Система теплопостачання на основі термотрансформованої енергії охолодження печі та переохолодження теплоносія низькопотенціальних джерел

Реферат: Запропонована система належить до галузі промислового теплопостачання та вдосконалення технології енергозбереження в процесах виробництва будівельних матеріалів в обертових печах. Система теплопостачання на основі термотрансформованої енергії стабілізуючого охолодження печі та низькопотенційних джерел, що містить повітряний контур з'єднаних між собою повітропроводом укриття печі (1), калорифера (2), вентилятора (3) і контуру холодного водопроводу, який з'єднаний трубопроводом з калорифером (2) та з баком-акумулятором (7) для збору нагрітої води для системи теплопостачання, і має на ділянці до бака-акумулятора (7) поверхневий конденсаторний теплообмінник (4), який, крім того, послідовно з'єднаний трубопроводом з дросельним вентилем (ДВ), випарним теплообмінником (5) і компресором (КМ) в термотрансформаторному контурі з легкокиплячою рідиною, трубопровід холодної початкової води з'єднаний з триходовим терморегулятором (12), що відділяє додатковий паралельний трубопровід, на ділянці якого встановлено рекуперативний теплообмінник (13) від трубопроводу холодної води, після з'єднання якого з додатковим паралельним трубопроводом встановлено калорифер (2), рекуперативний теплообмінник (13) в свою чергу по повітряному контуру з'єднаний за допомогою триходового регулятора витрати енергоносія (10) і встановлений на його викидному патрубку, крім того, магістраль подачі системи теплопостачання, крізь триходовий терморегулятор витрати теплоносія (14) забезпечена допоміжним паралельним трубопроводом, на якому встановлено рекуперативний теплообмінник (5а), який до того ж по енергоносію з'єднаний з повітряним каналом після укриття печі (1), разом з тим трубопровід нагрітої води після конденсаторного теплообмінника UA 101512 C2 (12) UA 101512 C2 (4), забезпечений насосом (8) та триходовим краном (15), що з'єднує магістраль подачі системи теплопостачання, на якій встановлено циркуляційний насос (8а) та бак-акумулятор (7), а випарний теплообмінник (5) термотрансформаторного контуру з'єднаний каналом повітряного контуру між калорифером (2) та викидним патрубком енергоносія (10), крім того, між триходовим регулятором витрати енергоносія (10) та вентилятором (3) розташовано патрубок забору газоповітряного потоку (11). Запропонована система одночасно забезпечує надійну стабілізацію теплотехнологічного режиму обпалювальної печі в умовах зміни температури зовнішнього повітря протягом року. UA 101512 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонована система належить до промислового теплопостачання на основі енергозбереження в процесах виробництва будівельних матеріалів в обертових печах. Характерним недоліком обертових печей [1] є те, що в умовах вкрай низької загальної ефективності використання первинного палива (до 45 %) в процесі виробництва керамзиту, 2 цементу, питома втрата теплоти досягає 6-8 кВт з 1 м бокової поверхні печі. Зазначений ресурс енергії для найбільш обґрунтованого напрямку застосування [1] в промисловому теплопостачанні на цей час практично не використовується. Надання нових функцій системі теплопостачання на зазначеній основі важливо як для основного робочого, так і ремонтно-відновлювального режиму експлуатації печі, що пов'язано, перш за все, з заміною відпрацьованої футерівки. В ремонтно-відновлювальний період вимушено подається теплота для систем промислового теплопостачання від традиційних джерел енергії після спалювання там органічного палива при великій наявності енергії низькопотенціальних джерел. Серед багатьох існуючих [1] відома система охолодження печі [2] на основі термотрансформації теплоти, що утилізується, для нагрівання води побутового і технологічного призначення, яка вибрана як аналог. Відома система охолодження печі [2] з утилізацією теплоти для нагрівання води містить контур повітряного охолодження з послідовно з'єднаними між собою укриття печі, калорифера, вентилятора рециркуляційним повітропроводом. Основний трубопровід холодної початкової води забезпечений поверхневим теплообмінником, насосом, температурним регулятором витрати, калорифером, поверхневим теплообмінником на ділянці до бака-акумулятора, який з'єднаний з системою гарячого водопостачання. Рециркуляційна частина трубопроводу після поділу потоку вихідної води забезпечена поверхневим теплообмінником, аналогічно як і теплообмінник доохолодження початкової води. Ці теплообмінники по міжтрубному простору з'єднані паралельно між собою, а з конденсаторним теплообмінником, дросельним вентилем і з компресором - послідовно. Таким рішенням утворений термотрансформаторний цикл, який дозволяє відбирати тепловий потік від початкової холодної води і її рециркуляційної частини в вищезазначених теплообмінниках з наступною передачею теплоти в конденсаторний теплообмінник, де відбувається подальше нагрівання теплої води після калорифера до необхідної температури для