Теплоснабжение на основе паракомпрессионной трансформации энергии охлаждения поверхности печи

E-mail: a- petrant@ukr.net; b- volmak.03@gmail.com; c- bgedyx7@ukr.net; d — diryna.tschernyshova@ua.bosch.com

Аннотация
На основе аналитического исследования теплогидравлического режима теплонасосной
установки рекуперативного теплообмена системы охлаждения вращающейся печи для промышленного теплоснабжения, подтверждена достоверность концептуального подхода применения исходной холодной воды в качестве низкопотенциального источника энергии в совместном процессе доохлаждения рециркуляционного потока, обеспечивающего энергоэффективный отбор теплоты с поверхности печи. Определены соответствующие закономерности изменения коэффициентов преобразования, которые обосновывают условие энергетической эффективности процесса теплонасосной стабилизации и практической реализации, предложенных систем.

Введение
В производстве строительных материалов и изделий проблема повышения эффективности использования топлива является наиболее актуальной для таких энергоемких видов продукции, как цемент, керамзит, известь, керамические стеновые материалы, сборные и монолитные железобетонные конструкции и т.д. На их производство ежегодно расходуется более 50% всех топливно-энергетических ресурсов, потребляемых в этой отрасли. В частности, в наиболее энергоемких печах производства вяжущих и стеновых материалов коэффициент использования топлива в 2-3 раза меньше, чем в генераторах традиционного теплоснабжения. Потери теплоты в окружающую среду с боковой поверхности, обычно не укрытой печи, достигают 6-7 кВт/м2. При
этом эффективность сжигания топлива в таких агрегатах не превышает 40% , а потери теплоты с боковой поверхности достигают 10-30% его общего расхода. В условиях дефицита и высокой стоимости тепловой энергии в Украине актуальным является снижение расхода первичного топлива в технологических процессах, а также повышение эффективности отбора, преобразования и использования энергии для промышленного и коммунально-бытового теплоснабжения.
Перспективным представляется направление применения теплонасосных технологий для
энергосбережения в процессах производства строительных материалов во вращающихся печах с утилизацией низкотемпературных газовоздушных потоков [1-3]. Логично, что минимизация теплоты термотрансформаторной компоненты в общем энергетическом потоке должна быть доминирующей в системах энергосбережения на этой основе.
Поэтому проблема дальнейшего развития научно-технических принципов повышения
эффективности использования энергии первичного топлива со стабилизацией процессов охлаждения
поверхности печи, преобразования и потребления теплоты системами теплоснабжения [4,5]строительно-технологических комплексов является актуальной.

Объект и метод исследования
Схема разработанной системы [1,2] представлена на рис. 1, в которой контур воздушного
охлаждения состоит из укрытия печи 1, калорифера 2 и вентилятора 3 последовательно соединены рециркуляционным воздуховодом. В спаренном канале укрытия печи обеспечивается регулируемое струйное воздействие воздушного потока с постоянным расходом при неизменном перепаде температур теплоносителя в условиях переменной температуры наружного воздуха в течение года. После охлаждения поверхности печи горячий воздух поступает в теплообменник 2, где нагревает воду. Затем охлажденный рециркуляционный поток вновь поступает в укрытие печи.
Исходная вода из питьевого водопровода с начальной температурой tХВ, которая в разные
периоды года имеет различную температуру (5-25 ⁰С), с помощью насоса 8 проходит через испарительный теплообменник 5′, охлаждается до температуры 2-5 0С. Это позволяет стабилизировать температуру исходного воздушного потока для охлаждения печи, после чего она поступает в калорифер 2. Конденсатором служит теплообменник 4, где происходит нагрев воды в процессе конденсации рабочего тела, а испарителями являются теплообменники 5, 5′, где осуществляется отбор теплоты от кипящего фреона. Они параллельно соединены между собой и последовательно соединены по межтрубному пространству трубопроводом с дроссельным вентилем ДВ и компрессором 6 с внешним приводом.
Для повышения эффективности работы от исходной воды в теплообменнике-испарителе 5 отбирается теплота с последующей передачей её в конденсаторе 4 тому же потоку на пути к бакуаккумулятору 7. Следовательно, охлажденная часть рециркуляционного и исходного потока воды обеспечивают возможность достаточно глубокого и постоянного во времени охлаждения циркулирующего воздуха.
Стабилизация охлаждения печи в течение года исключает перегрев её конструктивных слоёв, повышается стойкость и срок службы футеровки, а также качество производимой продукции. При этом утилизированная теплота в предложенной системе может быть эффективно использована для теплотехнологического и промышленного теплоснабжения.
Общий энергетический поток, затрачиваемый в процессе нагрева воды в рассматриваемой
термотрансформаторной системе может быть представлен в виде

где QП – тепловой поток, воспринятый с охлаждаемой поверхности вращающейся печи, Вт;
N – приводная мощность компрессора, Вт; QРТ2 – воспринятая теплота утилизации в
рекуперативном теплообменнике РТ2, Вт; QК – тепловой поток, воспринятый в конденсаторе термотрансформаторного контура, Вт; QИ1, QИ2 – утилизируемый тепловой поток в испарителях И1, И2 термотрансформаторного контура, соответственно, Вт.

Приводная мощность компрессора представляется в виде

Исходя из определения действительного коэффициента преобразования, а также соотношения тепловых потоков следует, что

Энергия охлаждения исходного и рециркуляционного водных потоков в испарителях №1, № 2 представляется как

Таким образом, коэффициент преобразования в работе анализируемой системы, учитывающий исходные условия и режимные параметры абонентской системы окончательно представляется уравнением следующего вида

Тепловая мощность и параметры систем теплоснабжения для расчетных условий являются известными по обоснованным данным соответствующих проектов. Коэффициент замещения мощности f абонентских систем за счет теплоты традиционного источника энергии (ДИЭ)может быть обоснованно принят по исходным либо нормативным данным. Поэтому необходимый тепловой поток охлаждения низкопотенциальной среды Qо, отбираемый в испарителе для систем отопления Qов и горячего водоснабжения Qгв, определяется на основе известной величины коэффициента замещения f расчетного теплового потока разрабатываемой системы согласно зависимости

Он может быть установлен также по рекомендуемому значению коэффициента преобразования φ теплоты в следующем виде

Результаты и их обсуждение
На основе уравнения (5) представлены графические зависимости, рис. 2, коэффициента
преобразования от температуры рециркуляционного потока после укрытия печи при поступлении исходной холодной воды с повышенной температурой tХВ = 20 0С в теплый период года.
Из представленных графиков следует, что при заданной температуре нагрева абонентского теплоносителя более высокие значения коэффициента преобразования обеспечиваются при более высоких исходных температурах рециркуляционного воздушного потока, поступающего из соответствующих укрываемых участков вращающейся печи. Очевидно, что работа анализируемой
системы в режиме только рекуперативного нагрева абонентского теплоносителя обеспечивается при более высоких температурах рециркуляционного воздушного потока, находящихся в правой части анализируемых графиков. На графиках отмечается незначительный рост коэффициента преобразования при увеличении интенсивности рециркуляции водного потока, который более четко проявляется при увеличении температурного перепада между греющей и нагреваемой средами,
предопределяющий соответствующее повышение эффективности работы рекуперативного водовоздушного теплообмена.

Представленные графики на рис. 3 наглядно подтверждают целесообразность повышения
коэффициента преобразования за счёт использования исходной холодной воды в межотопительный период года в качестве низкопотенциального источника. При этом одновременно обеспечивается стабилизация теплогидравлического режима водовоздушного калориферного теплообменника, обеспечивающего необходимое охлаждение рециркуляционного воздушного потока для отбора необходимой теплоты с укрываемой поверхности печи.

Графические зависимости также указывают на возрастание коэффициента преобразования в процессе возрастания интенсивности рециркуляционной части нагреваемой среды при поступлении в систему более теплой исходной воды в теплый период года.
Следовательно, использование температурного потенциала исходной холодной воды в теплый период года подтверждает целесообразность использования ее в качестве низкопотенциального источника, а также для одновременного применения охлажденного потока для стабилизации теплогидравлического режима работы системы отбора и преобразования утилизируемой теплоты с поверхности печи для промышленного теплоснабжения.

Выводы

1. Результатами аналитического исследования предложенной системы установлена
   закономерность качественное возрастания температуры абонентского теплоносителя и коэффициента преобразования при более высоких температурах рециркуляционного воздушного потока, поступающего из соответствующих укрываемых участков вращающейся печи. Подтверждена целесообразность использования теплоты исходной холодной воды прежде всего, в межотопительный период года в качестве низкопотенциального источника, обеспечивающего увеличение коэффициента преобразования.
2. При совместной работе отопления и горячего водоснабжения эффективность системы возрастает с увеличением расхода теплоносителя на горячее водоснабжение, а также при снижении температуры теплоносителя в системе отопления, как для расчетных условий, так и в процессе эксплуатационного регулирования.
3. Установлена взаимосвязь тепловых потоков отбора от низкопотенциальных источников и
   абонентского потребления с коэффициентами замещения и эффективности преобразования энергии, которые определяет основные технико экономические показатели разработанных технологических комплексов. Уменьшение количества сжигаемого топлива за счет утилизации энергии охлаждения поверхности печей, а также холодной воды, для теплоснабжения повышает степень их экологической
   эффективности вследствие сокращения химического и теплового загрязнения окружающей среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петраш, В. Д. Повышение энерготехнологической эффективности вращающейся печи и качества теплоснабжения на основе термотрансформаторного цикла утилизации теплоты / В. Д. Петраш, И. В. Чернышева, Д. В. Басист // Энерготехнологии и ресурсосбережение. Науч.–техн. журн. Ин-та Газа НАН Украины. – К., — 2008. — № 4. – С. 22 – 25.
2. Пат. 61472 Україна. Система теплопостачання на основі термотрансформації енергії стабілізуючого охолодження печі та низькопотенціальних джерел / Петраш В. Д., Чернишова І. В. (Україна). Од. держ. акад. буд-ва та арх. — опубл. 25.07.2011, Бюл. № 14.
3. Чернишова, I. В. Теплопостачання на основі інтеграції термотрансформованої енергії охолодження печі та низькопотенціальних джерел / I. В. Чернишова //Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Наук.-техн. зб. КНУБА. – Київ: КНУБА. – 2012. Вип. №16. – С. 84-89.
4. Пат. 101512 Україна, МПК (2013.01). Система теплопостачання на основі термотрансформованої енергії охолодження печі та переохолодження теплоносія низькопотенціальних джерел / Дорофєєв В. С., Петраш В. Д., Чернишова І. В., (Україна). Од. держ. акад. буд-ва та арх. — опубл. 10.04.2013, Бюл. № 7.
5. Петраш, В. Д. Зависимость эффективности преобразования энергетических потоков от удельного расхода воздуха в системе стабилизирующего охлаждения вращающейся печи для промышленного теплоснабжения / В. Д. Петраш, И. В. Чернышева // Вестн. ГГТУ им. Сухого П. О. Респ. Беларусь. – Гомель: ГГТУ – 2013. — Вып. 4(55). – С. 72 – 78.