Способы и средства утилизации тепловой энергии

1.

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЕРСИТЕТ им. Н.П. ОГАРЁВА»
Институт механики и энергетики
Кафедра теплоэнергетических систем
ЛЕКЦИИ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫХ
УСТАНОВОК
Раздел учебной дисциплины:
«Способы и средства утилизации тепловой энергии».
Саранск 2020

2.

Использование тепловых отходов возможно по трем направлениям:
Замкнутые схемы – тепло используется для процессов,
протекающих в основных технологических установках (подогрев
компонентов горения, предварительный подогрев материала).
Следует отметить, что согласно определению ВЭР, тепловые отходы, используемые по
таким схемам, не относятся к вторичным энергетическим ресурсам.
Разомкнутые схемы установок с использованием ВЭР характеризуются тем, что ВЭР
используются для внешних целей, не связанных с процессами, протекающими в основ
ных технологических аппаратах, которые являются источниками ВЭР
(выработка пара в парогенераторах, подогрев воздуха сторонним потребителям и т.п.).
Комбинированные установки, в которых отходы используются как для внутренних,
так и для внешних по отношению к процессу в технологической установке целей
(замкнуто-разомкнутые схемы).
2

3.

Замкнутые схемы утилизации тепловых отходов и
применяемое оборудование
Рекуператоры
Рекуператоры применяют для утилизации теплоты уходящих
газов для средне- и высокотемпературного применения. Их работа
основана на излучении, конвекции или радиационно-конвективном
теплообмене.
Рисунок 1. Радиационный рекуператор
3

4.

Рисунок 2. Конвективный рекуператор
Рисунок 3 .Комбинированный радиационноконвективный рекуператор
4

5.

Регенераторы
Рисунок 4. Схема
регенеративной печи
Рисунок 5. Вращающийся
регенератор
5

6.

Пассивные подогреватели воздуха
Представляют собой утилизационные установки типа «газ-газ» для низкои высокотемпературного применения в случаях, когда загрязнение
одного потока другим недопустимо.
Пассивные подогреватели могут быть двух типов - пластинчатые и в виде тепловых труб
Рисунок 6. Теплообменник на тепловых трубах (а) и тепловая труба (б)
6

7.

Регенеративные / Рекуперативные горелки
Рекуперативные горелки содержат теплообменную поверхность, через
которую осуществляется нагрев воздуха, идущего на горение за счет
теплоты потока газов.
Регенеративные горелки устанавливаются парами и работают по принципу краткосроч
ной аккумуляции энергии дымовых газов в керамических регенераторах тепла подобно
регенеративным печам.
Регенеративные/Рекуперативные
горелки
более
просты
в
исполнении
и конструкции и более компактны по сравнению с регенеративными
печами или рекуператорами и обеспечивают повышение эффективности по сравнению
с горелками, работающими на воздухе при параметрах окружающей среды.
Трубчатые ребристые теплообменники/Экономайзеры
Трубчатые теплообменники с оребрением поверхности труб используют для утилиза
ции низко- и среднетемпературного тепла уходящих газов для нагрева жидких сред.
Котлы-утилизаторы
Котлы - утилизаторы (например, двухходовые), аналогичны водотрубным котлам, но ис
пользуются для утилизации средне- и высокотемпературного тепла уходящих газов для
производства пара.
7

8.

Разомкнутые схемы утилизации тепловых отходов и
применяемое оборудование
Разомкнутые системы обычно используются для утилизации
низкотемпературного отходящего тепла.
Экономайзеры
Экономайзеры используют для охлаждения продуктов сгорания до температуры 65 – 75
градусов Цельсия и они являются стойкими к воздействию кислот, содержащихся в про
дуктах сгорании и оседающих на поверхностях нагрева.
Контактные теплообменники косвенного действия
Контактные теплообменники косвенного действия позволяют охлаждать газы до темпер
атуры 38-43 градусов Цельсия.
Контактные теплообменники прямого действия
В контактных теплообменниках прямого действия осуществляется непосредственное
смешивание пара (газа) и охлаждающей жидкости.
Трансформаторы теплоты
Трансформаторы теплоты могут выполнять две функции:
1) Получение теплоты более высокого температурного уровня
(тепловые насосы);
2) Использование тепловых отходов для привода абсорбционных холодильных систем
(холодильные машины).
8

9.

Котлы – утилизаторы
1 – барабан сепаратор; 2 – испарительные секции; 3 – пароперегреватель;
4 – водяной экономайзер
Рисунок 7. Схема котла – утилизатора с принудительной циркуляцией
9

10.

Рисунок 7-1. Общий вид
котла утилизатора
Рисунок 7-2. Схема работы парового
котла-утилизатора
Рисунок 7-3. Схема работы водогрейного
котла-утилизатора
10

11.

Использование тепловых отходов для выработки электроэнергии
Источники тепловых отходов и горячих отработанных газов могут быть
использованы в современных технологиях производства электроэнергии.
Утилизация тепловых отходов для таких целей представляет собой неиспользованную
разновидность комбинированной выработки энергии (когенерации), в которой один ис
точник энергии (топливо) используется для совместной выработки тепла (холода) и
электрической энергии.
Рисунок 8. Схема использования тепловых отходов для производства
электроэнергии (нижний цикл)
11

12.

Возможности использования тепловых отходов для производства
электроэнергии и применяемые технологии
Паровой цикл Ренкина (SRC) - наиболее распространенный способ
производства электроэнергии из тепловых отходов - вовлекает в использование теплоту
отходов для производства в котле-утилизаторе пара, который затем направляется в паро
вую турбину.
Система «котел-утилизатор - паровая турбина» работает на основе термодинамического
цикла Ренкина, представленного на рисунке 9.
Рисунок 9. Цикл теплового
двигателя (Ренкина)
12

13.

Органический цикл Ренкина (ORC) использует другие рабочие вещества,
эффективность этого цикла выше, а температура тепловых отходов ниже.
Рисунок 10. Схема органического цикла Ренкина
13

14.

Цикл Калины является разновидностью цикла Ренкина, в качестве раб
очего вещества в нем используется водоаммиачная смесь, что позволя
ет повысить эффективность извлечения энергии из тепловых отходов.
Рисунок 11. Принципиальная схема силовой установки с водоаммиачным
рабочим веществом
14

15.

Термоэлектрический способ производства электроэнергии
К термоэлектрическим материалам относят твердые полупроводники,
позволяющие генерировать электричество при условии наличия
разности температур.
Рисунок 12. Схема термоэлектрического блока
15

16.

Пьезоэлектрический способ
Пьезоэлектрический способ производства энергии является еще
одним вариантом преобразования низкотемпературных тепловых
отходов (100-1500C) в электроэнергию. Пьезоэлектрические
устройства преобразуют механическую энергию в виде внешних колебаний в электриче
скую.
Термоэлектронные устройства
Термоэлектронные устройства работают аналогично термоэлектрическим. Действие
термоэлектронных устройств основано на явлении вырывания электронов из металла
при высокой температурах. В этих системах разность температур приводит в действие
поток электронов, движущихся в вакууме от металла к поверхности оксида металла.
Термофотоэлектрический генератор
Термофотоэлектрический генератор может быть использован для преобразования излу
чения в электроэнергию. Системы на его основе включают в себя теплоисточник, излу
чатель, фильтр излучения, фотоэлемент (аналогично, как в солнечных батареях).
При нагреве излучателя, он испускает электромагнитные волны. Фотоэлемент преобра
зует это излучение в электричество.
16

17.

Тепловые двигатели (детандер-генераторные агрегаты) для
утилизации ВЭР
Применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА) вместо обычного
дросселирования позволяет получать электроэнергию за счет использования избыточ
ного давления природного газа.
При снижении давления газа с применением ДГА возможны несколько различных вари
антов организации процесса.
Процесс расширения без подогрева газа перед детандером. После такого расширения
энтальпия и температура газа после детандера будут значительно ниже, чем после дрос
селирования. Поэтому необходим дополнительный подвод энергии для подогрева газа.
При расширении газа в детандере с предварительным подогревом возможны несколько
вариантов организации процесса:
1. газ
подогревается
перед
детандером
за
счет
энергии
высокого
потенциала
таким
образом,
что
энтальпия
газа
после
детандера
оказывается равной энтальпии газа после дросселирования.
2. для работы ДГУ используются вторичные низкопотенциальные ресурсы.
На рисунке 13 представлена одна из возможных схем использования ДГА. В качестве
источника низкопотенциальной энергии при этом могут быть использованы вторичные
энергетические ресурсы и теплота окружающей среды.
17

18.

