Методика расчета эффективности использования тепловых вторичных энергоресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ростовский государственный университет путей сообщения

Статья

на тему: Методика расчета эффективности использования тепловых вторичных энергоресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных сточных вод

Выполнил:

М.С. Плешко

Аннотация

В статье рассмотрена методика определения эффективности использования теплового потенциала промышленных сточных вод, образующихся при осуществлении теплоиспользующих технологических процессов предприятий сервиса, в качестве вторичных энергоресурсов. Проведен системный анализ технологических режимных карт стирки белья с целью выявления энергетического потенциала сточных вод. На основе анализа условий эксплуатации технологического теплоиспользующего оборудования составлен тепловой баланс теплоиспользующего технологического оборудования

Ключевые слова: Энергосбережение, тепловой баланс, энергия, пар, жидкость, сточные воды, тепловой потенциал

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 2020 г. 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 ,(1)

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 (2):

Q_ВЫХ =с С_р G_С t_С , кДж /ч; (2)

с -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 [1,2].

Таким образом, при годовом расходе промышленных стоков определяется по формуле (3):

Q ^Г_ВЫХ с С_Р ··t_C = с С_Р ·N^Г ·g ·t_C; ГДж/год,(3)

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 по формуле (4):

Q^Г_ВЭР = (Q_ВЫХ - Q_ПОТ - Q_КОН) ф ? (0,70- 0,75) Q^Г_ВЫХ; Гкал/г,(4)

где Q_ПОТ - количество неизбежных тепловых потерь, принимаемых в пределах 3 ч 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 определяется по формуле (5):

(5)

где: Q_ВЫХ - годовой выход тепловых вторичных энергоресурсов;

N^Г - годовые показатели - производительность фабрики (объемы стирки белья т/год). тепловой потенциал сточные воды

В вариантах с собственным источником теплоснабжения (отопительно-производственной котельной) можно определить количество сэкономленного топлива за счет использования ВЭР по формуле (6):

(6)

Степень использования вторичных энергетических ресурсов 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 [3,4].

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 целесообразно считать такую, при которой приведенные затраты на осуществление тепловой подготовки теплоносителя будут минимальными.

Для извлечения тепловой энергии с целью её дальнейшего использования в качестве вторичных энергоресурсов рекомендуется использовать дополнительный теплообменный аппарат рекуперативного типа, применение которого позволяет внедрить систему использования теплоты промышленных сточных вод в качестве греющего теплоносителя .

Эти затраты могут быть представлены в следующем виде, формула (7):

П=П_FО +П_FД +П_П +А, (7)

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 [5-7].

Годовые приведенные затраты на дополнительный теплообменник, формула (8):

П_FО = S_Д F_Д е_Н (8)

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

F_Д - поверхность теплообмена дополнительного теплообменника, м² ,

е_Н - нормативный коэффициент отчислений от капиталовложений 1/год.

Поверхность теплообмена дополнительного теплообменника определяется по формуле (9):

(9)

где Q_Д - тепловой поток в дополнительном теплообменнике, Вт,

К_Д - коэффициент теплопередачи в дополнительном теплообменнике, Вт / м²К

Дt_Д - температурный напор в дополнительном теплообменнике, К.

Таким образом, если в дополнительном теплообменнике, используемом в качестве энергосберегающего оборудования, осуществляется противоток. Тогда температурный напор определяется по формуле (10):

(10)

Уравнение теплового баланса дополнительного теплообменника можно определить по формуле (11):

Q_Д = W_C (t_C^I - t _C^II ) = W (t ^II-t ^I ) (11)

Годовые приведенные затраты на основной теплообменник, опрделяеются по формуле (12):

П_FО =S_О F_О е руб/год,(12)

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

F_О - поверхность теплообмена основного теплообменника, м²

Поверхность теплообмена основного теплообменника определяется по формуле (13):

(13)

где Q₀ - тепловой поток в основном теплообменнике, Вт,

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

Дt₀ - температурный напор в основном теплообменнике, К[8,9].

При конденсации греющего теплоносителя среднелогарифмический температурный напор определяется по формуле (14):

(14)

Тепловой баланс основного теплообменника определяется по формуле (15):

Q₀ = W(t-t^II)=Dr,(15)

где D - расход пара, кг/с,

r - теплота парообразования, Дж/кг [10].

Стоимость израсходованного на нагрев теплоносителя пара можно определить по формуле (16):

П_П = 3600 фS_П D руб/год, (16)

где ф - число часов работы, 1/год,

S_П - удельная стоимость пара, руб/кг;

D - расход пара, кг/с.

Обозначим:

Дt=t-t^I;

Дt_НД =t ^I_C- t^I;

Дt_C =t ^I_C- t^II;

Дt_Н=t_S-t^I;

Дt_Н=t_S-t;

b_W= W_C /W.

Решив совместно уравнения (8) - (16) с учетом принятых обозначений выражение (7) можно представить в виде:

(17)

Подводя итог, можно сказать, что экономическая эффективность внедрения системы энергосбережения, с использованием теплового потенциала горячих промышленных сточных вод в качестве вторичных энергетических ресурсов зависит от суммы затрат на основное теплообменное оборудование, затрат на дополнительный теплообменный аппарат, стоимости пара, израсходованного для подогрева теплоносителя в основном теплообменнике. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и реконструкции предприятий отрасли, при внедрении системы использования теплоты промышленных сточных вод в качестве греющего теплоносителя, инженерных решениях использования вторичных энергоресурсов.

Литература

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 С.В. 2014. с. 44-48

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. с. 112-116.

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. с. 148-152

4. Михеев М. А., И. М. Михеева Основы теплопередачи, учебное пособие для ВУЗов - М. Бастет - 2010г. 343 с.

5. Занина И.А. Определение возможного теплового потенциала сточных вод предприятий сервиса с учетом потерь тепловой энергии / Занина И.А., Илиев А.Г. //Сборник научных трудов Sworld.- Выпуск 4. Том 16. Одесса: Куприенко С.В., 2013. с. 98-102

6. Колесников И.В. Трибоэлектрические явления на фрикционном металлополимерном контакте и их зависимости от температуры //Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2607

7. Pavlenko A.N. Dynamics of transient processes at liquid boiling-up in the conditions of free convection and forced flow in a channel under nonstationary heat release / Pavlenko A.N., Tairov E.A., Zhukov V.E., Levin A.A., Moiseev M.I. // Journal Of Engineering Thermophysics, Pleiades Publishing, Ltd. 2014 №3, pp.173-193.

8. Владыкин И.Р., Баженов В.А., Кондратьева Н.П. Применение цилиндрического линейного асинхронного двигателя в электроприводе маслянного выключателя ВМП-10 // Инженерный вестник Дона, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/801

9. Grebneva O.A., Optimal planning and processing of the results of tests for hydraulic and heat losses in heat systems / Grebneva O.A., Novitskii N.N.// Pleiades Publishing, Ltd. 2014 № 10 pp.754-759.

10. Илиев А.Г., Определение ПДВ и способы очистки дымовых газов при осуществлении нагрева рабочего теплоносителя в системе отопления предприятий сервиса / Илиев А.Г. // Материали за 9-а международна научна практична конференция, «Achievement of high school», 2013. Том 46, с. 52-58

References

1. Iliev, A., Sbornik nauchnykh trudov Sworld. Vypusk 1. Tom 10. Odessa: Kuprienko S.T. 2014. pp. 44-48

2. Iliev, A.G., Materialy 3-j mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh i specialistov «Problemy tehnosfernoj bezopasnosti - 2014». Akademija GPS MChS Rossii, 2014. pp. 112-116.

3. Iliev, A.G. Perspektivy razvitiya nauki i obrazovaniya: sbornik nauchnykh trudov po materialam Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii 31 janvarja 2014: v 15 chastjah. Chast' 1: M-vo obr. i nauki RF. Tambov: Izd-vo TROO «Biznes-Nauka-Obshhestvo», pp. 148-152

4. Mikheev, M. A., I. M. Mikheeva Osnovy teploperedachi [Fundamentals of heat transfer] textbook for high schools Bastet. 2010. 343 p.

5. Senina I. A., A. Iliev, Sbornik nauchnykh trudov Sworld. Vypusk 4. Tom 16. Odessa: Kuprienko S.T., 2013. pp. 98-102

6. Kolesnikov I.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2607

7. Pavlenko A. N. Dynamics of transient processes at liquid boiling-up in the conditions of free convection and forced flow in a channel under nonstationary heat release. Journal Of Engineering Thermophysics, Pleiades Publishing, Ltd. 2014 No. 3, pp.173-193.

8. Vladykin I. R., Bazhenov, C. A., Kondrat'eva N. P. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/801

9. Grebneva O. A., Optimal planning and processing of the results of tests for hydraulic and heat losses in heat systems. Pleiades Publishing, Ltd. 2014 No. 10 pp.754-759.

10. Iliev, A. G., Materiali za 9-a mezhdunarodna nauchna praktichna konferentsiya, «Achievement of high school», 2013. Tom 46, pp.52-58.

Размещено на Allbest.ru