Введение. 
Экономия топлива за счет использования вторичных энергетических ресурсов

Трудно представить себе людей, выбрасывающих деньги в окно, а уж тем более в дымовую трубу. Но часто мы замечаем, особенно в зимние морозные дни, как высокие столбы дыма из печных и заводских труб простираются далеко в небо. Со струями дыма в заоблачную высь уходит и безвозвратно теряется тепло, которое могло бы быть использовано здесь, на земле. Ведь дымовые газы, и притом в огромных количествах, уходят с температурой 150° С и более.

Особенно велики выделения тепла в промышленности, так как многие технологические процессы связаны с термической обработкой продукции, а температура продуктов сгорания от печей часто составляет 800—1000°С.

Запасы тепловой энергии, содержащиеся в отходах, побочных и промежуточных продуктах производства, которые могут быть вновь возвращены в технологический цикл или использованы для энергоснабжения различных установок и агрегатов, обычно называют вторичными энергетическими ресурсами.

Вторичные энергетические ресурсы — это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. Это энергетический потенциал (запас энергии в виде физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления, химической энергии и др.) продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью применятся для энергоснабжения других потребителей. Использование вторичных энергоресурсов— одно из важнейших направлений повышения эффективности нашего топливно-энергетического комплекса.

Напомним, что калория сама по себе не так уж велика, поскольку характеризует количество тепла, затрачиваемое на подогрев всего лишь грамма воды на один градус. Правда, если речь идет о килограмме воды или о тонне, то потребуется уже тысяча калорий — килокалория (ккал) или миллион калорий—мегакалория (Мкал), ну, а если о тысяче тонн воды, то придется израсходовать гигакалорию (Гкал), которая в миллиард раз больше калории.

С введением Международной системы единиц (СИ) ватт заменил привычную килокалорию при определении расходов тепла (1 ккал/ч=1,163Вт). Но чем бы ни измерялись потоки тепла, трудно примириться с бесполезными потерями энергии. И люди давно уже задумывались над возможностями рационального использования отбросного тепла.

Можно, например, дымовыми газами подогревать воздух, подаваемый в топку котла для улучшения процесса горения. Такое решение впервые предложил еще в 1785 году Джемс Уатт, а в 1816 году Роберт Стирлинг осуществил его на практике. С тех пор воздухоподогреватели стали неотъемлемой частью крупных котельных установок. Утилизация продуктов сгорания и другого высокотемпературного отбросного тепла— обычное теперь явление для многих видов производства.

Для возврата отбросного тепла обычно применяют специальные теплообменники: регенеративные и рекуперативные (от соответствующих латинских слов, означающих— возвращение). В рекуперативных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит через разделяющую стенку, а в регенераторах теплообменная поверхность поочередно омывается то одной, то другой средой.

Когда перепады температур взаимодействующих сред составляют сотни градусов, целесообразность применения теплообменников не вызывает особых сомнений. А если перепад температур всего десяток градусов, как, например, между вентиляционнымвоздухом, удаляемым из жилых или общественных зданий, и наружным атмосферным воздухом?

Мы открываем окна для проветривания квартиры и вместе с воздухом из комнат выносится тепло. Через вентиляционные каналы из кухни на улицу удаляются вредные продукты сгорания от газовых плит, но вместе с ними опять же уходит тепло.

Много ли тепла теряется при этом? Давайте посчитаем.

Возьмем, к примеру, здание типового кинотеатра на 600 мест, в который подается 40 тыс. м3 в час свежего наружного воздуха и столько же удаляется. Температура в зале и других помещениях +18°С, на улице пусть будет —15°С, тогда общая разность температур составит 33 °C. Средняя масса одного кубометра воздуха 1,2 кг, а его теплоемкость 0,24 ккал/кг-град. Следовательно, с удаляемым воздухом в атмосферу будет выброшено в течение одного часа тепло в количестве 40 000X1Г2Х 0,24X33=380 тыс. ккал, а за целый день, за 12 часов работы, — 4560 тыс. ккал, или 4,56 Гкал. За месяц будет потеряно тепла в 30 раз больше, а за отопительный период (4 или 6 месяцев соответственно) в 120— 180 раз больше. Конечно, температура наружного воздуха —15°С не сохраняется постоянной в течение всего отопительного сезона. Бывают и оттепели. И все же… Даже в условиях Сочи за отопительный период системой вентиляции одного кинотеатра выбрасывается около 300—400 Гкал тепла, что эквивалентно сжиганию примерно 50 т условного топлива.

В летнее время с вентиляционным воздухом из кондиционируемых помещений в атмосферу выбрасывается холод, производство которого обходится почти в 10 раз дороже производства тепла. За летний сезон теряется такое количество энергии, которое иногда соизмеримо с тепловыми выбросами.

Теперь, если учесть, сколько кондиционеров и вентиляционных установок работает в нашей стране, то станет ясно, что мы имеем дело с огромнейшими потоками тепла, непрестанно вытекающими в атмосферу. Правда, тепло это низкотемпературное, или как еще его называют— низкопотенциальное, и поэтому найти применение ему довольно трудно.

Шведские специалисты проанализировали потребление тепла в гражданских зданиях, и оказалось, что в больницах и других лечебных учреждениях на вентиляцию расходуется 80 процентов всего потребляемого тепла и только 20 процентов приходится на долю отопления и горячего водоснабжения. В административных зданиях, школах, магазинах на вентиляцию тратится 70 процентов (в Швеции применяют механическую вентиляцию в жилищном строительстве).

Родилась идея применить регенеративные и рекуперативные теплообменники в системах вентиляции и кондиционирования для утилизации тепла и холода воздуха, удаляемого из помещений. Их применение позволяет возвращать в систему 70—85 процентов тепловой энергии и вновь использовать ее для обработки поступающего наружного воздуха. Благодаря этому можно устанавливать отопительные и холодильные агрегаты меньшей мощности, соответственно сократить потребление электроэнергии, уменьшить эксплуатационные расходы, сэкономить полезную площадь для размещения инженерного оборудования. А затраты на устройства, утилизирующие тепло, окупаются за 1—4 года.

В настоящее время и в ближайшей перспективе ещё будут существовать технологические процессы с материальными и энергетическими отходами. На технологический процесс расходуется определённое количество топлива, электрической и тепловой энергии. Кроме того, сами технологические процессы протекают с выделением различных энергетических ресурсов — теплоносителей, горючих продуктов, газов и жидкостей с избыточным давлением. Однако не всё количество этой энергии используется в технологическом процессе или агрегате; такие неиспользуемые в процессе (агрегате) энергетические отходы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).

Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико. Поэтому полезное их использование — одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов.