Гелиоустановки с тепловым насосом

Гелиоустановки предназначены для получения горячей воды или нагретого воздуха и включают в себя коллектор солнечной энергии (КСЭ), теплообменники, бак-аккумулятор, тепловые насосы и трубопроводы. Рабочим телом (теплоносителем) в КСЭ могут быть вода, воздух, органические низкокипящие жидкости. Важным условием применения рассматриваемых схем является обеспечение бесперебойной работы систем отопления и горячего водоснабжения независимо от временных и погодных условий путем введения в схему емкостей, аккумулирующих тепловую энергию в солнечное время суток и отдающих накопленную теплоту во время отключения КСЭ.

При воздушном солнечном отоплении здания или сооружения холодный воздух забирается из окружающей среды и вентилятором подается в КСЭ, где он нагревается и через блок управления вводится либо в помещение здания, либо в тепловой аккумулятор, расположенный, как правило, под зданием. Когда КСЭ не работает, предусмотрена возможность рециркуляции охлажденного комнатного воздуха через тепловой аккумулятор.

Тепловым аккумулятором воздушного отопления может служить любой твердый наполнитель достаточной крупности с высокой удельной теплоемкостью (каменная галька, керамические сосуды, металлические листы).

Рис. 5 Принципиальная схема гелиоустановки и системы теплоснабжения с тепловым насосом:

1 – энергия Солнца; 2 – насос; 3 – коллектор солнечной энергии; 4 – теплообменник;

5 – бак-аккумулятор; 6 – тепловая изоляция; 7 – насос системы отопления;

8, 15 – теплоприемники; 9 – радиаторы; 10 – воздухосборник; 11, 17 – промежуточный бак; 12, 18 – тепловой насос; 13 – вентили; 14 – насос горячего водоснабжения; 16 – кран горячей воды.

Наиболее эффективная схема системы теплоснабжения с использованием КСЭ приведена на рис. 5 и имеет несколько контуров.

Охлажденная вода первого контура насосом 2 подается в коллектор солнечной энергии 2, где нагревается и направляется в теплообменник 4 водяного бака-аккумулятора 5, в котором охлаждается и вновь возвращается в КСЭ.

Работа системы отопления. Охлажденная вода после радиаторов циркуляционным насосом 7 прокачивается через теплоприемник 8, установленный в баке-аккумуляторе, где нагревается и затем идет в радиаторы 9 системы отопления. При недостатке солнечной энергии (пасмурные дни, ночное время) вода после радиаторов циркуляционным насосом 7 прокачивается через промежуточный бак 11, где нагревается, и возвращается в радиаторы 9 системы отопления.

Переключение движения воды производится закрытием или открытием вентилей 13. Нагрев воды в промежуточном баке 11 осуществляется в этом случае с помощью теплового насоса 12, который использует воду бака аккумулятора как низкопотенциальную энергию.

Работа системы горячего водоснабжения. Вода из водопровода или насосом 14 подается в теплоприемник 15, где нагревается, и идет в кран 16 на горячее водоснабжение. В случае недостатка солнечной энергии включается тепловой насос 18, который нагревает воду в теплообменнике 17 за счет энергии воды бака-аккумулятора. В этом случае вода из водопровода проходит через теплообменник 17, нагревается и идет в кран 16 горячей воды.

Для поддержания расчетных тепловых условий системы отопления и горячего водоснабжения возможно размещение электрических тепловых насосов 12 и 18, включаемых в сеть при понижении температуры в бакеаккумуляторе 5 ниже предельной и использующих бак-аккумулятор как низкопотенциальный источник тепловой энергии.

В периоды наибольшего похолодания или прекращения поступления солнечной энергии для нагрева воды систем отопления и горячего водоснабжения в схему трубопроводов включают дополнительный газовый или электрический источник энергии, который подогревает воду до заданной температуры потребителя.

3.3 Геотермальные ресурсы и их типы.

