Параграф 27. Технические средства утилизации тепла.
Теплообменное устройство, которое позволяет эффективно отбирать теплоту ВЭР технологических и энергетических процессов с возможностью ее дальнейшего полезного использования, является одним из основных элементов технических утилизационных систем. Основным назначением таких систем является повышение эффективности энергопотребления. В зависимости от параметров теплоты и вида теплоносителя в утилизационной системе используют теплообменники различных типов. Наиболее широко применяются поверхностные теплообменные аппараты, в которых обменивающиеся среды разделены теплообменной поверхностью.
Котлы-утилизаторы. Одним из действенных приемов повышения эффективности энергопотребления является использование тепла химических реакций. Реактор (технологическая печь), в котором проходит экзотермическая реакция, снабжается теплообменником, предназначенным для рекуперации теплоты реакции. Этот теплообменник может работать как котел-утилизатор для генерации водяного пара, который выделяется при испарении воды за счет передаче ей тепла от дымовых газов. Полученный пар может использоваться как энергоноситель в других технологических аппаратах установки.
Однако котлы-утилизаторы применяют только в случае, если количество выделяющейся в ходе химической реакции энергии велико. В случае же, когда тепловой эффект реакции относительно небольшой, реактор снабжается теплообменником для подогрева исходной смеси перед подачей ее в зону реакции.
Теплоутилизаторы с применением тепловых труб. Тепловая труба является основным элементом теплообменника и представляет собой герметично закрытую трубу или камеру самой разнообразной формы с капиллярно-пористой вставкой выполняющей функцию фитиля. Фитиль насыщен жидкой фазой теплоносителя (рабочего вещества), а остальной объем трубы заполнен паровой фазой теплоносителя. Зона тепловой трубы, куда подводится тепло, называется испарителем, а зона отвода тепла – конденсатором.
Теплота, поступающая от внешнего источника к испарителю, вызывает испарение теплоносителя на этом участке трубы. Под воздействием возникающей при этом разности давлений, полученный пар направляется от испарителя к конденсатору, где конденсируется и отдает теплоту, равную теплоте парообразования, внешнему нагреваемому потоку. В результате постоянного испарения количество жидкости в фитиле уменьшается, и граница раздела жидкой и паровой фаз сдвигается внутрь его объема. При этом в фитиле возникает капиллярное давление, под воздействием которого жидкость из зоны конденсации возвращается в зону испарения. Таким образом в тепловой трубе теплота парообразования непрерывно переносится из зоны испарения в зону конденсации при постоянно смоченном фитиле.
Тепловой поток, отдаваемый тепловой трубой внешнему нагреваемому потоку, возможно регулировать изменяя угла ее наклона. Весьма часто используют тепловые трубы с наружным оребрением.
Теплоутилизаторы с применением термосифонов. Термосифон также является основным элементом теплообменника и представляет собой герметично закрытую гладкостенную трубу, частично заполненную жидким теплоносителем (рабочим веществом). При нагреве нижнего конца трубы теплоноситель испаряется, и пар направляется к верхнему холодному концу трубы, где конденсируется. Конденсат под действием силы тяжести стекает к нижнему концу трубы. В результате постоянного испарения и конденсации теплота переносится от первичного источника к потребителю тепла.
Иногда термосифон называют безфитильной тепловой трубой.
Контактные (распылительные) теплоутилизаторы. Эти теплоутилизаторы применяются в основном для нагрева воды за счет использования тепла горячих отходящих газовых потоков. В контактных теплообменниках вода превращается в дисперсную фазу, и за счет значительного роста поверхности контакта создаются условия для эффективного охлаждения газов и нагрева воды.
Например, для перевода перегретого пара, поступающего на обогрев выпарного аппарата из котельной, в сухое насыщенное состояние во избежание значительного увеличения теплообменной поверхности аппарата, используют паровые умформеры. На рисунке 27.1 показан паровой умформер с непосредственным впрыскиванием распыленной воды, в который перегретый пар подводится сверху через винтовую насадку и получает завихренное движение. Навстречу ему из форсунок впрыскивается холодная вода, которая перемешивается с перегретым паром и, испаряясь за счет теплоты перегрева, переводит его в насыщенное состояние.
1 ‒ штуцер для перегретого пара; 2 ‒ винтовая насадка; 3 ‒ форсунки;
4 ‒ штуцер для насыщенного пара; 5 ‒ патрубок для отвода воды
Рисунок 27.1 ‒ Паровой умформер с непосредственным
впрыскиванием распыленной воды
Контактно-поверхностные теплоутилизаторы. Эти теплоутилизаторы представляют собой обычные насадочные аппараты.
Тепловые насосы. Тепловой насос в общем случае представляет собой устройство для передачи теплоты от более холодного к более нагретому потоку (в сторону увеличения температуры). Такая передача согласно второму закону термодинамики невозможна без дополнительных затрат энергии. Основным назначением тепловых насосов в теплоиспользующих установках ХТС является использование низкопотенциального тепла ВЭР.
