энергопотребления в сложных технологических схемах. При проведении анализа необходимо помнить, что реализуется он для всей технологической схемы. Сущность метода состоит в подборе взаимно обменивающихся пар потоков (технологических и энергетических) с наибольшим температурным соответствием. Метод позволяет повысить термодинамическую (эксергетическую) эффективность теплоиспользования. В соответствии с этим методом предполагается следующая последовательность:

1. Осуществляются оценка энергии и эксергии, полной и удельной, всех потоков, поступающих в объект и из него уходящих (по каждому виду оборудования в технологической схеме).

2. Осуществляется сопоставление уровней температур и энтальпий нагреваемых и охлаждаемых потоков. Выбираются, попарно, охлаждаемые и нагреваемые потоки с точки зрения количество тепловой энергии, забираемой у охлаждаемого потока, и количества энергии, необходимой для передачи нагреваемому потоку.

3. Для каждой выбранной пары потоков строят диаграмму в координатах температура (абсолютная) – энтальпия (удельная). Можно построить график для всей технологической схемы.

4. Оценка соответствия видов и параметров энергоносителей, подводимых от внешних источников, температурному интервалу нагрева и охлаждения технологических потоков с целью снижения потерь от необратимости процессов теплообмена (потерь эксергии). Выбор рациональных видов и параметров энергоносителей для каждой стадии производства с учетом максимальной рекуперации теплоты в пределах технологической схемы.

5. Оценка общей энергоемкости рассматриваемого производства до и после рационализации.

Сюда схемы для пары и для ряда аппаратов.

Максимальный эффект применения метода температурного соответствия может быть получен при анализе не отдельного аппарата или установки, а крупных технологических установок и предприятий в целом.

На рис. иллюстрируется применение метода для пары потоков. Охлаждаемый поток меняет свою температуру по линии 5-6-7, нагреваемый поток по линии 1-2-3-4.

 

 

Рис. График температурного соответствия для пары потоков.

 

На рис. представлен график изменения температур нагреваемых и охлаждаемых потоков в схеме (это потоки перерабатываемых сред). При этом могут быть самые различные уровни температур нагреваемых и охлаждаемых потоков. Приведенный график показывает, что при минимально допустимом температурном перепаде между нагреваемыми и охлаждаемыми потоками можно сократить удельный расход теплоты от внешнего источника на величину за счет рекуперации теплоты технологических потоков в пределах производства. На первой ступени подогрева в интервале 1-2 используется низкопотенциальная теплота внешнего источника. Для подогрева на участке 4-6 использована теплота среднего потенциала и только в интервале 7-8 от внешнего источника подводится теплота высокого потенциала.

 

 

Рис. Интегральный график Т- i для нескольких охлаждаемых и нагреваемых потоков.

 

Линия 1-2-3-4-5-6-7-8 – иллюстрирует изменение параметров всех нагреваемых потоков; линия 9-10-11-12-12-14 - параметров всех охлаждаемых потоков; q_н – удельное количество низкопотенциальной теплоты, подведенной от внешнего источника; q_р1, q_р2 – удельные количества теплоты охлаждаемых, используемой для нагревания; q_с1, q_в2 – удельные количества теплоты среднего и высокого потенциала, подведенной от внешних источников; DТ_min– минимально допустимый температурный перепад охлаждаемыми и нагреваемыми потоками.

Опыт анализа технологических схем методом температурного соответствия показал возможность системного подхода к оценке энергопотребления химических предприятий на основе следующих методологических принципов:

1) разделение задачи теплоснабжения любого объекта на две части: а) рекуперация теплоты внутри схемы и б) подвод недостающей теплоты соответствующих параметров от внешнего источника и одновременное выявление количества и параметров теплоты, отводимой от процесса для полезного использования внешними потребителями;

2) определение возможностей многоступенчатого использования теплоты, в том числе низкопотенциальной;

3) комплексное решение тепло -хладоснабжения предприятия на базе тепловых насосов и абсорбционных тепловых машин;

4) дифференциальный подход к выбору энергоносителей и их параметров по каждому отделению производства, чтобы обеспечить минимальные потери эксергии при теплообмене.

Использование котла-утилизатора. Одним из действенных приемов повышения эффективности энергопотребления является использование тепла химических реакций. Реактор, в котором проходит экзотермическая реакция, снабжается теплообменником, предназначенным для рекуперации теплоты реакции.

 

 

Рис. Схема реактора-котла утилизатора: 1. реактор; 2. котел-утилизатор

 

Этот теплообменник может работать, как котел-утилизатор для генерации водяного пара. Нагретые в реакторе (поз.1), за счет тепла химической реакции, газы поступают в котел утилизатор (поз. 2). Газы отдают свое тепло воде, находящейся в межтрубном пространстве котла- утилизатора. Вода кипит, образуется пар. Затем этот пар используется как энергоноситель на других технологических аппаратах установки. Такой прием используется в том случае, если количество энергии, выделяющееся в ходе химической реакции, велико. В том случае, когда тепловой эффект реакции относительно невелик, реактор снабжается теплообменником для подогрева исходной смеси перед подачей ее в зону реакции.

Опыт анализа технологических схем методом «температурного соответствия» показал возможность системного подхода к совершенствованию энергопотребления химических предприятий на основе следующих методологических принципов:

1. Разделение задачи теплоснабжения любого объекта на две части:

а) рекуперация теплоты внутри схемы;

 

б) подвод недостающей теплоты соответствующих параметров от внешних источников и одновременное выявление количества и параметров теплоты, отводимой из процесса для полезного использования внешними потребителями.

2. Определение возможностей многоступенчатого использования теплоты, в том числе низкопотенциальной;

3. Комплексной решение тепло- и хладоводоснабжения химических предприятий на базе тепловых насосов и абсорбционных холодильных машин с широким использованием низкопотенциальных вторичных энергоресурсов.