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

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 ,

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;

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,

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 =

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

о _ ^ бэр _ У^-вых пот кон у т/

Вэк- глр - Пр , /год

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,

П¥О = ^Д РД £н

2

Где 5Д - удельная стоимость дополнительного теплообменника, руб/м ; Рд - поверхность теплообмена дополнительного теплообменника, м2 ,

Поверхность теплообмена дополнительного определяется по формуле (9):

теплообменника

^-Р ,

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

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

Од = Же

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

Яро =So Ро е руб/год,

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

° 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.

Qo = Ж(г-ги)=Вг,

Пп = 3600 тБп В руб/год,

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