Методика расчета эффективности использования тепловых вторичных энергоресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных сточных вод

Аннотация

В статье рассмотрена методика определения эффективности использования теплового потенциала промышленных сточных вод, образующихся при осуществлении теплоиспользующих технологических процессов предприятий сервиса, в качестве вторичных энергоресурсов. Проведен системный анализ технологических режимных карт стирки белья с целью выявления энергетического потенциала сточных вод. На основе анализа условий эксплуатации технологического теплоиспользующего оборудования составлен тепловой баланс теплоиспользующего технологического оборудования Ключевые слова: Энергосбережение, тепловой баланс, энергия, пар, жидкость, сточные воды, тепловой потенциал Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологический ущерб от его использования, развитие рыночных отношений, изменение структур предприятий коммунального хозяйства, резкое повышение (в десятки раз) стоимости теплоэнергетических ресурсов, острая конкуренция в сфере услуг, диктуют необходимость новых разработок в сфере использования энергетического потенциала тепловых отходов в качестве источника тепловой энергии в технологических теплоиспользующих процессах предприятий сервиса, а именно, применение вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и разработку способов его рационального использования.

Существенный потенциал ВЭР для применения в энергосберегающих системах теплоснабжения представляет собой тепловая энергия промышленных сточных вод. В плане выполнения Энергетической программы Российской Федерации до 2020 г. с целью реализации потенциала технологического энергосбережения следует уделить внимание теплоёмким предприятиям коммунального хозяйства, в том числе фабрике-прачечной. Технологическое оборудование фабрик — прачечных можно рассматривать как теплоиспользующее оборудование, т. е. как теплообменные аппараты.

Стиральные машины представляют собой смесительные теплообменники, в которых происходит нагревание рабочей жидкости (водопроводной воды) паром путём барботажного подогрева или электроподогрева.

В любом случае, в результате технологических процессов стирки присутствуют промышленные горячие стоки, имеющие определенный тепловой потенциал, который можно использовать в локальной системе подогрева рабочего теплоносителя горячими промстоками в дополнительном теплообменнике.

На основе системного анализа технологических режимных карт стирки белья можно сделать следующие выводы:

• — расход воды на стирку 1 кг белья, а значит и количество горячих промстоков, составляет 38−40 л;
• — средневзвешенная температура промстоков от стирки составляет 60−75⁰С;

На основе анализа условий эксплуатации технологического теплоиспользующего оборудования составлен тепловой баланс стиральных машин:

Q_СМ = Q_Б + Q_В + Q_М + Q_О + Q_И + Q_С ,(1).

где Q_Б — расход тепла на нагрев белья;

Q_В — расход тепла на нагрев воды;

Q_М -потери тепла на разогрев металлических частей машины соприкасающихся с жидкостью и бельём;

Q_О — потери тепла нагретыми поверхностями машины в окружающую среду;

Q_И — потери тепла на испарение жидкости из машины.

Q _С — потери теплоты с промышленными стоками.

По уравнениям теплообмена можно определить все составляющие формулы (1) и процент потерь теплоты с промстоками, который составляет 40−45% от Q_СМ

Тепловой потенциал промстоков — Q_ВЫХ определяется по формуле (2):

Q_ВЫХ =с С_р G_С t_С, кДж /ч; (2).

сплотность промышленных стоков, кг/м³

С_Р — массовая изобарная теплоемкость промышленных стоков, кДж/кг· град.

t_С — температура промышленных стоков,⁰С;

— расход промышленных стоков, м³/ч [1,2].

Таким образом, при годовом расходе промышленных стоков определяется по формуле (3):

Q ^Г_ВЫХ с С_Р · ·t_C = с С_Р · N^Г · g · t_C; ГДж/год,(3).

где G_C = N^Г · g;

N^Г — производительность предприятия, кг /год или т./год;

g — норма расхода рабочего теплоносителя (воды) на 1 т стирки белья, м³ ;

Количество ВЭР, за вычетом потерь Q_ПОТ и низкопотенциальной теплоты на сброс в конечной точке системы Q_КОН, можно определить по формуле (4):

Q^Г_ВЭР = (Q_ВЫХ — Q_ПОТ — Q_КОН) ф? (0,70- 0,75) Q^Г_ВЫХ; Гкал/г,(4).

где Q_ПОТ — количество неизбежных тепловых потерь, принимаемых в пределах 3 ч 5% от Q_ВЫХ;

Q_КОН — количество теплоты, теряемое с теплоносителем выходящим из конечной точки системы составляет 20 — 25%.

Таким образом Q_{ВЭР <} Q_ВЫХ и составляет Q_ВЭР = (0,7−0,75)Q_ВЫХ

Удельный показатель по ВЭР для предприятия любой производительности определяется по формуле (5):

(5).