1 – генератор; 2 – детандер; 3 – газопровод высокого давления; 4 – газопровод
низкого давления; 5 – регенеративный подогреватель хладагента;
9 – дросселирующее устройство; 6 – теплообменник подогрева газа; 7 – компрессор;
8 – электродвигатель; 9 – дроссель; 10 – испаритель; 11 – насос; 12 – источник
низкопотенциального тепла; 13, 14 – электрические сети.
Рисунок 13 - Принципиальная схема установки с подогревом газа до и после детандера 18

19.

Способ утилизации тепловых отходов промышленности
с температурой 45°С в летний период
Рисунок 14. Схема теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на
C3H8 по утилизации тепловых отходов промышленности
19

20.

Установка использования тепла вытяжного воздуха
На рисунке 15 представлена конструкция высоко эффективного теп
лообменника с пенно-барботажным слоем
1 – решетка; 2 – сепаратор; 3 – пенный
слой; 4 – поток горячего газа; 5 – поток
нагреваемой среды; 6 – поток охлажден
ного газа
Рисунок 15. Принципиальная схема
теплообменника с пенно-барботажным
слоем
20

21.

На рисунке 2 представлена принципиальная схема установки использования
тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного воздуха с использованием
теплообменников с пенно-барботажным слоем
1 – вытяжной воздух; 2 – незамерзающий раствор; 3 – горячая вода; 4 – цех; 5 – прит
очный вентилятор
Рисунок 16. Принципиальная схема использования тепла вытяжного воздуха для по
догрева приточного воздуха
21

22.

Установки и способы утилизации сбросного тепла с использованием
тепловых трансформаторов
Qв, Qc, Qн – тепловые
потоки высокого, сред
него и низкого потен
циалов (относительно
друг друга
Рисунок 17. Символи
ческие схемы тепло
вых трансформаторов
22

23.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – абсорбер; 4 – испаритель; 5 – теплоноситель;
6 – технологическая колонна; 7 – продукт; 8 – захоложенная вода;
9 – охлаждающая вода; 10 – источник ВЭР
Рисунок 18. Принципиальная схема использования тепла ВЭР для выработки
высокопотенциального холода
23

24.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – абсорбер; 4 – испаритель; 5 – источник ВЭР
среднего потенциала; 6 – источник ВЭР низкого потенциала; 7 – нагреваемая вода;
8 – нагретая вода к потребителю
Рисунок 19. Принципиальная схема использования тепла ВЭР с тепловым насосом
24

25.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – абсорбер; 4 – испаритель;
5 – тепловой потребитель; 6 – источники ВЭР; 7 – охлаждающая вода
Рисунок 20. Принципиальная схема использования тепла ВЭР
с повышающим теплотрансформатором
25

26.

Аккумулирование сбросного тепла
1 – рекуперативный теплообменник; 2 – тепловой аккумулятор; 3 – регенеративный
теплообменник; 4 – источник ВЭР; 5 – нагреваемая вода.
Рисунок 21. Принципиальная схема использования тепла ВЭР с аккумулятором тепла
26

27.

1 – утилизационная установка; 2 – ВЭР; 3 – предприятие;
4 – циркуляционная вода; 5 – потребитель тепла.
Рисунок 22. Принципиальная схема аккумулирования сбросного тепла
в водопроницаемых подземных горизонтах
27

28.

Системы утилизации тепла дизель-генераторных, газопоршневых
и газотурбинных установок
а) ГПУ-200, ЯМЗ-7514, 200 кВт;
б) ГПУ-315, ЯМЗ-8503, 315 кВт
Рисунок 23. Газовая электростанция
28

29.

Рисунок 24. Схема тригенерации газопоршневой электростанции
29

30.

Рисунок 25. Внешний вид теплового
модуля утилизации тепла ГПУ (АГП)
и утилизатора выхлопных газов
с контуром охлаждения двигателя
30

31.

Рисунок 25. Схема газопоршневой электростанции
31

32.

Спасибо Спасибо
за внимание
за внимание