Геотермальные установки используют энергию недр Земли. Геотермальные энергетические ресурсы относятся к низкопотенциальным, невозобновляемым, но неисчерпаемым. Геотермальные ресурсы, расположенные на глубине до 3 км, подразделяют: на горячую воду, сухой пар, горячие скальные породы и подземные воды под давлением, а по температуре до 100 °С, 100…150 °С и свыше 150 °С. Около 88 % объема мировых геотермальных энергетических ресурсов приходится на низкотемпературные источники энергии с температурой менее 100 °С. Установки, использующие энергию геотермальных вод для производства тепловой энергии, более компактны, чем гелиоустановки.

Направления использования теплоты гидроминерального флюида многочисленны и разнообразны: отопление, нагрев вентиляционного воздуха, горячее водоснабжение, различные технологические установки и сельское хозяйство. Желательно организовать комплексное использование горячей воды, чтобы ее температурный потенциал был сработан по возможности более полно. Вначале воду, имеющую температуру на выходе из скважины до 100 °С, следует направлять в системы отопления зданий и теплиц, где она охладится до 50…60 °С, затем эту воду можно подать в калориферы для подогрева воздуха, используемого для сушки сельскохозяйственного сырья, на животноводческие фермы для подогрева полов, приготовления теплого питья или корма. После этой степени использования термальную воду, уже весьма остывшую, если она не оказалась загрязненной на предшествующих участках технологического тракта, можно направить в рыборазводные пруды или на полив огородных культур, выращиваемых на открытом грунте.

При использовании наземных технологических гидротермальных тепловых сетей следует решать вопрос о применении отработанной термальной воды. Если производительность гидротермальных скважин высока, то произвольный сброс отработанной воды может привести к заболачиванию местности и к тепловому и химическому загрязнению окружающей среды, поскольку сама вода имеет повышенную температуру и насыщена вредными для человека, флоры и фауны компонентами. Поэтому по экологическим соображениям необходимо отработанную воду по специальным скважинам закачивать в недра Земли, хотя бурение опускных скважин и закачка отработанной воды требуют дополнительных затрат средств и энергии. Это позволяет сохранить в чистоте среду обитания, поддерживать внутрипластовое давление и обеспечить стабильную работу действующей скважины в течение длительного периода времени.

При температуре геотермальных вод до 100…150 °С и слабой их минерализации возможно их прямое использование в системе теплоснабжения. При более высоких температурах и давлениях применяется двухконтурная схема, в которой геотермальная вода часто в виде пара под давлением до 20 МПа и температуре до 200 °С подается в сетевой теплообменник, где охлаждается, и затем сбрасывается, как правило, в подземные естественные пустоты – хранилища. Если же минерализация геотермальных вод высока, то используют различные способы очистки геотермальных вод. На рис. 6 приведена принципиальная схема геотермальной установки с промежуточной очисткой пара и воды.

Водяной пар или горячая вода из действующей скважины 1 под собственным давлением направляются в теплообменник 2 парогенератора, охлаждаются и конденсируются, а образовавшаяся вода поступает в сепаратор 3, где из нее выделяются вредные соединения. Примеси, удаленные из воды, отводятся в дренаж 4, а очищенная термальная вода насосом 5 вводится в испарительную зону парогенератора 6, где нагревается паром и исходной горячей геотермальной водой. Образовавшаяся пароводяная смесь из парогенератора 6 идет в подогреватели 7 и 8, где передает теплоту сетевой воде, охлаждается и затем сбрасывается в неработающую скважину 9. Обратная вода из теплосети насосом 10 прокачивается через подогреватели 8 и 7, где нагревается, и идет к потребителю 11 на отопление и горячее водоснабжение.

Рис. 6. Принципиальная схема геотермальной установки:

1 – действующая скважина; 2 – теплообменник; 3 – сепаратор;

4 – дренаж; 5 – насос; 6 – парогенератор;7, 8 – подогреватели сетевой воды;

9 – неработающая скважина; 10 – сетевой насос; 11 – потребитель

3.4 Биоэнергетические установки.