систем гарячого водопостачання. Недоліками аналізованої системи з позицій найбільш ефективного сумісного використання енергії стабілізуючого охолодження печі для промислового теплопостачання є те, що в зазначеній системі відсутня функціональна можливість одночасної утилізації та використання енергії багаточисельних вторинних та відновлюваних низькотемпературних джерел, а також обмеженість структурно-функціонального взаємозв'язку абонентської системи з теплогенеруючими системами термотрансформації. Цей недолік вкрай звужує функціональну спроможність інтегрованих систем та знижує не лише їх загальну енергетичну ефективність, а й техніко-економічні показники систем теплопостачання та використання ресурсу низькопотенціальних джерел. З цих же позицій теплопостачання є також нераціональна робота випарного теплообмінника на трубопроводі для доохолодження початкової води, найвища температура якої в міжопалювальний період є визначальною з відповідним тиском в роботі обох теплообмінників парокомпресійного контуру протягом всього року. Крім того, таке рішення не дозволяє забезпечити глибоке охолодження рециркуляційного повітря на рівні від'ємних температур, що знижує можливість використання енергії низькопотенціальних джерел енергії для теплопостачання. Тому технічною задачею запропонованого винаходу є підвищення техніко-економічної ефективності системи теплопостачання з розширенням використання енергетичного ресурсу при збільшенні глибини доохолодження теплоносія низькопотенціальних джерел та підвищенні надійності роботи термотрансформаторного контуру, вирішення якої досягається сукупною взаємодією в роботі системи наступних нових ознак, а саме: - трубопровід вихідної води з'єднаний послідовно триходовим терморегулятором з додатковим паралельним трубопроводом та з рекуперативним теплообмінником, який в свою чергу по газоповітряному каналу з'єднаний за допомогою триходового терморегулятора викидного рециркуляційного патрубка, та з'єднаний з вхідним патрубком калориферного теплообмінника; - магістраль подачі системи теплопостачання забезпечена триходовим терморегулятором витрати теплоносія з допоміжним паралельним трубопроводом з рекуперативним теплообмінником, установленим на ділянці циркуляції газоповітряного потоку після укриття печі; 1 UA 101512 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - трубопровід нагрітої води після конденсаторного теплообмінника містить додаткову ділянку трубопроводу з триходовим краном, яка послідовно з'єднана з циркуляційним насосом на магістралі подачі системи теплопостачання та паралельно - з баком-акумулятором; - випарний теплообмінник термотрансформаторного контуру встановлений на ділянці рециркуляції газоповітряного потоку між калориферним теплообмінником та викидним патрубком рециркуляційної частини газоповітряного потоку. Зазначені ознаки є суттєвими, тому що їхня практична реалізація безпосередньо визначає технічний результат поставленої технічної задачі, вирішення якої забезпечується цілком визначеним причинно-наслідковим взаємозв'язком відповідних елементів в роботі інтегрованої системи теплопостачання в цілому. Концептуальний підхід до підвищення ефективності промислового теплопостачання полягає в тому, що запропонована система базується на основі повної компенсації енергії парокомпресійного переохолодження відібраної частини рециркуляційного потоку повітряного охолодження печі теплотою низькопотенціальних джерел та корисним використанням енергії скидного переохолодженого потоку. При цьому до раціональних низькотемпературних джерел енергії належать, перш за все, відпрацьовані газоповітряні потоки, зокрема після технологічного охолодження кінцевого продукту, після розроблених авторами [1] перспективних пристроїв повітроструменевого охолодження печей на суміжних ділянках, а також потоки відпрацьованого вентиляційного та зовнішнього повітря, перш за все, в міжопалювальний період року в південних регіонах України. З аналізу особливостей теплотехнології виробничого процесу в обпалювальних печах очевидна логічність використання енергії спряжених енергетичних потоків для промислового теплопостачання як в робочий, так і в ремонтно-відновлювальний період експлуатації пічного агрегату. Робота запропонованої системи з підвищенням ефективності використання вторинних та відновлюваних низькотемпературних джерел енергії повітряних та газоповітряних потоків передбачає в разі необхідності їх попередню очистку від газопилових домішок. Більш детально суть винаходу розкривається наведеним кресленням та викладеним в наступному. Контур повітряного охолодження складається з укриття печі 1, калорифера 2, вентилятора 3 та рекуперативних теплообмінників 5 і 5а, що послідовно з'єднані рециркуляційним повітропроводом. Крім того, магістраль подачі системи теплопостачання забезпечена допоміжним паралельним трубопроводом з триходовим терморегулятором 14 витрати теплоносія та рекуперативним теплообмінником 5 а, який до того ж по енергоносію розміщений в повітряному каналі після