Утилизация тепла одно из направлений энергосбережения сельскохозяйственного производства Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА - ОДНО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА *

А.А. Багаев

Производство практически всех видов сельскохозяйственной продукции в России носит топливо- и энергозатратный характер. По сравнению с передовыми странами энергоемкость продукции сельского хозяйства России в 2-5 раз выше, причиной чему являются как объективные природно-климатические условия, так и субъективные. К числу последних можно отнести отсталые энергозатратные технологии и оборудование, отсутствие организационного и экономического механизмов реализации мероприятия и др.

На фоне общего снижения энергопотребления в сельском хозяйстве за последние 5-7 лет доля затрат энергии в себестоимости сельхозпродукции возросла и в настоящее время составляет 10-30%. Этот факт является свидетельством того, что механизмы и потенциал энергосбережения не используются в полной мере.

Велики потери в энергосетях и у потребителя. В ряде случаев они достигают 35%, а общий коэффициент полезного использования топлива в стационарной энергетике сельского хозяйства не превышает 35%.

Отраслевой программой энергосбережения в АПК на 2001-2006 гг. предусмотрен целый ряд мероприятий по реализации политики энергосбережения в сельском хозяйстве:

- разработка и реализация законодательных и экономических предпосылок, стимулирующих энергосбережение в сельском хозяйстве;

- обоснование рациональных потребностей в энергоресурсах с учетом использования местных видов топлива и экономически целесообразного потенциала энергосбережения;

- разработка новых энергосберегающих объемно-планировочных решений сельскохозяйственных помещений и новых строительных и теплоизоляционных материалов;

- разработка эффективных технологий

и оборудования, позволяющих использовать местные виды топлива, сжигать и перерабатывать биомассу, растительные и древесные отходы и т.д.; ■ т{; цР/_,

- разработка технологий и технических средств получения и использования альтернативных видов топлива и энергии (жидкое топливо из растительных масел, биогаз, водородное топливо, сжиженный и сжатый газ и т.д.);

- разработка технологий и технических средств по использованию возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов;

- разработка и внедрение энергосберегающих электротехнологий на базе электрофизических методов воздействия на биообъекты и продукты переработки;

- разработка технологий и технических средств по использованию вторичных энергоресурсов на базе тепловых насосов, теплоутилизаторов;

- разработка нового электротеплового и теплоэнергетического оборудования с повышенным КПД и КПИ, позволяющего реализовать децентрализованные зонированные системы энергоснабжения, обеспечивающие покрытие фоновой и пиковой нагрузки, и обеспечить экономию до 20% ТЭР за счет ликвидации распределительных сетей;

- применение автоматизированных систем управления микроклиматом сельскохозяйственных помещений;

- введение по-объектного учета расхода энергоносителей.

Анализ основных направлений энергосбережения в сельском хозяйстве показывает, что одним из возможных и еще мало используемым источником энергии в сельскохозяйственном производстве могут являться вторичные энергоресурсы, образующиеся в процессе жизнедеятельности животных, растений, а также в процессе производства. ^

Вторичные ресурсы сельскохозяйственного производства условно можно разделить на три группы:

- уходящие газы технологического топливоиспользующего оборудования и отопительных котельных (50% общего количества вторичных ресурсов);

- сбросная вода, используемая для охлаждения машин, мытья оборудования и санитарно-гигиенической обработки животных и птицы (10% от общего количества вторичных ресурсов);

- удаляемый вентиляционный воздух (40% общего количества вторичных ресурсов).

Использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) на базе использования систем рекуперации трансмиссионных потерь тепла является важным резервом повышения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства.

Теплоутилизационные установки подразделяются на тепловые насосы, которые предназначены для повышения потенциала рабочего вещества, и утилизаторы-теплообменники непосредственного действия. Утилизаторы второго типа могут быть применены для восприятия тепловой энергии ВЭР только в том случае, если потенциал ВЭР выше потенциала среды, принимающей утилизированную тепловую энергию.

В основу классификации теплоутили-заторов-теплообменников могут быть положены различные признаки. Воспользуемся классификацией, принятой В.Н. Богословским и М.Я. Поз, в соответствии с которой теплоутилизаторы-теплообменники делятся на три группы:

1) теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем;

2) регенеративные теплоутилизаторы;

3) воздуховоздушные или воздухожидкостные рекуперативные теплоутилизаторы.

