Энергосбережение промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергосбережение промышленности

1. Энергосбережение в котельных и тепловых сетях

1.1 Снижение потерь теплоты с уходящими газами

Основными потерями в котельных установках являются потери с теплотой отходящих газов [17]. Потери теплоты с уходящими газами (q₂) в котлах без хвостовых поверхностей, работающих с _опт, могут достигать 25 %. Мероприятия, способствующие уменьшению потерь q₂, следующие.

1. Установка водяного питательного поверхностного экономайзера (экономайзера и воздухоподогревателя) - экономия газа 4-7 %, теплофикационного - 6-9 %, контактного - 10-15 % в зависимости от температуры уходящих газов. Запишем выражение для потерь теплоты с уходящими газами в упрощенном виде (без учета теплоты вносимой холодным воздухом)

(172)

и рассчитаем изменение потерь при увеличении (уменьшении) температуры уходящих газов на ?t_ух

. (173)

Для природного газа V⁰ ? 9,7 м³/м³; м³/м³; МДж/м³. При средней теплоемкости продуктов сгорания с_г = 1,5 кДж/м³ и коэффициенте избытка воздуха = 1,2 отношение . Таким образом увеличение (уменьшение) температуры уходящих газов на 20 єС приводит к изменению КПД на 1 %. При больших избытках воздуха влияние изменения температуры уходящих газов более существенно.

2. Работа котлоагрегата с оптимальным коэффициентом избытка воздуха = _опт. Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке выше оптимального приводит к снижению температуры в топке и уменьшению температурного напора, кроме того, увеличивается расход электроэнергии на привод вентилятора и дымососа. Из выражения (172) следует, что при изменении коэффициента избытка воздуха на ? потери теплоты с уходящими газами меняются на

. (174)

При температуре уходящих газов в диапазоне 120-170 єС увеличение ? на 0,1 приводит к увеличению q₂ на 0,5-0,7 %.

3. Увеличение плотности газоходов приводит к уменьшению присосов воздуха по тракту котла. Увеличение присосов воздуха по газовому тракту котел - дымосос на 10 % приводит к перерасходу газа на 0,5 %, повышению расхода электроэнергии на привод дымососа на 4-5 %.

Рассмотрим эффективность установки воздухоподогревателей. Котлы марки КВГМ, как правило, не укомплектованы воздухоподогревателями, что обусловливает в некоторых случаях повышенное значение температуры уходящих газов. Расчетное значение температуры уходящих газов у котла КВГМ-180 составляет 175 °С. Простой срок окупаемости проекта при установке за котлом воздухоподогревателя рассчитывается следующим образом. При известных значениях расхода топлива В₁, температуры уходящих газов t_ух, коэффициенте избытка воздуха _ух и КПД котлоагрегата рассчитывают значения потерь теплоты с уходящими газами

. (175)

При установке воздухоподогревателя за котлом температура газов снизится до значения . При этом уменьшатся потери теплоты с уходящими газами до значения

(176)

и возрастет КПД котельного агрегата

. (177)

Это приводит к снижению расхода топлива:

(178)

что позволяет рассчитать годовую экономию топлива как

, (179)

где h - число часов работы котлоагрегата в течении года; Ц_т - стоимость природного газа.

Количество теплоты, отданное продуктами сгорания, определятся выражением

. (180)

Площадь поверхности теплообмена определится из выражения

, (181)

где температурный напор рассчитывается как

, (182)

а коэффициент теплопередачи по критериальным формулам при предварительно заданной скорости движения газа и воздуха в диапазоне 7 -15 м/с. После определения площади поверхности теплообмена уточняются конструктивные характеристики воздухоподогревателя, а именно: число труб, длина, шаги между трубами и уточняется значение коэффициента теплопередачи. Обычно воздухоподогреватель изготавливают из труб 40Ч1,5, шаги между трубами при шахматном их расположении составляют 40-45 мм и 45-60 мм. Для котлов малой мощности используют трубы меньшего диаметра. После уточнения конструктивных характеристик: общего числа труб n, поперечного и продольных шагов, свободного сечения для прохода газа и воздуха уточняют значения скоростей газа и воздуха. Затем определяют уточненное значение площади поверхности воздухоподогревателя F и его длину . При известной массе металла и стоимости одного килограмма Ц_м ориентировочные затраты на изготовление и монтаж воздухоподогревателя составят З_вп?2МЦ_м. На рис. 73 представлены расчеты годовой экономии топлива и затраты на монтаж (в ценах 2006 г.) воздухоподогревателя для котла КВГМ - 180 при различной температуре уходящих газов. Уменьшение температуры продуктов сгорания вплоть до 110 °С окупается практически за один год З_вп ? Э_т. При охлаждении продуктов сгорания до более низких температур возникают дополнительные затраты, связанные с обеспечением надежной работы дымовой трубы.

Рис. 73. Годовая экономия топлива и затраты на монтаж воздухоподогревателя для котла КВГМ - 180

1.2 Потери теплоты с химической неполнотой сгорания

Они должны быть сведены к нулю за счет правильного выбора горелок, качества изготовления и монтажа, проведения наладки работы горелок и топочных туннелей.

1.3 Потери теплоты в окружающую среду

Для снижения расхода газа из-за потерь теплоты в окружающую среду следует тщательно выполнять и поддерживать в исправном состоянии ограждения котла, изоляции оборудования, трубопроводов, задвижек, фланцев и т.д.; при этом температура на поверхности обмуровки не должна превышать 55 С при температуре окружающего воздуха 25 С.

1.4 Работа котельной установки в режиме пониженного давления

Работа котельной установки в режиме пониженного давления характеризуется следующим:

а) уменьшение давления пара в барабане котла приводит к снижению степени сухости пара, особенно существенно при р_к 0,5р_н. Кроме того, увеличение влажности пара может приводить к гидравлическим ударам в сетях и паропотребляющем оборудовании, увеличению времени технологических процессов, а в некоторых процессах и к браку продукции;

б) снижение давления пара и уменьшение температуры насыщения увеличивает температурный напор и приводит к более глубокому охлаждению продуктов сгорания, что несколько повышает КПД котла.

1.5 Температура питательной воды t_в

Она оказывает существенное влияние на экономичность работы котлоагрегатов. Для котлов с р_н = 14 кгс/см² увеличение температуры воды на входе в барабан котла t_в.б на каждые 10 С дает экономию газа на 1,7-2,2 % при условии сохранения постоянного значения КПД за счет дополнительных мероприятий. Расход природного газа на выработку пара может быть рассчитан из уравнения прямого баланса котлоагрегата

, (183)

где D - паропроизводительность котельной; i и i_пв - энтальпии насыщенного пара и питательной воды.

При температуре питательной воды 105-110 єС, КПД, равном 90 %, и энтальпии насыщенного пара при давлении 14 кгс/см², равной 2788 кДж/кг, расход природного газа на выработку одной тонны пара составит м³/т. Повышение температуры питательной воды (при условии сохранения постоянных значений давления пара, производительности и КПД) можно оценить из уравнения прямого баланса котла (183)

. (184)

Увеличение температуры питательной воды на 10 єС приводит к уменьшению удельного расхода газа на м³/т, или на (1,5/70)100 % ? 2 %.

Но увеличение температуры питательной воды приводит к увеличению температуры уходящих газов, особенно когда экономайзер является последней по ходу газов поверхностью, что приводит к снижению КПД. Потому положительный эффект от повышения температуры питательной воды может быть достигнут только при одновременном проведении мероприятий по снижению температуры уходящих газов. Так, например увеличение температуры питательной воды и установка теплофикационного экономайзера за паровым котлом дает суммарный положительный эффект.

1.6 Возврат конденсата в котельную

В практике эксплуатации паровых систем теплоснабжения недостаточное внимание уделяется сбору и возврату конденсата в котельную, а это приводит к значительному перерасходу топлива. Перерасход газа (В, м³/ч) в котельной только за счет замещения физической теплоты невозвращенного от потребителя конденсата может быть рассчитан по формуле

, (185)

где D - паропроизводительность котельной, т/ч; доля возврата конденсата, доли единицы; D(1- ) - количество конденсата, невозвращенное в котельную, в том числе и от расхода пара на собственные нужды, т/ч; i_к и i_с.в - действительная энтальпия конденсата в котельной и энтальпия сырой (исходной) воды, кДж/кг. При полном невозврате конденсата ц = 0 удельный перерасход топлива составит

, (186)

что составляет 10/70·100 ? 15 % от расхода топлива на выработку пара.