где: Q_ВЫХ — годовой выход тепловых вторичных энергоресурсов;

N^Г — годовые показатели — производительность фабрики (объемы стирки белья т/год). тепловой потенциал сточные воды В вариантах с собственным источником теплоснабжения (отопительно-производственной котельной) можно определить количество сэкономленного топлива за счет использования ВЭР по формуле (6):

(6).

Степень использования вторичных энергетических ресурсов Q_ВЭР зависит от структуры предприятия, схемы использования теплоты ВЭР и направления их использования в системах: технологического теплопотребления, горячего водоснабжения, приточной вентиляции и вне основного производства [3,4].

Для более подробного анализа рассмотрения технологического процесса, при осуществлении которого необходим теплоноситель с водяным эквивалентом W и температурой t. Исходная температура теплоносителя t^I. Таким образом, для обеспечения рассматриваемого технологического процесса теплоносителем необходимых параметров, этот теплоноситель необходимо нагреть от температуры t^I до температуры t. Предполагается, что нагрев осуществляется насыщенным водяным паром с температурой t_S.

Одновременно, в результате выполнения каких-то технологических процессов имеется сток с водяным эквивалентом W_C и температурой t^I_C, причем t^I_C >t^I. Представляется целесообразным рассмотреть вопрос об использовании тепла стока для предварительного подогрева теплоносителя, а: также об оптимальной глубине охлаждения стока.

Оптимальной глубиной охлаждения целесообразно считать такую, при которой приведенные затраты на осуществление тепловой подготовки теплоносителя будут минимальными.

Для извлечения тепловой энергии с целью её дальнейшего использования в качестве вторичных энергоресурсов рекомендуется использовать дополнительный теплообменный аппарат рекуперативного типа, применение которого позволяет внедрить систему использования теплоты промышленных сточных вод в качестве греющего теплоносителя .

Эти затраты могут быть представлены в следующем виде, формула (7):

П=П_FО +П_FД +П_П +А, (7).

где — П_FО затраты на основной теплообменник, руб/год;

П_FД — затраты на дополнительный теплообменник, руб/год, П_П — стоимость пара, израсходованного для подогрева теплоносителя в основном теплообменнике, руб/год;

А — сумма затрат, не зависящих от глубины охлаждения стока [5−7].

Годовые приведенные затраты на дополнительный теплообменник, формула (8):

П_FО = S_Д F_Д е_Н (8).

Где S_Д — удельная стоимость дополнительного теплообменника, руб/м²;

F_Д — поверхность теплообмена дополнительного теплообменника, м² ,.

е_Н — нормативный коэффициент отчислений от капиталовложений 1/год.

Поверхность теплообмена дополнительного теплообменника определяется по формуле (9):

(9).

где Q_Д — тепловой поток в дополнительном теплообменнике, Вт, К_Д — коэффициент теплопередачи в дополнительном теплообменнике, Вт / м²К Дt_Д — температурный напор в дополнительном теплообменнике, К.

Таким образом, если в дополнительном теплообменнике, используемом в качестве энергосберегающего оборудования, осуществляется противоток. Тогда температурный напор определяется по формуле (10):

(10).

Уравнение теплового баланса дополнительного теплообменника можно определить по формуле (11):

Q_Д = W_C (t_C^I — t _C^II) = W (t ^II-t ^I) (11).

Годовые приведенные затраты на основной теплообменник, опрделяеются по формуле (12):

П_FО =S_О F_О е руб/год,(12).

Где S_О — удельная стоимость основного теплообменника, руб/м²;

F_О — поверхность теплообмена основного теплообменника, м²

Поверхность теплообмена основного теплообменника определяется по формуле (13):

(13).

где Q₀ — тепловой поток в основном теплообменнике, Вт,.

K₀— коэффициент теплопередачи в основном теплообменнике, Вт/А;

Дt₀ — температурный напор в основном теплообменнике, К[8,9].

При конденсации греющего теплоносителя среднелогарифмический температурный напор определяется по формуле (14):

(14).

Тепловой баланс основного теплообменника определяется по формуле (15):

Q₀ = W (t-t^II)=Dr,(15).

где D — расход пара, кг/с,.

r — теплота парообразования, Дж/кг [10].

Стоимость израсходованного на нагрев теплоносителя пара можно определить по формуле (16):

П_П = 3600 фS_П D руб/год, (16).

где ф — число часов работы, 1/год,.

S_П — удельная стоимость пара, руб/кг;

D — расход пара, кг/с.

Обозначим:

Дt=t-t^I;

Дt_НД =t ^I_C— t^I;

Дt_C =t ^I_C— t^II;

Дt_Н=t_S-t^I;

Дt_Н=t_S-t;

b_W= W_C /W.

Решив совместно уравнения (8) — (16) с учетом принятых обозначений выражение (7) можно представить в виде:

(17).