Биомасса – органическое вещество, генерируемое растениями в процессе фотосинтеза, при подводе солнечной (световой) энергии. Биомасса является как бы аккумулятором солнечной энергии. Энергия биомассы используется двумя способами: путем непосредственного сжигания (дров, торфа, отходов сельскохозяйственной продукции) и путем глубокой переработки исходной биомассы с целью получения из нее более ценных сортов топлива – твердого, жидкого или газообразного, которое может быть сожжено с высоким КПД при минимальном загрязнении окружающей среды. Второй способ перспективен и позволяет использовать в качестве первичных энергоносителей такие биомассы, которые не поддаются утилизации путем прямого сжигания в топочных устройствах. Эти биомассы представляют собой бытовые и промышленные отходы, ухудшающие состояние среды обитания человека. Поэтому их переработка, проводимая в целях получения энергии, позволяет одновременно решить и экологическую задачу. Основными источниками биомассы служат промышленные и городские отходы, отходы животноводства, сельского и лесного хозяйства и водоросли.

В результате термохимической обработки биомассы получают топливный газ, жидкое пиротопливо и твердое топливо – углистое вещество. Общий энергетический КПД газификации составляет 50...70 %. Помимо неизбежных потерь теплоты через ограждения и от недожога топлива, значительная часть энергии тратится на сушку сырья.

Анаэробная ферментация биомассы представляет собой микробиологический процесс разложения сложных органических веществ без доступа воздуха. При ферментации происходит превращение углеводородов (брожение) и белков (гниение) в биогаз – смесь метана СН₄ (до 60...70 %), диоксида углерода СО₄, азота N₂, водорода Н₂ и кислорода (вместе 1...6 %), и образуется стабилизированный осадок исходной биомассы. Биогаз является высококалорийным, удобным для практического использования топливом, а стабилизированный осадок – органическим добрением. В процессе ферментации биомасса теряет неприятный запах и при этом погибает патогенная микрофлора. При анаэробной ферментации решаются энергетические и экологические вопросы, в том числе проблема складирования и хранения отходов.

К веществам для анаэробной ферментации относят осадки городских сточных вод, стоки животноводческих и птицеводческих ферм, твердые бытовые отходы, остатки перерабатываемого растительного сырья, опилки. Не требуется разделения материала по гранулометрическому составу и их обезвоживания перед анаэробной ферментацией, напротив, исходное сырье предварительно увлажняют, но размеры частиц биомассы для ускорения разложения не должны превышать 4 мм.

На интенсивность образования биогаза существенно влияет температурный режим процесса. Начальная температура биомассы обычно меньше оптимальной, поэтому ее подогревают перед поступлением в метантенк либо в самом ферментере. Метантенк – резервуар для биологической переработки (сбраживания при температуре 27…55 °С) с помощью бактерий и микроорганизмов. Оптимальные значения температур ферментации зависят от вида метаногенных бактерий.

Существуют два вида микроорганизмов: мезофильные, наиболее активные при 20...40 °С, и термофильные, активные при 45...70 °С. Эту тепературу биомассы в ферментационном бассейне (метантенке) нужно поддерживать в процессе ферментации. Греющей средой является горячая вода или водяной пар. Площадь теплообменной поверхности аппарата выбирается такой, чтобы биомасса была нагрета до верхнего значения температуры в рекомендуемом температурном интервале. Тогда при остывании биомассы в метантенке ее температура не выйдет за допустимые пределы.

Технология получения биогаза из сельскохозяйственных отходов изображена на рис. 8.