Обязательными элементами утилизатора практически любого указанного типа являются: среда-источник тепловой энергии; среда-приемник тепловой энергии; теплоприемник-теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю; рабочее вещество, транспортирующее тепло-

вую энергию от среды-источника к среде-потребителю. В регенеративных и рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами среды, обменивающиеся теплом.

Термодинамический анализ работы те-плоутили заторов позволяет установить общность и различия процессов, протекающих в них (рис. 1).

вш Г

3 7

ф /

* 1

f

_____Г

а

Рис. 1. Схемы теплоутилизаторов и T-s-дттраммы процессов в них []]: а - теплообменники с промежуточным однофазным теплоносителем, б - тепловая труба, в - тепловой насос; / - помещение, // - пар, III - конденсат,

IV - линия раздела «жидкость - парожидкостная среда», V - линия раздела «пар - парожидкостная среда», VI - конденсатор, VII - испаритель

В предположении постоянства состояния рабочего вещества в циркуляционном насосе можно считать, что точки, изображающие состояние рабочего вещества на выходе из теплоприемника 1 и на входе в теплопередатчик 2 (рис. 1 а), а также на выходе из теплопередатчика 3 и на входе в теплояриемник 4, на T-s-диаграмме практически совпадают. В этом случае изменение состояния рабочего вещества в теплообменниках изобразятся практически совпадающими линиями 1-4 и 2-3, проходящими по направлениям р - const. Измене-

нию состояния системы «среда - источник тепла» соответствует на диаграмме линия 5-6, а системы «среда - потребитель тепла» - линия 7-8. При однофазных рабочих веществах процесс изображается в области либо жидкой, либо газообразной фазы.

Процесс в тепловой трубе (рис. 1 6) отличается от предыдущего тем, что он протекает в области влажного пара с изменением фазового состояния при практически постоянной температуре. В теплоприемни-ке и теплопередатчике тепловой трубы устанавливается одинаковое давление. Изменение состояния рабочего вещества в тепловой трубе изображается горизонтальными практически совпадающими линиями.

Термодинамический процесс в тепловом насосе (рис. 1 в) отличается от процесса в тепловой трубе тем, что циркуляция рабочего вещества в нем осуществляется компрессором, где происходит адиабатическое сжатие рабочего вещества. В результате сжатия температура рабочего вещества повышается. Прямые 1-4 и 2-3 на /"-^-диаграмме определяют температуру в испарителе и конденсаторе. Чем больше затрачиваемая в компрессоре работа на адиабатическое сжатие, тем сильнее прямые 1-4 и 2-3 расходятся от приблизительно среднего уровня, соответствующего температуре в тепловой трубе. Результатом является увеличение перепадов температур рабочего вещества в теплоприемни-ке и теплопередатчике и, соответственно, среды-источника и среды-потребителя тепловой энергии. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению площади теплообменной поверхности, требуемой для передачи заданного количества тепловой энергии, что является желательным. Вместе с тем одновременно затрачивается мощность на адиабатическое сжатие, что негативно сказывается на экономических показателях процесса.

Линии 5-6 и 7-8, изображающие изменение состояния обменивающихся тепловой энергией сред, для тепловой трубы и теплового насоса аналогичны случаю однофазного рабочего вещества.

Рекуперативные теплообменники характеризуются тем, что процесс теплопередачи в них от более нагретой среды (на-

пример, удаляемый из помещения воздух) к менее нагретой (подаваемый в помещение атмосферный воздух) осуществляется через разделительные поверхности. Рекуперативные теплообменники могут иметь одну разделительную поверхность между воздушными каналами или несколько. Рекуперативные теплообменники могут иметь различную конфигурацию (рис. 2).

Ж-

а*

г

=#-

ІГ

Ж1

и

¡г:

21

і

Рис. 2. Конструкции рекуперативных теплообменников [1]: а- с каналами из гладких пластин; б ~ с каналами треугольного сечения; в - с каналами О-образного сечения; г - с каналами П-образного сечения; д - с каналами из сплошного изогнутого листа;

е - многоходовые; ж - кожухотрубные;

з - т^бчато-пластинчатый со смещенным расположением трубок; и - из пучка оребренных трубок со смещенным их расположением

Материалами для изготовления теплообменников служат сталь, алюминий, латунь, медь, алюминий.

В последнее время появляются конструкции, созданные с использованием современных материалов. Например, энерго-

сберегающий комплект ЭКО (рис, 3) [2] создан на базе теплоутилизатора из полимерных материалов и предназначен для использования в системах централ изован-. ной вентиляции животноводческих и птицеводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха и нагревом приточного.

Рис. 3. Функциональная схема

теплоутилизатора комплекта ЭКО [2]

Принцип работы заключается в следующем. Отработанный воздух забирается через всасывающие отверстия с помощью вытяжного вентилятора, охлаждается в процессе теплообмена и выбрасывается наружу. Наружный воздух поступает через приточное отверстие, подогревается в пленочном теплообменнике и подается вентилятором в помещение. В результате теплообмена влага конденсируется на поверхности пленки со стороны внутреннего воздуха. Пленка под действием встречных потоков удаляемого и приточного воздуха находится в постоянном вибрирующем состоянии, под действием которого конденсат стекает в поддон и отводится в канализацию. В процессе удаления конденсата теплообменные поверхности самоочищаются. При снижении температуры воздуха в животноводческом помещении ниже нормируемой автоматически включается электрокалорифер.

Комплект ЭКО обеспечивает плавное регулирование подачи воздуха от Л)0 до 50% при изменении температуры наружного воздуха от -30 до -10°С, а также теп-лопроизводительности электрокалориферов от 0 до 100%.

К достоинствам комплекта ЭКО относится простота конструкции, низкие металлоемкость и стоимость, высокая коррозионная стойкость, малое аэродинамиче-

ское сопротивление, низкие затраты энергии на подачу воздуха при использовании осевых вентиляторов.

В регенеративных утилизаторах теплота передается за счет попеременного омывания теплоаккумулирующей насадки теплым и холодным потоками воздуха. Принцип работы подобных устройств осуществляется с помощью вращающихся и переключающихся теплообменников (рис. 4).

Вращающиеся регенераторы (рис. 4 а) состоят из аккумулирующей массы-насадки, корпуса, электродвигателя с редуктором, приводящим во вращение насадку, и продувочной камеры. В качестве теплоаккумулирующей насадки применяется полый ротор, заполненный алюминиевой стружкой, синтетическим волокном, шариками из пластмассы и стекла, гофрированной металлической лентой и т.п.

Продувочная камера предназначена для очистки поверхности насадки при переходе ее из удаляемого воздуха в приточный.

—«£

1 ~ '

а

Рис. 4. Регенеративные вращающиеся (а) и переключающиеся (б) теплоутилизаторы [1]: 1 - корпус; 2 - электродвигатель с редуктором;

3 - продувочная камера; 4 - насадка;

5 - воздушный клапан

Вращающиеся регенераторы бывают несорбирующие и сорбирующие. В сорбирующих аккумулирующая масса из капи-лярно-пористого материала (асбестокар-тон, технический картон и др.) пропитана

сорбентом (хлористый литий, бромистый литий и др.), поглощающим влагу из удаляемого воздуха и передающим его в процессе десорбции приточному воздуху.

В переключающихся регенераторах (рис. 4 б) насадка выполнена неподвижной

и последовательно омывается теплым и холодным воздухом. >4 ¿д Ы-

Этот принцип положен в основу конструкции вентиляционной установки с утилизацией тепла РУ-Ф-12, функциональная схема которой показана на рисунке 5.

Рис. 5. Функциональная схема теплоутилизатора РУ-Ф-12 [2]:

1 - блок жалюзи; 2 - теплообменник; 3 - вытяжной вентилятор; 4 ~ калорифер; 5 - приточный вентилятор;

6 - обводной канал; 7 - перегородка

Теплоутилизатор РУ-Ф-12 состоит из теплообменника, приточного и вытяжного осевого вентиляторов, калориферного блока с обводным клапаном. Четыре блока жалюзи имеют привод от вала ротора теплообменника. Теплообменник состоит из двух дисковых роторов, установленных в корпусе один над другим. Роторы и корпус разделены продольной перегородкой на две камеры. На входе приточного и выходе приточного и удаляемого воздуха в каждой камере установлены взаимоперпендику-лярные камеры-жалюзи для поочередного пропуска воздушных потоков. Жалюзи переключаются с интервалом 30 с.

При прохождении удаляемого воздуха через один из роторов осуществляется аккумулирование теплоты его дисками. Одновременно подогревается приточный воздух при прохождении его через другой ротор. После переключения жалюзи происходят обратные процессы. При недостатке в помещении теплоты от утилизаторов автоматически включается калориферный блок, обеспечивающий дополнительный подогрев приточного воздуха.

Отличительной особенностью утилизаторов тепла с промежуточным теплоносителем является наличие циркуляционного контура, в котором перемещается рабочее вещество, обеспечивающее пере-

дачу тепловой энергии от источника к потребителю.

Установки подобного типа получили наибольшее распространение и могут работать как в области однофазной жидкости, так и в области влажного пара. В качестве однофазной жидкости обычно применяют воду либо жидкости, не замерзающие в рабочем диапазоне температур. В качестве жидкостей, работающих в области влажного пара, применяют хладоны, водяной пар, аммиак, водоаммиачные и бромистолитиевые растворы и т.д.

Большую группу утилизаторов тепла с промежуточным теплоносителем образуют теплообменники из тепловых трубок, работающие в области влажного пара. Тепловая трубка (рис. 6) представляет собой заполненную жидкостью камеру, один конец которой взаимодействует с источником тепла, а другой располагается в среде, воспринимающей тепло.

Под действием более высокой температуры на одном конце трубки (испаритель) происходит испарение рабочей жидкости, на другом (конденсатор) - конденсация паров жидкости под действием более низкой температуры.

Рис. 6. Схема тепловой трубки [1]:

1 - рабочая жидкость; 2 - корпус; 3 - фитиль; 4 - наружнее оребрение; 5 - конденсат; 6 - пар

Из 200 тепловых труб, сгруппированных в кассеты, выполнены теплообменники теплоутилизатора УТ-Ф-12, предназначенного для работы в системах централизованной вентиляции (рис. 7).

Рис. 7. Функциональная схема теплоутилизатора УТ-Ф-12 [2]:

1 - приточный вентилятор; 2 - жалюзи обводного канала; 3 - жалюзи защиты теплообменника от обмерзания; 4 - верхняя конденсационная часть теплообменника; 5 - рециркуляционная заслонка; 6 - датчик температуры; 7 - нижняя испарительная часть теплообменника; 8 - блок клапанов; 9 - датчик температуры;

V 10 - вытяжной вентилятор; 11 - датчик перепада напора; 12 - фильтр

Блоки кассет разделены на конденсационную часть, расположенную в канале приточного нагреваемого воздуха, и испарительную, расположенную в канале удаляемого воздуха. Тепловые трубки частично заполнены фреоном.

Приточный и вытяжной осевые вентиляторы обеспечивают нормируемый воздухообмен в помещении. Фильтр непрерывно очищает удаляемый из помещения воздух. В процессе работы воздух, удаляемый из помещения вытяжным вентилятором, сначала проходит через фильтр, а затем через нижнюю часть теплообменника, отдавая часть запасенного тепла через стенку тепловой трубки фреону. Фреон испаряется, поднимается в верхнюю часть теплообменника и конденсируется, отдавая тепло воздуху, нагнетаемому приточным вентилятором. Воздух нагревается и подается в помещение. Тепловая мощность теплообменника регулируется изменением

количества проходящего через него воздуха. При обмерзании теплообменника в приточном канале по сигналу датчика закрываются жалюзи, а в обводном канале открывается часть лопаток, что сопровождается уменьшением количества воздуха, проходящего через теплообменник. При этом уменьшается теплосъем с тепловых труб, температура удаляемого воздуха за теплообменником повышается и трубы размораживаются. При снижении внутренней температуры в помещении ниже нормируемой автоматика обеспечивает дополнительный подогрев приточного воздуха с помощью электрокалориферов.

Технические характеристики описанных выше теплоутилизаторов приведены в таблице.

Утилизаторы тепла с промежуточным теплоносителем применяют в системах с непосредственной передачей тепла, в том числе и с тепловыми насосами.

*

Приточный воздух

$ Отработанный воздух

Подогретый

приточный

воздух

Удаляемый теплый воздух

Таблица

Технические данные теплоутилизаторов [2] ^' ••

Показатели УТ-Ф-12 РУ-Ф-12 эко

Подача приточного воздуха, м^/ч: в зимнем режиме номинальная максимальная минимальная на выбросе Номинальная подача вытяжного воздуха, м3/ч Тепловая мощность при наружной температуре -40°С Коэффициент утилизации тепла 12000 12000 64-80 0,45 12000 18000 12000 128 0,5 3000 1500 3200 3200 18-21 0,6

Тепловой насос является преобразователем тепловой энергии, обеспечивающим повышение ее потенциала - температуры.

Тепловые насосы подразделяют на компрессионные, сорбционные и термоэлектрические.

Принцип работы компрессионных тепловых насосов (рис. 8) основан на последовательном осуществлении процессов расширения и сжатия рабочего вещества.

