CC BY
42
Методика расчета эффективности использования тепловых вторичных энергоресурсов без изменения агрегатного состояния промышленных
сточных вод
М.С. Плешко1, А.Г. Илиев2 , И.А. Занина2
1 Ростовский государственный университет путей сообщения 2Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета, г. Шахты, Ростовская обл.
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:
Осм=Об + Ов + Ом+Оо + Он+Ос , (1)
где ОБ - расход тепла на нагрев белья; ОВ - расход тепла на нагрев воды;
ОМ -потери тепла на разогрев металлических частей машины соприкасающихся с жидкостью и бельём;
Оо - потери тепла нагретыми поверхностями машины в окружающую среду;
QИ - 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 Qcм
Тепловой потенциал промстоков - QвыХ определяется по формуле (2):
Qвыx =Р Ср Ос гс , кДж /ч; (2)
р -плотность промышленных стоков, кг/м3
СР - массовая изобарная теплоемкость промышленных стоков, кДж/кгград гС - температура промышленных стоков, С;
ОГ - расход промышленных стоков, м /ч [1,2] .
Таким образом, при годовом расходе промышленных стоков определяется по формуле (3):
Q ГВЬХ Р Ср -ОС -гс = р Ср N ^ -гс; ГДж/год, (3)
где Ос = N • g; N - производительность предприятия, кг /год или т./год; g - норма расхода рабочего теплоносителя (воды) на 1 т стирки белья, м ; Количество ВЭР,
за вычетом потерь Qпoт и низкопотенциальной теплоты на сброс в конечной точке системы QкoН , можно определить по формуле (4):
^вэр = (Овьх - Qпoт - Qкoн) т ~ (0,70- 0,75) ^вьх; Гкал/г, (4)
где QПОт - количество неизбежных тепловых потерь, принимаемых в пределах 3 ^ 5% от 0ВЫХ;
QКoН - количество теплоты, теряемое с теплоносителем выходящим из
конечной точки системы составляет 20 - 25 %.
Таким образом Qвэр < Qвьx и составляет Qвэр = (0,7-0,75)Qвьx
Удельный показатель по ВЭР для предприятия любой производительности определяется по формуле (5):
Гкал
п = 0,75Йы _ Овэр гдж
Чвэр
1т
(5)
о _ ^ бэр _ У^-вых пот кон у т/
Вэк- глр - Пр , /год (6)
ЫГ ЫГ ' 1т где: ОЫ1Х - годовой выход тепловых вторичных энергоресурсов; N - годовые показатели - производительность фабрики (объемы стирки белья т/год).
В вариантах с собственным источником теплоснабжения (отопительно-производственной котельной) можно определить количество сэкономленного топлива за счет использования ВЭР по формуле (6):
_ бэр Т _ (О вых пот
ОР О
Степень использования вторичных энергетических ресурсов ОВЭР 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 Ж и температурой ? . Исходная температура теплоносителя Таким образом, для обеспечения рассматриваемого технологического процесса теплоносителем необходимых параметров, этот теплоноситель необходимо нагреть от температуры ^ до температуры Предполагается, что нагрев осуществляется насыщенным водяным паром с температурой tS.
Одновременно, в результате выполнения каких-то технологических процессов имеется сток с водяным эквивалентом Жс и температурой ¿:с, причем ?~с >/. Представляется целесообразным рассмотреть вопрос об ис-
пользовании 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 . систему энергосбережения на предприятии.
Эти затраты могут быть представлены в следующем виде, формула
где - ПРО затраты на основной теплообменник, руб/год; Пщ - затраты на дополнительный теплообменник, руб/год, ПП - 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):
еН - нормативный коэффициент отчислений от капиталовложений 1/год.
(7):
П=ПРО +ПРД +ПП +А,
(7)
П¥О = ^Д РД £н
2
Где 5Д - удельная стоимость дополнительного теплообменника, руб/м ; Рд - поверхность теплообмена дополнительного теплообменника, м2 ,
(8)
Поверхность теплообмена дополнительного определяется по формуле (9):
теплообменника
^-Р ,
(9)
где Од - тепловой поток в дополнительном теплообменнике, Вт,
Кд- коэффициент теплопередачи в дополнительном теплообменнике, Вт /
м2К
Atд - 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):
С - гп - С + I1 ^ д' - ) ), к (10)
Уравнение теплового баланса дополнительного теплообменника можно определить по формуле (11):
Од = Же (С - t с11) = Ж ^11-1) (11)
Годовые приведенные затраты на основной теплообменник, опрделяеются по формуле (12):
Яро =So Ро е руб/год, (12)
2
Где So - удельная стоимость основного теплообменника, руб/м ;
РО - поверхность теплообмена основного теплообменника, м2
Поверхность теплообмена основного теплообменника определяется по формуле (13):
Р = Оо • У (13)
° КО ■At0 '
где О0 - тепловой поток в основном теплообменнике, Вт,
К0- коэффициент теплопередачи в основном теплообменнике, Вт/А;
Аг0 - температурный напор в основном теплообменнике, К[8,9].
При конденсации греющего теплоносителя среднелогарифмический температурный напор определяется по формуле (14):
Тепловой баланс основного теплообменника определяется по формуле (15):
где В - расход пара, кг/с, г - теплота парообразования, Дж/кг [10].
Стоимость израсходованного на нагрев теплоносителя пара можно определить по формуле (16):
где т - число часов работы, 1/год,
5д - удельная стоимость пара, руб/кг; В - расход пара, кг/с. Обозначим:
Аг=г-г!; Агщ =г !с- г1. Агс =г !с- г11; Агн^-г1; Агн=гБ-г; Ъш= Жс /Ж.
(14)
Qo = Ж(г-ги)=Вг,
(15)
Пп = 3600 тБп В руб/год,
(16)
и
Решив совместно уравнения (8) - (16) с учетом принятых обозначений выражение (7) можно представить в виде:
П = ysH. S„W tn мнд - bw Мс +ysH SCW ^ athbwAtc + збооЕу ^ w (At - bw ) (17) Кд (1 - bw) &нд -Atc K0 At
к T ^ '
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.
Литература
1. Илиев, А.Г. «Определение технико-экономических показателей отопительных приборов предприятий сервиса при внедрении энергосберегающих теплотехнологий» / Илиев А.Г. // Сборник научных трудов Б'^гМ. 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. 112116.
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 2014г.: 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 - 2010г. 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. Inzenernyj 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. Inzenernyj 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