Подводя итог, можно сказать, что экономическая эффективность внедрения системы энергосбережения, с использованием теплового потенциала горячих промышленных сточных вод в качестве вторичных энергетических ресурсов зависит от суммы затрат на основное теплообменное оборудование, затрат на дополнительный теплообменный аппарат, стоимости пара, израсходованного для подогрева теплоносителя в основном теплообменнике. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и реконструкции предприятий отрасли, при внедрении системы использования теплоты промышленных сточных вод в качестве греющего теплоносителя, инженерных решениях использования вторичных энергоресурсов.

• 1. Илиев, А.Г. «Определение технико-экономических показателей отопительных приборов предприятий сервиса при внедрении энергосберегающих теплотехнологий» / Илиев А. Г. // Сборник научных трудов Sworld. Выпуск 1. Том 10. Одесса: Куприенко С. В. 2014. с. 44−48
• 2. Илиев, А. Г. Снижение влияния вредных факторов на окружающую среду при функционировании энергетического сектора / Илиев А. Г. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности — 2014». М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. с. 112−116.
• 3. Илиев, А. Г. Определение удельных показателей тепловых вторичных энергоресурсов предприятий сервиса / Илиев А. Г. // Перспективы развития науки и образования: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 января 2014 г.: в 15 частях. Часть 1: М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2014. с. 148−152
• 4. Михеев М. А., И. М. Михеева Основы теплопередачи, учебное пособие для ВУЗов — М. Бастет — 2010 г. 343 с.
• 5. Занина И. А. Определение возможного теплового потенциала сточных вод предприятий сервиса с учетом потерь тепловой энергии / Занина И. А., Илиев А. Г. //Сборник научных трудов Sworld.- Выпуск 4. Том 16. Одесса: Куприенко С. В., 2013. с. 98−102
• 6. Колесников И. В. Трибоэлектрические явления на фрикционном металлополимерном контакте и их зависимости от температуры //Инженерный вестник Дона, 2014, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2607
• 7. Pavlenko A.N. Dynamics of transient processes at liquid boiling-up in the conditions of free convection and forced flow in a channel under nonstationary heat release / Pavlenko A.N., Tairov E.A., Zhukov V.E., Levin A.A., Moiseev M.I. // Journal Of Engineering Thermophysics, Pleiades Publishing, Ltd. 2014 № 3, pp.173−193.
• 8. Владыкин И. Р., Баженов В. А., Кондратьева Н. П. Применение цилиндрического линейного асинхронного двигателя в электроприводе маслянного выключателя ВМП-10 // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/801
• 9. Grebneva O.A., Optimal planning and processing of the results of tests for hydraulic and heat losses in heat systems / Grebneva O.A., Novitskii N.N.// Pleiades Publishing, Ltd. 2014 № 10 pp.754−759.
• 10. Илиев А. Г., Определение ПДВ и способы очистки дымовых газов при осуществлении нагрева рабочего теплоносителя в системе отопления предприятий сервиса / Илиев А. Г. // Материали за 9-а международна научна практична конференция, «Achievement of high school», 2013. Том 46, с. 52−58

References.

• 1. Iliev, A., Sbornik nauchnykh trudov Sworld. Vypusk 1. Tom 10. Odessa: Kuprienko S.T. 2014. pp. 44−48
• 2. Iliev, A.G., Materialy 3-j mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh i specialistov «Problemy tehnosfernoj bezopasnosti — 2014». Akademija GPS MChS Rossii, 2014. pp. 112−116.
• 3. Iliev, A.G. Perspektivy razvitiya nauki i obrazovaniya: sbornik nauchnykh trudov po materialam Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii 31 janvarja 2014: v 15 chastjah. Chast' 1: M-vo obr. i nauki RF. Tambov: Izd-vo TROO «Biznes-Nauka-Obshhestvo», pp. 148−152
• 4. Mikheev, M. A., I. M. Mikheeva Osnovy teploperedachi [Fundamentals of heat transfer] textbook for high schools Bastet. 2010. 343 p.
• 5. Senina I. A., A. Iliev, Sbornik nauchnykh trudov Sworld. Vypusk 4. Tom 16. Odessa: Kuprienko S.T., 2013. pp. 98−102
• 6. Kolesnikov I.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2607
• 7. Pavlenko A. N. Dynamics of transient processes at liquid boiling-up in the conditions of free convection and forced flow in a channel under nonstationary heat release. Journal Of Engineering Thermophysics, Pleiades Publishing, Ltd. 2014 No. 3, pp.173−193.
• 8. Vladykin I. R., Bazhenov, C. A., Kondrat’eva N. P. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/801
• 9. Grebneva O. A., Optimal planning and processing of the results of tests for hydraulic and heat losses in heat systems. Pleiades Publishing, Ltd. 2014 No. 10 pp.754−759.
• 10. Iliev, A. G., Materiali za 9-a mezhdunarodna nauchna praktichna konferentsiya, «Achievement of high school», 2013. Tom 46, pp.52−58.