А

і

7а

Рис. 8. Принципиальная схема теплового насоса [1]:

1 - конденсатор; 2 - компрессор; 3 - испаритель;

4 - регулирующий вентиль

В тепловом насосе компрессор засасывает из испарителя пары рабочего вещества, сжимает их в компрессоре и подает в конденсатор. Процесс сжатия в компрессоре сопровождается увеличением температуры и давления паров. В конденсаторе происходит конденсация паров рабочего вещества и выделение теплоты конденсации, которая должна быть отведена. Из конденсатора рабочее вещество, находя-

щееся в жидком состоянии, поступает через регулирующий вентиль, уменьшающий давление, в испаритель, где происходит испарение жидкости. Теплота, необходимая для испарения, должна быть подведена к испарителю. Тепловые насосы могут использовать в качестве источника тепловой энергии воду или воздух и передавать теплоту воде (водоводяные или воздуховодяные) или воздуху (воздуховоздушные или водовоздушные). В системах отопления и вентиляции широко применяют воздуховоздушные тепловые насосы.

В качестве источника тепловой энергии возможно использование вытяжного воздуха, отработанной воды системы горячего водоснабжения, грунта, подземных и морских вод, наружного воздуха, солнечной энергии (рис. 9).

Принцип работы сорбционных тепловых насосов основан на последовательном осуществлении термохимических процессов поглощения (сорбции) рабочего агента (отдача тепла) соответствующим сорбентом, а затем выделения (десорбции) рабочего агента (поглощение тепла) из сорбента. Сорбционные установки делят на абсорбционные (объемное поглощение) и адсорбционные (поверхностное поглощение).

Термоэлектрические тепловые насосы основаны на использовании эффекта Пельтье, связанном с выделением и поглощением тепла в спаях материалов при прохождении через них электрического тока.

Изложенный материал позволяет утверждать, что в настоящее время наука и техника располагает довольно богатым арсеналом методов и технических средств утилизации тепла. .....

Рис. 9. Принципиальные схемы тепловых насосов, использующих источники низкопотенциальной тепловой энергии [1]: а - воды рек, озер, морей, б - удаляемый воздух, в - подземные воды, г - сточные хозяйственные воды, д - солнечная радиация, е - удаляемый воздух; 1 - низкопотенциальный источник тепла,

2 - испаритель, 3 - регулирующий вентиль,

4 - конденсатор, 5 - компрессор, 6 - отстойник,

7 - гелиоприемник, 8 - аккумулятор, 9-насос

Критерием выбора типа утилизатора тепла может являться отношение передаваемой тепловой мощности к мощности, затрачиваемой на совершение процесса.

Ь 7'К'ЙЧ А

Библиографический список

1. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.; Стройиздат, 1983. - 320 с.

2. Справочник инженера-электрика сельскохозяйственного производства: Учебное пособие. - М.: Информагротех, 1999. - 536 с.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ПОСЕВНОЙ ТЕХНИКИ

Это лишь одна из возможных форм термо-динамической оценки процессов, протекающих в утилизаторах тепла. Например, совершенно очевидно, что в утилизаторах с насосами затраты мощности значительно меньше, чем затраты мощности с компрессорами. Следовательно, отношение полезной тепловой мощности к мощности, затраченной для тепловых насосов, будет меньше. Вместе с тем тепловые насосы обладают другими достоинствами, в частности, в установках с тепловыми насосами значительно сокращается требуемая теплообменная поверхность. Поэтому целесообразность применения утилизатора конкретного типа следует устанавливать на основе технико-экономических расчетов.

Использование теплоты воздуха, удаляемого из животноводческих помещений, является одним из наиболее эффективных г? ^ . технических решений проблемы сокраще-ния расхода энергии на обеспечение необходимого микроклимата. Применение теп-. . ,-е лоутилизаторов позволяет сократить рас-ход тепловой энергии на данный технологический процесс более чем в 1,5 раза и по некоторым оценкам дает возможность экономить до 60% топливных ресурсов, затрачиваемых на обеспечение микроклимата, а в масштабах России получать ежегодную экономию более 1,5 млн т условного топлива.

В.И. Беляев, Н.Ф. Карпов

С древних времен, обрабатывая почву, люди стремились решить следующие задачи: как можно лучше и глубже взрыхлить

землю перед посевом, обернуть верхний слой почвы, заделать удобрения, дернину, пожнивные остатки и осыпавшиеся семена