1.7 Использование тепловой энергии непрерывной продувки котлов

При избыточном давлении пара =1,6-1,3 МПа, наиболее распространенном в отопительно-производственных котельных, каждый процент продувки, если тепловая энергия ее не используется, увеличивает расход топлива примерно на

, (187)

что составляет 0,24/70·100 = 0,34 % от расхода топлива на выработку пара.

При максимальной допустимой расчетной продувке 10 %, установленной нормами для котлов с давлением до 1,4 МПа, и без использования тепловой энергии продувочной воды потери топлива могут превысить 3,5 % общего расхода топлива.

Рис. 74. Схема установки сепаратора и охладителя непрерывной продувки:

1 - барабан котла; 2 - сепаратор непрерывной продувки;

3 - теплообменник-охладитель сепарированной воды; 4 - деаэратор

Для использования тепловой энергии непрерывной продувки устанавливают сепаратор и теплообменник (рис. 73). Экономия топлива на каждую тонну выработанного пара при использовании тепловой энергии продувочной воды с установкой сепаратора и теплообменника составит:

, (188)

где Р - процент продувки; удельная энтальпия сепарированного пара, кДж/кг; удельная энтальпия сепарированной воды, кДж/кг; доля сепарированного пара, которая рассчитывается по выражению

, (189)

где i энтальпия продувочной воды. При давлении в котле 1,4 МПа и давлении в сепараторе, близком к атмосферному, доля сепарированного пара составляет ~ 0,17-0,2.

Степень использования тепла продувочной воды может быть охарактеризована коэффициентом использования . При установке сепаратора и теплообменника определяется по формуле

. (190)

Если установлен только сепаратор, при расчете по этой формуле принимают т.е. второй член в числителе равен нулю.

1.8 Режимы работы котельного оборудования

Большие, легкодоступные, практически не требующие затрат резервы экономии газа и электроэнергии заключены в оптимальном распределении нагрузок между котлами, работающими на общего потребителя.

С уменьшением нагрузки ниже номинальной (рис. 75) уменьшается температура уходящих газов, а значит, падают потери теплоты с уходящими газами. При малых нагрузках уменьшаются скорости истечения газа и воздуха, ухудшается их смешение и могут возникнуть потери с химической неполнотой сгорания. Абсолютные потери теплоты через обмуровку остаются практически неизменными, а относительные (отнесенные на единицу расхода топлива) естественно возрастают. Это приводит к тому, что при пониженных нагрузках имеется максимальное значение КПД (рис. 76). Значение нагрузки котла, при которой КПД достигает максимума, зависит от множества факторов, основными из которых являются вид топлива, тип котла и его номинальная мощность.

На основании режимных карт для каждого котлоагрегата может быть построена расходная характеристика, представляющая собой графическую зависимость расхода топлива от количества выработанного пара или тепловой энергии. Характеристика должна быть определена экспериментально при работе котлоагрегата при исправном состоянии оборудования. Расходные характеристики котлоагрегатов, приведенные на рис. 77, можно выразить в виде функциональных зависимостей: и , где , часовой расход топлива соответственно котлами №1 и №2; , паро- или теплопроизводительность этих котлов.

Рис. 75. Изменение потерь с уменьшением нагрузки котла:

1 - потери теплоты с уходящими газами; 2 - потери теплоты с химической неполнотой сгорания; 3 - потери теплоты через ограждения

Суммарная выработка пара (тепловой энергии) в единицу времени двумя котлами составляет . Если котел №1 загружен до значения , то загрузка котла №2 составит . Следовательно, и .

Суммарный расход топлива на два котла составит:

. (191)

Рис. 76. Изменение КПД при уменьшении нагрузки котла

Для того чтобы расход топлива был наименьшим (оптимальным), необходимо, чтобы первая производная суммы в правой части уравнения, взятая по нагрузке любого из котлов, равнялась нулю, а вторая производная была положительной. Таким образом, условие минимума суммарного расхода топлива можно получить в результате дифференцирования вышеприведенного выражения, например, по , т.е.

. (192)



Рис. 77. Расходные характеристики котлоагрегатов

Производная может быть определена из условия , следовательно, . Разделив последнее выражение на , получим или . Подставляя в правую часть выражения , получаем

. (193)

Это выражение показывает, что для получения минимального суммарного расхода топлива каждый из котлов должен нести такую нагрузку, при которой наклон касательной к характеристике одного агрегата равен наклону касательной к характеристике другого агрегата, или .

Заменив производные в выражении отношениями и , получим условие минимального суммарного расхода топлива в котельной в виде

. (194)

Величину, характеризующую удельный прирост расхода топлива и , отнесенный к дополнительной производительности котлов и , принято называть относительным приростом расхода топлива.

Если котлоагрегаты одинаковы, то у них общая характеристика , т.е. для выработки одного и того же количества пара (тепловой энергии) каждым котлом потребуется одинаковый расход топлива . Следовательно, между одинаковыми котлоагрегатами суммарная нагрузка должна распределяться поровну.

1.9 Перевод паровых котлов на водогрейный режим

Перевод паровых котлов на водогрейный режим имеет как недостатки, так и преимущества.

При переводе всех котлов паровой котельной на водогрейный режим необходима установка вакуумного деаэратора вместо атмосферного, надежность работы которого в условиях разбалансировки тепловой сети крайне низка. При низкой температуре обратной сетевой воды и отсутствующих насосах рециркуляции, как правило, не удается подогреть воду перед вакуумным деаэратором до требуемой температуры.

При переводе котла на водогрейный режим уменьшается температура воды на вводе в котел со 105 до 70 єС, а также увеличивается температурный напор, поскольку средняя температура теплоносителя снижается от температуры насыщения при давлении в котле (~194 єС) до средней температуры воды в водогрейном котле (~100 єС). Обе эти причины приводят к снижению температуры уходящих газов и, как следствие, к некоторому повышению КПД котла.

1.10 Оптимизация работы насосного и тягодутьевого оборудования

В целях обеспечения надежности, как правило, тягодутьевое оборудование устанавливается с большим запасом мощности. Это приводит к тому, что дымососы и вентиляторы работают далеко от области максимальных значений КПД. Достаточно простым и малозатратным мероприятием является замена существующего двигателя на электродвигатель с меньшим числом оборотов.

Наибольшие затраты электроэнергии в котельных приходятся на привод сетевых насосов. При этом следует выделить следующие особенности: должна быть тщательно проанализирована гидравлика сети, в которой не должно быть участков, где скорость воды много больше 1 м/с; при качественном регулировании тепловой нагрузки сеть должна быть шайбирована, чтобы исключить перераспределение нагрузок между потребителями; характеристики насосов должны быть согласованы с характеристикой тепловой сети. И, наконец, должна быть предусмотрена возможность работы с пониженным расходом воды в летний период, для чего обычно устанавливают дополнительные насосы.

2. Тепловые потери трубопроводов

Качество изоляции трубопроводов особенно в небольших населенных пунктах не соответствует нормам. Достаточно часто встречаются протяженные участки плохо изолированных либо совсем неизолированных трубопроводов. Удельные (с единицы погонного метра) теплопотери от неизолированных труб, обусловленные конвекцией и излучением составят q_l, Вт/м:

, (195)

где _л и _к - коэффициенты теплоотдачи за счет излучения и конвекции; t_т и t_в - температуры теплоносителя и наружного воздуха; d - наружный диаметр трубы. Коэффициент теплоотдачи за счет излучения принимается в соответствии со СНИП равным 5 Вт/(м²К). Точно рассчитать коэффициент теплоотдачи конвекцией достаточно сложно, поскольку его величина существенно зависит от погодных условий. При отсутствии ветра коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формулам для естественной конвекции [18] _к, Вт/(м²К):

, (196)

где Gr=gв·(t_т-t_в)d³/v² - число Грасгофа; коэффициент объемного расширения для идеальных газов рассчитывается как в=1/T_в (при температуре воздуха); g - ускорение свободного падения, Pr=v/a - число Прандтля, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент теплопроводности рассчитывают при температуре средней между температурой поверхности и воздуха.

При наличии заметного ветра следует пользоваться выражениями для вынужденной конвекции [18]

(197)

На рис. 78 приведены данные расчета удельных тепловых потерь (при естественной конвекции) неизолированных стальных труб при температурах теплоносителя 130 и 90 °С и средней температуре воздуха за отопительный период (-6,8 °С). При диаметре трубы в 300 мм и температуре теплоносителя 130 єС с 1 км трубопровода теряется 1,5 МВт тепловой мощности.

Рис. 78. Удельные тепловые потери от неизолированного трубопровода:

1 - температура теплоносителя 130 єС; 2 температура теплоносителя 95 єС

энергосбережение тепловой котел трубопровод

3. Энергосбережение в компрессорном хозяйстве

Большой расход сжатого воздуха на промышленных предприятиях связан с его нерациональным использованием и различного рода утечками. Значительная часть утечек, связанных с продувкой трубопроводов и влагомаслоотделителей практически неизбежна, особенно в зимнее время [19]. За счет продувок из трубопроводов сжатого воздуха удаляют капельную влагу, которая неизбежно появляется в воздухопроводах, если воздух после сжатия не подвергать осушке. Влага в воздухопроводах создает и еще много проблем, в частности, трубы внутри всегда мокрые. Влага и кислород сжатого воздуха создают идеальные условия для коррозии. Мало того, она скапливается в нижних точках воздухопроводов и может либо замерзнуть, либо поступить к потребителю в виде пробки, проталкиваемой воздухом.

Для того чтобы не было обводнения и засорения, магистральные трубопроводы следует укладывать с уклоном 0,003--0,005 в направлении движения воздуха и отводы из магистрального трубопровода рекомендуется располагать сверху, что значительно уменьшает возможность попадания конденсата к потребителю. На практике прокладка воздухопровода с уклоном встречается редко, чаще всего воздухопровод прокладывают по существующим эстакадам (воды, пара, газа). При такой укладке трубопроводов возможно образование впадин, в которых происходит скопление воды, масла и грязи.

Рассчитаем потери сжатого воздуха из компрессорной сети.

Уравнение первого закона термодинамики для потока имеет вид

,

где h₂ и h₁ энтальпии потока в начальном и конечном состоянии; l_техн - совершенная работа; С₂ и С₁ - скорости потока в начальном и конечном состоянии. В адиабатном процессе истечения l_техн=0, q=0, тогда уравнение преобразуется к виду [20]:

. (198)

Пусть истечение происходит из большого объема, тогда начальная скорость потока равна нулю (С₁=0), а скорость истечения определится выражением

. (199)

Изменение энтальпии можно выразить через изменение внутренней энергии и произведения давления на удельный объем:

. (194)

Для адиабатного процесса истечения (q = 0) уравнение первого закона термодинамики можно записать в виде

. (200)

Работа адиабатного процесса:

. (201)

Подставляя значение теплоемкости при постоянном объеме в выражение для технической работы, получим

. (202)

Подставляя выражение для работы в выражение для изменения энтальпии, получим:

.

В адиабатном процессе , отсюда

,

тогда комплекс в скобках в выражении для изменения энтальпии приобретет вид

,

а выражение для изменения энтальпии в окончательном виде можно записать как

. (203)

Скорость истечения при этом определится выражением

. (204)

Массовый расход газа m через сопло , или

, (205)

выражая удельный объем из уравнения адиабаты как или и, подставляя в выражения для массового расхода, получим:

. (206)

Из выражения следует, что массовый расход идеального газа при истечении зависит от площади выходного сечения, свойств и начальных параметров газа и степени его расширения . При расход, естественно, равен нулю (). С уменьшением давления среды P₂ расход газа увеличивается и достигает максимального значения при . При дальнейшем уменьшении отношения значение m, рассчитанное по выражению (206), убывает и при становится равным нулю. Эксперимент показывает, что на самом деле при достижении критического значения отношения давлений дальнейшее уменьшение не влияет на массовый расход, который в дальнейшем остается постоянным. Для отыскания максимума функции возьмем первую производную от выражения в квадратных скобках и приравняем ее нулю.

.

Отсюда следует, что , или . Таким образом, отношение критического давления на выходе к давлению перед соплом имеет постоянное значение и зависит только от показателя адиабаты.

Атомность газа .1 2 3

k 1,66 1,4 1,3

0,49 0,528 0,546

Критическая скорость истечения устанавливается в устье при истечении в среду с давлением, равным или ниже критического. Ее можно определить, подставив в уравнение для скорости

вместо отношения давлений значение

,

тогда получим выражение для скорости истечения в виде

. (207)

Как следует из выражения (202), величина критической скорости газов определяется физическими свойствами и начальными параметрами газа. В выражение для массового расхода входит удельный объем при критическом давлении, который может быть выражен из уравнения состояния .

.