укриття печі 1. Основний трубопровід холодної початкової води забезпечений додатковим паралельним трубопроводом з триходовим терморегулятором 12 і послідовно з'єднаний з калорифером 2 на вході та з рекуперативним теплообмінником 13, який в свою чергу по повітряному контуру з'єднаний з викидним патрубком з триходовим регулятором 10 витрати енергоносія. В патрубок забору 11 надходить газоповітряний енергоносій від низькопотенціального джерела. Після калорифера 2 основний трубопровід з підключеною до нього зворотною магістраллю системи теплопостачання з триходовим регулятором 9 забезпечений поверхневим конденсаторним теплообмінником 4 та насосом 8. Зазначений трубопровід з уже нагрітою водою після конденсаторного теплообмінника 4 забезпечений додатковим трубопроводом з триходовим краном 15, що послідовно з'єднаний з циркуляційним насосом 8а, який встановлений на магістралі подачі системи теплопостачання, та паралельно з'єднаний з баком-акумулятором 7. Конденсаторний 4 та випарний 5 теплообмінники по міжтрубному простору з'єднані між собою та з дросельним вентилем (ДВ) і з компресором 6 послідовно. Таким рішенням утворений термотрансформаторний контур з частковим заповненням легкокиплячою рідиною, який зображений пунктиром, що дозволяє відбирати тепловий потік від теплоносія в повітряному контурі з наступною передачею теплоти в конденсаторному теплообміннику 4. Тут відбувається догрівання теплої води, яка надійшла після калорифера 2 та із зворотної магістралі системи теплопостачання, до необхідної температури для абонентських систем. Запропонована система працює таким чином. Вихідна початкова вода з холодного питного водопроводу з початковою температурою, що у різні періоди року має різну температуру (5-25 С), за допомогою насоса 8 проходить через триходовий регулятор витрати 12 та рекуперативний теплообмінник 13, де охолоджується до температури 2-5 С за рахунок дії переохолодженої скидної частини циркулюючого енергоносія в випарному теплообміннику 5. Це дозволяє знизити температуру початкової води, температура якої в теплий період року досягає 20-30 С, переважно в південних регіонах України, після чого вона надходить у калорифер 2. Після охолодження печі гаряче повітря з теплообмінника 5а надходить в калорифер 2 і нагріває воду. Охолоджене рециркуляційне повітря після калорифера 2 з проходженням через випарний 2 UA 101512 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплообмінник 5 доохолоджується до рівня мінусових температур, частина якого після проходження через патрубок 10 та охолодження початкової води до 2-5 С, видаляється в атмосферу і замінюється теплим газоповітряним потоком від низькопотенціальних джерел, надходячи через патрубок забору 11. Автоматизована підтримка суміші переохолодженої частини рециркуляційного потоку та газоповітряного енергоносія від низькопотенціальних джерел забезпечує постійну задану температуру рециркуляційного потоку на вході в укриття печі, зокрема згідно з [1]на рівні 5-10 С. В здвоєних каналах укриття 1 забезпечується регульована струминна дія рециркуляційного повітряного потоку з загальною постійною витратою теплоносія та постійним його перепадом температур для стабілізуючого охолодження поверхні печі незалежно від зміни температури зовнішнього повітря на протязі року. При цьому для теплопостачання використовується спряжена енергія охолодження печі та газоповітряних потоків низькопотенціальних джерел. Для цього передбачені відповідно патрубки 10 та 11. Як догрівальний й охолоджуючий пристрої використовується замкнутий парокомпресійний цикл в контурі теплового насоса. Тут як конденсатор служить теплообмінник 4, де відбувається нагрівання води в процесі конденсації робочого тіла, а випарником є теплообмінники 5, де відбувається відбір низькопотенціальної теплоти в результаті кипіння фреону в циклі термотрансформації. Теплота конденсації передається воді, що надходить в систему теплопостачання та бак-акумулятор 7. Для підвищення ефективності енергопостачання в випарному теплообміннику 5 відбирається теплота з наступною передачею її в конденсаторі 4 тому ж потокові води на шляху до бака-акумулятора 7. Отже охолоджена вихідна вода з постійною температурою протягом року на вході в калорифер 2 та енергія випарного охолодження в випарному теплообміннику 5 сумісно з енергоносієм від низькопотенціальних джерел забезпечують надійні умови ефективного функціонування запропонованої системи теплопостачання згідно з поставленою технічною задачею в процесі автоматичної підтримки постійної початкової температури рециркулюючого теплоносія на вході в укриття печі для стабілізуючого повітроструменевого охолодження печі. З метою більш ефективного використання енергії низькопотенціальних джерел та теплоти охолодження печі із зворотної магістралі системи теплопостачання вода надходить по трубопроводу через триходовий регулятор в калорифер 2 для стабілізації в ньому водного режиму, а також паралельно надходить в конденсаторний теплообмінник 4 для циркулюючої води для системи теплопостачання. В разі зниження потужності системи теплоспоживання передбачена можливість акумуляцій теплоти за допомогою бака-акумулятора 7 та регулюючого триходового крана 15. Це розширює ефективність роботи всієї системи генерації та споживання енергії спряжених теплових потоків. Таким чином, запропонований взаємозв'язок відмінних ознак, у порівнянні з аналогом, створює систему ефективного теплопостачання на основі спряжених енергетичних потоків стабілізуючого охолодження печі та низько потенціальних джерел. Запропонована система виключає застосування додаткових джерел енергії для догрівання води як в робочому режимі, так і в ремонтно-відновлювальний період роботи підприємства. Техніко-економічна ефективність і доцільність застосування запропонованої системи теплопостачання на основі термотрансформованої енергії стабілізуючого охолодження печі та низькопотенціальних джерел з переохолодженням газоповітряного теплоносія полягають в тому, що саме такі рішення дозволяють розширити функціональні можливості аналізованої системи та покращити енергетичні характеристики систем теплоспоживання. Запропонована система може застосовуватись без традиційного джерела теплоти, а охолоджену початкову воду підтримувати на заданому постійному низькому температурному рівні протягом теплого і холодного періодів року. Стабілізація встановленої початкової температури рециркуляційного повітря на вході в укриття печі підтримується також на постійному рівні незалежно від зміни температури зовнішнього повітря в процесі автоматичного змішування переохолодженого рециркуляційного потоку та газоповітряного теплоносія від низькопотенціального джерела. Таким чином, в процесі проходження постійної витрати теплоносія з необхідною інтенсивністю охолоджуючої дії в повітряному контурі забезпечується встановлений режим стабілізуючого охолодження печі. Стабілізація охолодження печі протягом року, яка є дуже важливою техніко-економічною проблемою для зони обпалювання, виключає перегрів її конструктивних шарів, внаслідок чого підвищується стійкість і термін служби футерівки, до того ж робота системи паралельно забезпечує надійне підвищення якості продукції виробництва. В запропонованій системі теплопостачання утилізована теплота інтегрованих потоків реалізується з максимальним позитивним ефектом стосовно використання первинного палива та можливостей низькопотенціальних джерел енергії. 3 UA 101512 C2 5 Джерела інформації: 1. Петраш В. Д. Теплоснабжение на основе утилизации энергии регулируемого охлаждения вращающихся печей. - Одеса: ВМВ, 2006.-280 с. 2. Петраш В. Д., Сорокіна І. В., Басіст Д. В. Патент на винахід № 88327 "Система стабілізуючого охолодження печі на основі термотрансформації теплоти, яка утилізується". Державний департамент інтелектуальної власності. Бюл. № 19, 2009… ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 Система теплопостачання на основі термотрансформованої енергії стабілізуючого охолодження печі та низькопотенційнихджерел, що містить повітряний контур з'єднаних між собою повітропроводом укриття печі (1), калорифера (2), вентилятора (3) і контуру холодного водопроводу, який з'єднаний трубопроводом з калорифером (2) та з баком-акумулятором (7) для збору нагрітої води для системи теплопостачання, і має на ділянці до бака-акумулятора (7) поверхневий конденсаторний теплообмінник (4), який, крім того, послідовно з'єднаний трубопроводом з дросельним вентилем (ДВ), випарним теплообмінником (5) і компресором (КМ) в термотрансформаторному контурі з легкокиплячою рідиною, яка відрізняється тим, що трубопровід холодної початкової води з'єднаний з триходовим терморегулятором (12), що відділяє додатковий паралельний трубопровід, на ділянці якого встановлено рекуперативний теплообмінник (13) від трубопроводу холодної води, після з'єднання якого з додатковим паралельним трубопроводом встановлено калорифер (2), рекуперативний теплообмінник (13) в свою чергу по повітряному контуру з'єднаний за допомогою триходового регулятора витрати енергоносія (10) і встановлений на його викидному патрубку, крім того, магістраль подачі системи теплопостачання, крізь триходовий терморегулятор витрати теплоносія (14), забезпечена допоміжним паралельним трубопроводом, на якому встановлено рекуперативний теплообмінник (5а), який до того ж по енергоносію з'єднаний з повітряним каналом після укриття печі (1), разом з тим трубопровід нагрітої води після конденсаторного теплообмінника (4) забезпечений насосом (8) та триходовим краном (15), що з'єднує магістраль подачі системи теплопостачання, на якій встановлено циркуляційний насос (8а) та бак-акумулятор (7), а випарний теплообмінник (5) термотрансформаторного контуру з'єднаний каналом повітряного контуру між калорифером (2) та викидним патрубком енергоносія (10), крім того, між триходовим регулятором витрати енергоносія (10) та вентилятором (3) розташовано патрубок забору газоповітряного потоку (11). 4 UA 101512 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5