Содержание

1.4. Источники низкопотенциальной теплоты

Вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) называются тепловые отходы технологических производств промышленных предприятий, коммунальных, бытовых, жилых и других объектов. К категории ВЭР можно также отнести самоизливающиеся геотермальные воды; горячие минеральные источники, теплота которых не используется в бальнеологии; сжигаемый попутный газ при нефтедобыче; добываемая горячая нефть и др.
Вопросы экономии топлива путем использования ВЭР в последние годы превратились в актуальную проблему, и являются общегосударственной задачей. Промышленные потребители используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70 % всей вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35-40 %. В период до 1991 года ситуация с утилизация ВЭР в промышленности улучшалась, однако достигнутая фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отношению к возможной составляет 30-32 %, в том числе в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности -40%, в черной металлургии -40%, в химической -25 % .
Одним из эффективных направлений утилизации теплоты ВЭР являлось производство холода для предприятий, технологические процессы которых требовали его при различных температурах охлаждения. Следует отметить, что большинство предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п.
Но решая вопрос о рациональном и эффективном использовании ВЭР нельзя забывать о том, что наряду с получением холода могут быть осуществлены также процессы трансформации теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий и наоборот.
Общедоступным источником низкопотенциальной теплоты является атмосферный воздух, который широко используют для малых теплонасосных установок - ТНУ (квартирных, домовых). Однако низкие значения температуры воздуха, малая его теплоемкость и коэффициент теплоотдачи не позволяют достичь приемлемых показателей энергетической эффективности крупных установок, в частности ТН-станций, к испарителям которых требуется подводить большие тепловые потоки.
Крупные незамерзающие водоемы представляют ценность в качестве источников теплоты для ТНУ. К ним, например, относятся Черное море, Каспийское море в средней и южной частях, озеро Иссык-Куль. На Черноморском побережье Кавказа и Крыма действуют ТНУ на морской воде, температура которой зимой в этих районах не опускается ниже 8°С. Особенно эффективно круглогодичное использование теплоты морской воды (с температурой летом 20-25 °С) для ТНУ горячего водоснабжения, составляющего значительные нагрузки в южных городах и курортах. В переходный и зимний периоды года в ТНУ могут быть использованы холодная вода из водоёмов, наружный воздух с температурой свыше 0°С, а так же горные породы (грунт).
Источником низкопотенциальной теплоты могут служить слабоминерализованные геотермальные воды, солнечная энергия, запасаемая с помощью гелиоустановок и аккумуляторов теплоты.
Однако основными источниками теплоты для крупных ТНУ следует считать искусственные источники - тепловые отходы. Быстрый рост потребления энергоресурсов влечет за собой как истощение природных богатств, так и тепловые загрязнения биосферы. Например, тепловые электростанции, в том числе и АЭС, сбрасывают с охлаждающей водой 50-55 % энергии топлива. Иногда решающим фактором в выборе площадки для строительства ТЭС (АЭС) оказывается наличие естественных водоёмов, способных без особого ущерба воспринять бросовую теплоту. Промышленные предприятия потребляют огромное количество воды для охлаждения машин и рабочих тел в различных технологических процессах. Объем оборотной и повторно используемой в промышленности воды в 1966 г. в нашей стране составлял км3/год, а в 1980 г.-132 км3/год, или 61% используемой всей промышленностью воды. Эти “тепловые реки” имеют круглый год температуру 20-40 °С, практически не позволяющую использовать теплоту непосредственно, и охлаждаются в градирнях или других испарительных охладителях, отдавая в атмосферу вместе с теплотой часть воды.
При замене градирен испарителями ТНУ степень охлаждения воды (перепада температуры) при сохранении ее расхода должна оставаться в среднем около 10 °С.
Концентрацию тепловых потоков в системах оборотного водоснабжения можно оценить на примере одного из крупнейших автомобильных заводов. Общий объём оборотной воды составляет около 75 тыс. м3/ч, организован в водоблоках по (10-12) тыс. м3/ч. Вода поступает на охлаждение с температурой 30-40°С круглогодично и охлаждается до 15-20°С. В целом по заводу в атмосферу сбрасывается 1300МВт теплоты.
Нефтеперерабатывающие и химические заводы также являются мощными источниками вторичных энергетических pecyрсов (ВЭР). По виду ВЭР разделяются на три основные группы: 1) горячие (топливные) отходящие газы печей; отходы, непригодные для дальнейшей технологической переработки; 2) тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов; физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства; теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических силовых установках; 3) ВЭР избыточного давления, потенциальная энергия газов и жидкостей, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования жидкостей (газов) или выброса их в атмосферу.
Источники теплоты ВЭР можно использовать в аммиачных преобразователях теплоты (АПТ) и в теплонасосных установках. В теплонасосных установках можно использовать низкотемпературную теплоту (20-60°С), для АПТ - низко - и среднепотенциальное на уровне 80-160°С, а также высокопотенциальное тепло (160-400°С). Особенно актуальной задачей является утилизация теплоты, содержащейся в технологической воде.
Если ориентировочно принять, что в общем (по стране) объёме оборотного водоснабжения охлаждению подвергается только75% воды, т.е. примерно 120 км3 в год (по уровню 1985г.), и температурный перепад составляет 10°С, то организованный сброс низкопотенциальной теплоты промышленностью составляет более 5 млрд. ГДж в год. Вода, однократно потребляемая, промышленными предприятиями (около 40% всего объёма) в конечном счете, канализируется в естественные водоемы. При современных требованиях к защите окружающей среды и промышленные, и коммунально-бытовые стоки перед сбросом в водоёмы должны проходить сложную систему очистки на водоочистных сооружениях или на станциях аэрации (в крупных городах). В Москве, например, несколько станций аэрации сбрасывают в Москву-реку более 5 млн м3 /сут. очищенной воды температурой 16-22°; вместе с водой поступает и тепловой поток в 3-4 млн. кВт. Станции аэрации действуют в Санкт-Петербурге, Самаре и других городах. Многие миллионы кубических метров воды сбрасываются в реки, заливы водоемы вместе с теплотой, которую можно использовать в ТНУ и преобразовать низкопотенциальную теплоту в теплоту более высокой температуры, способную удовлетворить определённую часть потребностей и сократить расход топлива.