Тогда массовый расход воздуха составит:

. (208)

Даже при избыточном давлении воздуха в 1 атм достигается критическая скорость истечения (рис. 79), которая в дальнейшем при увеличении давления воздуха в воздуховоде не изменяется. Поскольку при увеличении давления в воздуховоде пропорционально возрастает плотность воздуха, то увеличение давления в воздуховоде приводит к непрерывному росту массового количества воздуха, истекающего через отверстие (рис. 80).



Рис. 79. Изменение скорости воздуха через отверстие диаметром 10 мм при изменении давления в воздухопроводе

Рис. 80. Изменение расхода воздуха через отверстие диаметром 10 мм при изменении давления в воздухопроводе

Снижение теплопотерь за счет использования двухкамерного остекления

Рассмотрим, как снизятся потери теплоты за счет замены обычного однокамерного остекления площадью 20 м² на двухкамерный стеклопакет. Исходные данные для расчета: зазор между стеклами = 20 мм; толщина стекол _с = 4 мм; теплопроводность стекла = 0,75 Вт/(мК); теплопроводность воздуха _в = 0,025 Вт/(мК); кинематическая вязкость воздуха _в = 1510^-6 м²/с; число Прандтля =0,7; температура воздуха внутри помещения =22 С; температура наружного воздуха = -6 С; коэффициент теплоотдачи от стекол к наружному воздуху _н=12 Вт/(м²К); коэффициент теплоотдачи от стекол к воздуху в помещении _вн=8 Вт/(м²К); степень черноты стекла е = 0,9. Расчетная схема приведена на рис. 81.

Рис. 81. Схема для расчета однокамерного остекления

Удельный тепловой поток при однокамерном остеклении можно рассчитать по выражению

Вт/(м²К), (209)

где коэффициент теплоотдачи от поверхности стекла к воздушной прослойке, являющийся суммой конвективного и лучистого коэффициентов теплообмена. Коэффициент теплоотдачи за счет естественной конвекции при значениях 700<<10⁶ рассчитывается из выражения

. (210)

Теплофизические свойства воздуха определяют при средней температуре

С.

Произведение критериев Грасгофа и Прандтля можно записать в виде

,

где коэффициент объемного расширения для газов равен . Для принятых исходных данных коэффициент теплоотдачи конвекцией оказался равным . Коэффициент теплоотдачи излучением рассчитывается по выражению

, (211)

где приведенная степень черноты определяется как .

В результате расчетов оказалось, что Вт/(м²К).

Удельный тепловой поток при двухкамерном остеклении можно рассчитать по выражению (расчетная схема приведена на рис. 82):

. (212)

Рис. 82. Схема для расчета двухкамерного остекления

Система инфракрасного обогрева производственных помещений

Инфракрасные системы обогрева (ИКО) имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными системами [21]:

высокая надежность теплоснабжения: отсутствие водяного цикла исключает размораживание;

высокая скорость нагрева: прогрев рабочих мест осуществляется в течение нескольких минут после включения, что дает возможность снижения температуры, а значит и расхода газа в ночное время, в выходные и праздничные дни;

меньшая температура воздуха в помещении: комфортные условия работы наблюдаются при температурах внутреннего воздуха меньших на 5-10 С, чем при использовании конвективных систем;

локальный обогрев: излучатели могут осуществлять зонный обогрев отдельных рабочих.

В соответствии с имеющимся опытом желаемая температура в помещении может быть выражена как

,

где t_в - температура воздуха в помещении, С; t_л - лучистая температура, получаемая поверхностями за счет излучения от рабочих поверхностей инфракрасных излучателей.

Воздух в помещении не нагревается за счет инфракрасного излучения и может быть ниже желаемой температуры. Следовательно, возможно снижение температуры воздуха t_в при одновременном увеличении лучистой температуры t_л.

Выражение для желаемой температуры также может быть записано как

,

где I - плотность лучистого потока, Вт/м². Плотность потока излучения на постоянных рабочих местах ограничена величиной 150 Вт/м². При максимально допустимом лучистом потоке температура воздуха в рабочей зоне может быть снижена до .

Особенно эффективны системы ИКО в промышленных зданиях с высокими пролетами, в которых при обычных конвективных системах теплый воздух поднимается под потолок, оставляя нижнюю часть помещения, где как раз работают люди, относительно холодной. Разница в температурах между воздухом у пола и потолка может достигать 20 С.

