Тепло естественным образом передается от тела с более высокой температурой (источника тепла) к телу с более низкой температурой (теплоприемнику). Потоки тепла, отходящего от какого-либо процесса или системы, могут, по аналогии с выбросами или сбросами вещества в окружающую среду, рассматриваться как относящиеся к одному из двух типов:

1. Неорганизованные «сбросы» тепла, например, излучение через отверстия печей, потери тепла от нагретых поверхностей с недостаточной теплоизоляцией или вообще без таковой, рассеивание тепла при работе подшипников.

2. Конкретные потоки тепла, соответствующие организованным сбросам и, как правило, связанные с тем или иным материальным потоком, например:

ü горячие дымовые газы;

ü выхлопные газы;

ü хладагенты из систем охлаждения (например, газы, охлаждающая вода, термомасло);

ü горячая или охлажденная продукция или отходы;

ü сбрасываемые горячие или холодные сточные воды;

ü теплота перегрева и конденсации, отводимая от систем охлаждения.

Соответствующие потери тепла часто характеризуются как «отходящее» или «сбросное» тепло, хотя более точным был бы термин «избыточное тепло» («теплоизбытки»), поскольку теплота, связанная с конкретными потоками, может использоваться для нужд другого процесса или системы. Для удобства читателя в этом разделе используется термин «отходящее/избыточное тепло».

Исходя из содержания эксергии («качества» тепла), можно условно разделить тепловые потоки на два уровня:

1. Тепло горячих потоков, например, горячих дымовых газов.

2. Тепло относительно холодных потоков (например, с температурой менее 80 °C). Утилизация этого тепла представляет собой более сложную задачу и может потребовать повышения его эксергии.

В простых случаях утилизация тепла может достигаться непосредственным применением методов, описанных ниже. В условиях более сложных установок с несколькими источниками и/или стоками тепла деятельность по утилизации тепла следует начинать на уровне предприятия или процесса, например, используя такие инструменты, как пинч-анализ, организуя передачу тепла между процессами и применяя методы интеграции процессов.

Технологии утилизации тепла

Наиболее часто применяются следующие принципиальные подходы к утилизации тепла:

ü непосредственное использование тепла: теплообменники, позволяющие использовать избыточное тепло (например, тепло горячих дымовых газов) для нужд другого процесса или системы;

ü тепловые насосы, позволяющие повысить качество энергии относительно холодных потоков, в результате чего эта энергия может использоваться для совершения большего количества полезной работы, чем при исходной температуре этих потоков (т.е. затраты некоторого количества высококачественной энергии позволяют повысить качество отходящего/избыточного тепла);

ü подходы, включающие несколько методов или ступеней, например, выпаривание, а также последовательное сочетание отдельных методов утилизации тепла, названных выше.

Возможности утилизации тепла, отходящего от технологических процессов, должны изучаться после оптимизации соответствующих процессов. Оптимизация после внедрения методов утилизации тепла способна оказать негативное влияние на системы утилизации, а мощность установленного оборудования может оказаться избыточной, что негативно повлияет на экономическую эффективность.

Кроме того, важно оценить количество и качество отходящего/избыточного тепла, а затем, исходя из этих данных, выявить возможные применения для него. Потенциал утилизации тепла часто ограничен такими факторами, как качество отходящего тепла и имеющиеся на предприятии возможности его использования.

Для организации эффективной утилизации тепла крайне важно располагать количественной информацией о существенных аспектах процессов, в которых образуется и будет использоваться тепло, а также пониманием этих процессов. Недостаток знаний о конкретных процессах является основным источником трудностей и неудач при организации утилизации тепла. Ошибки и существенные пробелы в данных способны привести к более серьезным проблемам, чем, например, неоптимальный выбор теплообменника. Как ошибки в понимании термодинамики процессов, так и отсутствие точной информации о физических свойствах отходящего тепла способны привести к проблемам независимо от выбранного типа теплообменника, если необходимая информация не получена заблаговременно.

Глубокое понимание технологического процесса, а также допустимого диапазона изменения его параметров является важной предпосылкой успешной и эффективной утилизации тепла. Хорошей отправной точкой для планирования соответствующих мер может быть детальное измерение и регистрация параметров процесса. Эта практика также позволит инженерам выявить потенциал энергосбережения, которое может быть реализован за счет малозатратных мер.

Возможные варианты утилизации тепла включают:

• использование тепла в том же процессе, который является его источником (регенерация, часто с использованием теплообменников, например, экономайзеров)

• использование тепла в другой системе или производственной единице (этот вариант может использоваться, например, в тех случаях, когда отходящее тепло характеризуется недостаточно высокой температурой). В этом случае, в свою очередь, возможны два варианта:

o использование тепла в другом процессе или производственной единице той же установки;

o использование тепла в процессах другой установки (например, на другом производстве в пределах химического комбината) или за пределами промышленных предприятий, например, в системах центрального отопления.

Если отходящее тепло характеризуется недостаточным содержанием эксергии, уровень последней может быть повышен при помощи теплового насоса, или может быть найдено применение для существующего тепла – например, горячее водоснабжение или отопление помещений (системы ОВКВ).

Поэтому в настоящем разделе обсуждается охлаждение (как деятельность, предоставляющая значительные возможности для утилизации отходящего тепла), а также два основных подхода, упоминавшихся выше – использование теплообменников и тепловых насосов.