Тепловой насос парокомпрессионного типа является одним из самых распространенных. Термодинамически он идентичен холодильной машине. Принципиальное отличие состоит в той роли, которую он играет у потребителя: холодильника для охлаждения или теплового насоса для нагрева.
q1 ‒ тепловой поток, потенциал энергии которого необходимо повысить;
q2 ‒ тепловой поток с повышенным потенциалом
1 ‒ компрессор; 2 ‒ конденсатор; 3 ‒ дроссель; 4 ‒ испаритель
Рисунок 27.2 ‒ Принципиальная схема теплового насоса
парокомпрессионного типа
На рисунке 27.2 изображена принципиальная схема такого теплового насоса, по замкнутому контуру которого циркулирует рабочий агент, например, фреон или аммиак, температура кипения которого при атмосферном давлении обычно ниже 0 °С. Компрессор, потребляя энергию извне, обеспечивает циркуляцию агента по контуру. В испарителе рабочий агент испаряется, отбирая тепло q1 от одного внешнего потока, затем конденсируется в конденсаторе и отдает теплоту q2 другому внешнему потоку. Назначение дросселя заключается в сбросе давления и сжижении паров рабочего тела. Схема может работать в качестве холодильника для производства холода (задействовано оборудование 1, 3 и 4) или как тепловой насос для подъема температурного уровня теплоносителя для его повторного использования в установках (задействовано оборудование 1, 2, 3 и 4). В обоих случаях необходим подвод внешней энергии к компрессору.
Одна из причин термодинамической необратимости процессов передачи тепла заключается в ограниченном выборе теплоносителей. На практике наиболее часто используемый в этом качестве насыщенный водяной пар поступает под давлением 2÷4 МПа или 0,4÷0,7 МПа. Для проведения же ряда процессов разделения, таких как выпарка, десорбция и ректификации, часто требуется теплоноситель с давлением, соответствующим промежуточной температуре. В тех случаях, когда раствор термически неустойчив при повышенных температурах, водяной пар дросселирует, что приводит к потерям эксергии в этом процессе. Наиболее термически совершенным методом по сравнению с дросселированием является его компремирование в компрессоре или эжектирование паром высокого давления, т. е. использование теплового насоса парокомпрессионного типа. Его применение в теплоиспользующих установках является одним из перспективных направлений, позволяющих существенно снизить энергозатраты на реализацию процессов, протекающих в этих установках.
В процессах ректификации и выпарки разделение компонентов раствора осуществляется за счет снижения температурного потенциала и эксергии теплового потока паров, близких к состоянию насыщения. При использовании теплового насоса расход тепла на процесс обычно с избытком компенсируется теплом, выделяющимся при сжатии вторичных паров. Цикл использования тепла является практически замкнутым, т. е. исключается расход греющего пара, а также охлаждающего агента на конденсацию паров дистиллята. Соответственно отпадает необходимость в дефлегматоре и конденсаторе, а также (как и в случае с выпарными установками) не требуется специальный теплоноситель для теплового насоса, так как сжатию подвергаются пары одной из фракций, что обусловливает снижение капитальных и эксплуатационных затрат на реализацию этого процесса.
Условие эффективности применения теплового насоса компрессионного типа в ректификационной или выпарной установки можно записать в виде
, (27.1)
где СТ ‒ стоимость тепловой энергии пара; Т1 ‒ абсолютная температура насыщенного пара, идущего на обогрев установки; 
‒ абсолютная температура насыщенных паров на выходе из установке; 
‒ общий КПД компрессора теплового насоса; СЭ ‒ стоимость электроэнергии; ЗК ‒ удельные (на единицу производимой работы) затраты на содержание компрессора, включая амортизацию и ремонт; а ‒ удельный расход охлаждающего агента на отведение вводимого в установку тепла; СО.А. ‒ стоимость охлаждающего агента.
Уравнение (27.1) получено для теплового насоса с электроприводом, но оно может быть преобразовано и для случая привода от двигателя внутреннего сгорания или паровой турбины. В этом случае работа привода теплового насоса равна
, (27.2)
где Q1 ‒ тепловая нагрузка.
Эффективность трансформации энергии при применении теплового насоса компрессионного типа определяется коэффициентом преобразования, который независимо от эффективности самого теплового насоса всегда больше единицы
. (27.3)
Учитывая, что в большинстве случаев затраты, связанные с использованием теплового насоса, не превышают 20÷25% стоимости пара или электроэнергии, в первом приближении ими можно пренебречь. Тогда соотношение (27.1) можно преобразовать к виду
(27.4)
или
. (27.5)
Из уравнения (23.5) можно получить выражение для оценки величины снижения затрат на проведение процесса в случае применения теплового насоса
, (27.6)
из которого видно, что эффективность применения теплового насоса возрастает с уменьшением отношения 
и разности 
. Уравнение же (27.5) показывает, что с увеличением отношения 
экономическая целесообразность применения теплового насоса уменьшается.
Возможные изменения схем ректификационной или выпарной установки, связанные с применением теплового насоса, принципиально не влияют на способ использования энергии в процессе и не приводят к коренным изменениям расхода энергии или капитальных затрат на реализацию процесса разделения по такой схеме. В связи с этим выражение (27.1) может быть использовано для оценки эффективности применения теплового насоса при любой схеме ректификации или выпаривания.
Использование теплового насоса позволяет исключить жесткую зависимость схемы ректификационной или выпарной установки от ее технологических параметров (давления греющего пара, температуры охлаждающего агента), а общего расхода энергии в ней ‒ от фактического перепада температур теплового потока. При этом появляется возможность более широкого варьирования схем и режимов процесса без ухудшения основных показателей их работы с получением в то же время сопутствующих возможным вариантам технико-экономических преимуществ.
Использование тепловых насосов в сушильных установках позволяет утилизировать их ВЭР, а также тепло паров, образующихся при высушивании материалов.
1 ‒ компрессор; 2 ‒ подогреватель; 3 ‒ сушильная камера;
4 ‒ теплообменник; 5 ‒ сепаратор; 6 ‒ испаритель;
7 ‒ дроссельное устройство; 8 ‒ нагреватель-конденсатор
Рисунок 27.3 ‒ Схема сушильной установки с тепловым насосом
компрессионного типа
Один из возможных вариантов использования теплового насоса компрессионного типа в сушильной установке показан на рисунке 27.3. Нагретый в подогревателе воздух направляют в сушильную камеру. Выходящий из нее увлажненный воздух, сбрасываемый в установке без теплового насоса в атмосферу, через теплообменник поступает в испаритель, где его температура опускается ниже температуры точки росы за счет теплообмена с рабочим веществом. Выделяющаяся при этом влага отделяется в сепараторе. Далее уже сухой воздух проходит через теплообменник для предварительного подогрева и вновь поступает в подогреватель, а затем в сушильную камеру.
Рабочим веществом является газ, циркулирующий по замкнутому контуру. Компрессор подает его в подогреватель, где он нагревается за счет сухого нагретого воздуха, затем конденсируется в нагревателе-конденсаторе и через дроссель поступает в испаритель, где испаряется за счет теплообмена с нагретым увлажненным воздухом. Затем поступает обратно в конденсатор-нагреватель, где охлаждается и снова направляется в подогреватель. Таким образом, тепло, которое не находит применения в традиционной установке, используют для осушения сушильного агента в испарителе установки с тепловым насосом.
Помимо тепловых насосов компрессионного типа в сушильных установках используют сорбционные, термоэлектрические и химические тепловые насосы.
В сорбционных тепловых насосах последовательно протекают термохимические процессы поглощения (сорбции) рабочего вещества сорбентом, сопровождающиеся выделением тепла, а затем выделения (десорбции) рабочего вещества из сорбента с поглощением тепла.
Принцип действия термоэлектрических тепловых насосов основан на эффекте Пельтье, т. е. на выделении и поглощении тепла в спаях термопарных цепей при прохождении через них электрического тока.
В химических тепловых насосах реализуется замкнутый цикл химических реакций, протекающих на разных температурных уровнях. При этом происходит трансформация низкопотенциального тепла в высокопотенциальное.
I ‒ экзотермическая реакция; II ‒ эндотермическая реакция;
III ‒ вспомогательная реакция
Рисунок 27.4 ‒ Принципиальная схема химического теплового насоса
Реализовать этот принцип возможно в установке с трехступенчатым циклом (рисунок 27.4), включающим в себя две основные и одну вспомогательную реакцию
. (27.7)
Все три химические реакции протекают по замкнутому циклу, и между ними происходит обмен веществом и энергией. Одна из основных реакций (эндотермическая) протекает на низком потенциальном уровне и служит для поглощения низкопотенциального тепла. Вторая основная реакция (экзотермическая) протекает на высоком потенциальном уровне, и в ней поглощенное тепло выделяется. Вспомогательная реакция необходима для восстановления исходных реагентов и позволяет создать замкнутый цикл химических реакций.
Одним из показателей эффективности работы тепловых насосов является коэффициент использования топлива в них
, (27.8)
где Q ‒ тепло, вырабатываемое тепловым насосом за расчетный период времени; 
‒ удельная теплота сгорания условного топлива; 
‒ расход условного топлива, необходимого для выработки электроэнергии, затраченной в тепловом насосе за расчетный период времени.
Применение теплового насоса является одним из наиболее эффективных путей использования подводимой в установку электроэнергии. С его помощью в конденсаторе можно получить примерно в 3 раза больше теплоты, чем при затрачиваемой работе на сжатие паров в компрессоре.