Оценим возможную экономию тепла при использовании системы ИКО. При стандартном конвективном способе отопления производственных помещений с высокими пролетами перепад температуры воздуха по высоте может достигать t = 10-15 С. При известном коэффициенте тепловых потерь здания k плотность теплового потока потерь при конвективном отоплении приближенно выражается как

, (213)

где - средняя температура воздуха в помещении, С; t_н - температура наружного воздуха, С.

При лучистом отоплении перепад температуры воздуха по высоте здания отсутствует или может быть даже отрицательным (вверху температура воздуха ниже, чем у пола). В этом случае потери тепла при использовании системы ИКО и сохранении той же самой желаемой температуры на рабочем месте выражается как

. (214)

Тогда перевод отопления с конвективного на ИКО при средней температуре наружного воздуха за отопительный сезон t_н = -6,6 С дает снижение теплопотерь здания в 2 и более раз:

Дальнейшее снижение потребления теплоты возможно за счет уменьшения температуры на рабочих местах в ночное время, выходные дни, а также путем применения локального обогрева. Все эти режимы легко реализуются с помощью ИКО.

По способам сжигания природного газа и температуре рабочих поверхностей можно выделить 3 группы ИК- излучателей:

а) светлые ИК- излучатели - температура рабочих поверхностей 800-1000 С;

б) «темные» ИК- излучатели - 00-650 С;

в) «черные» ИК- излучатели - 200-300 С.

Светлые системы ИКО. Все светлые ИК- излучатели основаны на принципе поверхностного горения (рис. 82).

Основным элементом излучателя является панель из пористой перфорированной керамики (рис. 83). На внутреннюю сторону панели подается смесь газа и воздуха, которая затем проходит через отверстия малого диаметра в керамической панели, при этом смесь нагревается и воспламеняется вблизи поверхности. Образующееся в выходных частях отверстий пламя нагревает излучающую керамическую поверхность до температуры 800-1000 С.

Рис. 83. Схема работы светлого ИК- излучателя:

1 - газовоздушая смесь;

2 - пористая перфорированная панель; 3 - излучающая поверхность;

4 - стабилизирующий экран

Из-за высокой температуры поверхности эти излучатели должны монтироваться на достаточном расстоянии от рабочих мест и пола. Лучистый КПД в лучших моделях может достигать 60 %. Кроме того, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу цеха, отдавая теплоту зданию. Поэтому суммарный КПД таких систем близок к 100 %. Для поступления воздуха на горение и удаления продуктов сгорания необходимо обеспечить приточно-вытяжную вентиляцию объемом 23,3 м³/ч на 1 кВт установленной мощности ИК-излучателей. Как правило, имеющейся естественной вентиляции достаточно для этих целей.

Кроме указанных выше преимуществ, светлые излучатели компактны, легко устанавливаются на колоннах и фермах, не занимая полезное пространство цехов, не требуют специальных вытяжных и воздухоподводящих труб, вентиляторов, потребляют минимум электроэнергии. Таким образом, светлые ИК- излучатели идеальны для обогрева цехов с высокими пролетами. Ограничения по применению могут быть связаны с чрезмерной запыленностью и пожароопасностью производства.

«Темные» ИК- излучатели. «Темные» ИК- излучатели имеют температуру рабочей поверхности 400-650 С. Типичная конструкция представлена на рис. 84.

Система содержит горелку, соединенную трубой диаметром 80-100 мм с вытяжным вентилятором. Поток продуктов сгорания поступает в трубу, доводя температуру ее наружной поверхности до 400-650С. Отражатель, расположенный над излучающей трубой, направляет поток тепла в отапливаемую зону.

Если в системе ИКО со светлыми излучателями продукты сгорания выбрасываются в атмосферу цеха, дополнительно отдавая теплоту, то в системах с «темными» излучателями продукты сгорания, как правило, должны выводиться наружу из-за повышенного содержания оксидов азота. При этом суммарный КПД «темных» систем не превосходит 70 %.

«Черные» ИК- излучатели. «Черные» ИК- излучатели имеют температуру рабочих поверхностей 200-300 С. Они представляют собой воздуховоды диаметром 300-400 мм, устанавливаемые над рабочими местами в цехах.

Внутри воздуховодов рециркулирует горячий воздух с температурой 200-400 С, нагревая стенки воздуховода. Сверху воздуховодов устанавливается тепловая изоляция и рефлектор. Воздух для горения подается дополнительным вентилятором. Нагрев рециркуляционного воздуха осуществляется за счет смешения продуктов сгорания с нагреваемой средой. Часть рециркулирующего воздуха выбрасывается за пределы помещения. Поскольку температура воздуха на выходе из системы, как правило, не превышает 200 С, то суммарный КПД системы близок к 85 %.

Рис. 84. Схема работы «темного» и «черного» ИК- излучателя:

1 - подача газа; 2 вентилятор;

3 - воздуховод; 4 - воздушный поток; 5 - изоляция; 6 - рефлектор; 7 - вывод продуктов сгорания;

8 рабочие места в цехе

Такие системы можно использовать не только в промышленных зданиях, но и в аэропортах, вокзалах, стадионах. Препятствием по применению таких систем может быть только отсутствие свободного пространства в цехе или вторжение в зону действия имеющихся кранов.

Библиографический список

1. Литвак В.В. Региональный вектор энергосбережения/В.В. Литвак, В.А. Силич, М.И. Яворский. Томск: STT, 1999. 320 с.

2. Бушуев В.В. Мониторинг реализации в 2004 г. «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.» //Теплоэнергетика. 2005. №12. С.2-5.

3. Спейшер В.А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием/ В.А. Спейшер. М.: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

4. Котлы утилизаторы и энерготехнологические агрегаты/ А.П. Воинов [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1989. 272 с.

5. Куперман Л.И. Вторичные энергетические ресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности/ Л.И. Куперман, С.А. Романовский, Л.Н. Сидельковский. Киев: Вища школа, 1986. 303 с.

6. Мучник Д.А. Теория и техника охлаждения кокса/ Д.А. Мучник, Ю.С. Постыльник. Киев: Вища школа, 1979.

7. Утилизация избыточного тепла при совмещенном процессе термической подготовки шихты и тушения кокса/Б.И. Бабанин [и др.]//Кокс и химия. 1988. С.17-20.

8. Сазонов Б.В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий/ Б.В. Сазонов, В.И. Ситас. М.: Энергоатомиздат, 1990.

9. Хараз Д.И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах/Д.И. Хараз, Б.И. Псахис. М.: Химия, 1984. 224 с.

10. Соснин Ю.П. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели/Ю.П. Соснин, Е.Н. Бухаркин. 4-е изд., испр. и доп. М.: Стройиздат, 1988. 376 с.

11. Леонтьев С.А. Расчеты поверхностей и коэффициентов тепломассообмена в насадке из неупорядоченных колец Рашига/С.А. Леонтьев//Промышленная теплоэнергетика. 2005. №4. С. 43-46.

12. Безлепкин В.П. Парогазовые и паротурбинные установки электростанций. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997. 295 с.

13. Цанеев С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие для вузов/ С.В. Цанеев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов; под ред. С.И. Цанаева. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 584 с.

14. Фаворский О.Н. Технологические схемы и показатели экономичности ПГУ с впрыском пара в газовый тракт/О.Н. Фаворский, С.В. Цанеев, В.Д. Буров, Д.В. Карташов// Теплоэнергетика. 2005. №4. С. 28 - 34.

15. Бушин П.С. Опытно-промышленная газотурбинная расширительная станция на Среднеуральской ГРЭС/П.С. Бушин// Теплоэнергетика. 1984. №7. с. 32 - 36.

16. Об использовании теплоты выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов: тр. Х1У школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева/А.П. Баскаков [и др.]. М. Изд-во МЭИ, 2003. Т.2. С.349-352.

17. Рациональное использование газа в энергетических установках : справочное руководство/ Р.Б. Ахмедов [и др.]. Л.: Недра, 1990. 423 с.

18. Тепло- и массообмен : теплотехнический справочник/Е.В. Аметистов [и др.]; под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1982. 512 с.

19. Кузнецов Ю.В. Сжатый воздух/Ю.В. Кузнецов, М.Ю. Кузнецов. Екатеринбург: УрО РАН, 2003.

20. Теплотехника : учебное пособие для вузов/ А.П. Баскаков [и др.]; под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоиздат, 1982. 264 с.

21. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха : справочное пособие/ Л.Д. Богуславский [и др.]; под ред. Л.Д. Бугуславского и В.И. Ливчака. М.: Стройиздат, 1990. 624 с.

Размещено на Allbest.ru

...