Рис.8. Технологическая блок-схема получения биогаза из сельскохо-

зяйственных отходов:

1 – приемный резервуар; 2 – метантенк; 3 – компрессор;

4 – аппарат разделения CH₄ и СO₂; 5 – котельный агрегат; 6 – бассейн;

7 – центрифуга; 8 –цех приготовления корма

Технология переработки сводится к разбавлению отходов животноводства водой в приемном резервуаре 1, выделению из них песка и других минеральных примесей, сбраживанию обводненных отходов в метатенке 2 в условиях их постоянного перемешивания при температуре до 60 °С. Образующийся газ сжимается в компрессоре 3 и направляется в аппарат 4 для разделения СН₄ и СО₂. Метан направляется в котельный агрегат 5 для производства тепловой энергии путем его сжигания, а двуокись углерода – на питание водорослей в бассейне 6. Стоки, обработанные в метатенке 2, подаются на центрифугу 7, откуда обезвоженный осадок и водоросли направляются на приготовление корма 8, а жидкие стоки из центрифуги – в бассейн 6 для выращивания водорослей и на разбавление исходных отходов в приемный резервуар 1. Таким образом, утилизируются все побочные продукты процесса сбраживания отходов: метан, двуокись углерода и твердый остаток. Аналогично происходит переработка растительных отходов.

Биогаз имеет теплоту сгорания 17...21 МДж/м3 и широко применяется в различных энергоустановках для выработки электрической и тепловой энергии. Особенно перспективно производство биогаза в сельском хозяйстве, где из-за резкого роста цен на традиционные энергоносители появление всевозможных производств из отходов животноводства и растениеводства есть естественное следствие производственной деятельности. Кроме того, при производстве метана из отходов животноводческих ферм в качестве побочного продукта образуются водоросли, содержащие до 45…50 % ценных кормовых ингредиентов (протеина и аминокислот). В случае необходимости метан легко перерабатывается в спирты, являющиеся присадкой к моторному топливу.

Этанол (этиловый спирт С₂Н₅ОН) получается из биомассы при спиртовом анаэробном сбраживании и используется как жидкое топливо, способное в определенной мере заменить дорогостоящий бензин.

Городские отходы для производства тепловой энергии используют по мере концентрации населения в городах и крупных поселках. Сжигание отходов осуществляется в специальных мусоросжигательных установках, а также в топках обычных котлов в качестве присадки (до 10 %) к основному топливу. Схема энергетического использования городских бытовых отходов на мусоросжигательном заводе или установке реализуется в одном здании, что обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических норм, установленных для города.

Она включает: отделение приемки и складирования отходов, систему подачи отходов в загрузочную воронку, сжигание отходов в топке котла с наклонной колосниковой решеткой. Установка позволяет также утилизировать параллельно с твердыми отходами городской шлам (влажные тонкоизмельченные твердые отходы). Шлам предварительно обезвоживается механически в центрифугах и затем через мельницу-сушилку в подсушенном виде вводится в виде пыли над слоем горящих твердых отходов. Сушильным агентом в мельнице-сушилке служат высокотемпературные продукты сгорания, которые отбираются в верхней части топочного объема, обеспечивая тем самым их рециркуляцию, что снижает образование вредных газообразных веществ при сжигании отходов. Продукты сгорания, выводимые из котла, подвергаются тщательной очистке, в том числе в электро- или тканевых сепараторах (фильтрах) с последующей мокрой очисткой в скруббере. Из скруббера они выбрасываются в дымовую трубу. Котел может быть паровым и водогрейным. Зола и шлак, образующиеся после сгорания отходов, собираются в шлакоприемник и затем отводятся в шлаковый бункер, из которого вывозятся за пределы завода.

3.5 Использование вторичных энергетических ресурсов.

Промышленные отходы, используемые как биоэнергоресурсы, присущи пищевой промышленности, которая специализируется на переработке плодов и овощей, а для выработки энергии используют отходы семян, плодов, шелуху семечек подсолнечника и другие подобные отходы, непригодные для применения в качестве корма.

Твердые городские отходы представляют собой домашние отходы, отходы легкой промышленности и строительства. В зависимости от времени года и района сбора отходы в среднем состоят на 80 % из горючих материалов, из которых 65 % имеют биологическое происхождение: бумага, пищевые и животные отходы, тряпье, пластмасса. Горючими компонентами являются углерод (~ 25 %), водород (~ 3 %) и сера (~ 0,2 %), поэтому теплота сгорания городских отходов составляет 9...18 МДж/кг. Небольшое содержание азота (~ 0,3 %) и невысокие температуры горения отходов сводят к минимуму образование вредных окислов азота и обеспечивают экологическую чистоту отходов как топлива, ввиду образования незначительного количества оксидов серы.

Предприятия по переработке отходов следует размещать в городах с населением численностью 150...200 тыс. человек, а производство энергии из отходов рентабельно, если их в сутки перерабатывается не менее 270 т. Утилизация твердых отходов также дает положительный эффект из-за улучшения экологической обстановки в городе и уменьшения площадей, необходимых для складирования отходов.

Отходы животноводства заслуживают внимания как энергоресурсы только при содержании скота и птиц в закрытых помещениях, таких как откормочные хозяйства промышленного типа. Количество образующихся отходов зависит от вида и количества животных. Оптимальным способом обработки отходов животноводства является анаэробная ферментация или биогазификация.

Отходы сельского и лесного хозяйства образуются на месте их заготовки или на предприятиях по их переработке. К ним относят растительные остатки после сбора урожая (солома, стебли кукурузы или подсолнечника, мякина, кожура овощей и плодов), ветви и корни заготавливаемых деревьев, погибшие и отбракованные деревья, а также отходы при производстве пиломатериалов и бумаги (опилки, стружки, горбыль, кора). Однако опилки и стружки целесообразнее использовать для производства древесностружечных и древесноволокнистых плит (ДСП и ДВП), а сжигать их в топках котлов и печей следует только при отсутствии такого производства.

Водоросли произрастают в водоемах, расположенных в местностях с интенсивной солнечной радиацией, при повышенном содержании в воде питательных веществ (водные растения рек, озер, болот, морей и океанов). На накопление биомассы водорослей влияет сезонность: в холодное время года ее прирост практически прекращается.

При непосредственном сжигании биомассы химическая энергия горючих компонентов преобразуется в тепловую энергию высокотемпературного теплоносителя – газообразных продуктов горения (дымовых газов), которые из топочного устройства подаются в то или иное теплоиспользующее устройство: водонагреватель, парогенератор, воздушный калорифер, сушильную установку. При предварительной обработке из твердых городских отходов выделяют фракции черных и цветных металлов, негорючие твердые компоненты, стекло. Крупные куски измельчают до получения однородной массы, которую затем обезвоживают в специальных сушильных установках, а сжигание производят в топках котельных агрегатов.

При термохимической обработке биомассы отходы подвергают тепловому и химическому воздействию, при котором органическая часть биомассы разлагается с образованием твердого горючего вещества, горючих газов или жидкого топлива. Каждый из этих продуктов представляет собой высококачественное, эффективное и экологически чистое топливо, сжигание которого осуществляется в обычных топочных устройствах. Основу термохимической обработки составляет пиролиз – термическое разложение органической массы отходов при ее нагревании.

Пиролиз осуществляется в различных аппаратах: конвертерах, где происходит конверсия (преобразование) вещества; реакторах, где идут химические реакции; газификаторах или газогенераторах, где образуются газообразные продукты разложения органики. Некоторые методы термохимической обработки твердых отходов предусматривают предварительное выделение фракций негорючей части биомассы, их очистку и механическую обработку с целью повторного хозяйственного использования. Комплексность утилизации отходов и исключение необходимости складирования и захоронения конечных продуктов их переработки придают такимметодам особую привлекательность.

Лекция №17 (2 часа)

Тема: «Защита окружающей среды при работе котельного агрегата»

1 Вопросы лекции:

1.1 Вредные примеси в продуктах горения.

1.2 Очистка продуктов горения от механических примесей и газообразных токсических выбросов.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

2.2.2 Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. -84 с.: ил.15.

2.2.3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Вредные примеси в продуктах горения.