XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Сжатый воздух — один из важнейших ресурсов, необходимых промышленным предприятиям. В то же время его использование связано с затратами большого количества электроэнергии. Поэтому экономия электроэнергии с помощью компрессора оказывает существенное влияние на состояние окружающей среды и позволяет снизить затраты.

 

Многие установки по производству сжатого воздуха предлагают значительные и редко используемые возможности экономии энергии в виде рекуперации потерянной энергии. На крупных предприятиях затраты на электроэнергию могут составлять до 80% от общей стоимости производства сжатого воздуха. Но немалую часть этой энергии можно восстановить, тем самым сэкономив большие суммы денег.

Что такое рекуперация энергии в компрессорных установках?

При сжатии воздуха образуется тепло. Перед тем, как сжатый воздух поступает в трубопровод, тепловая энергия отводится и рассеивается. Для каждой установки сжатого воздуха необходимо решить вопрос достаточного и надежного охлаждения. Охлаждение выполняется либо с привлечением внешнего воздуха, либо системой водяного охлаждения, которая использует водопроводную, проточную или техническую воду и может быть как открытого, так и закрытого типа.

 Центральная компрессорная установка на крупном предприятии, которая работает на протяжении 8000 часов в год и потребляет 500 кВт, за год расходует 4 миллиона кВтч. Значительную часть отводимого тепла можно направить на подогрев воздуха или воды. В больших безмасляных винтовых компрессорах можно рекуперировать до 95% энергии, поставляемой компрессором. Во многих случаях можно рекуперировать более 90% энергии при условии, что охлаждение компрессорной установки выполнено тщательно. Этот пример показывает, что меры по экономии средств быстро обеспечивают значительную прибыль. Срок окупаемости вложений в рекуперацию энергии обычно не превышает 1–3 лет. Кроме того, восстановление энергии в закрытой системе охлаждения улучшает условия работы компрессора, повышает его надежность и продлевает срок службы благодаря равномерной температуре, высокому качеству охлаждающей воды и другим преимуществам.

Скандинавские страны являются первопроходцами в этой области и уже довольно давно внедрили рекуперацию энергии в качестве стандартной практики при эксплуатации компрессорных установок. Большинство современных средних и крупных компрессоров от основных поставщиков совместимы со стандартным оборудованием для рекуперации энергии.

1.1 Как работает рекуперация?

Масло в винтовых маслозаполненных компрессорах поглощает теплоту сжатия. Перед подачей в маслоохладитель горячее масло проходит через теплообменник внутри рекуператора, где тепло передается в водяной контур. Объём рекуперированной тепловой энергии и сэкономленные средства зависят от мощности компрессора и коэффициента использования (количества рабочих часов в год). Рекуператор — компактное устройство, не занимающее много места. Оно устанавливается между компрессором и контуром отопления. Модульная конструкция гарантирует простоту установки и идеальную интеграцию.

Как рассчитать потенциал рекуперации?

Согласно физическим законам, практически вся энергия, подаваемая на компрессорную установку, преобразуется в тепло. Чем больше энергии можно восстановить и использовать в других процессах, тем выше КПД системы.

Рекуперация энергии в кВт·ч/год:

Экономия в год (евро):

TR = Продолжительность спроса на восстановленную энергию (ч/год)

K1 = часть TR с нагруженным компрессором (ч/год)

K2 = часть TR с разгруженным компрессором (ч/год)

Q1 = Действительная мощность теплоносителя на нагруженном компрессоре (кВт)

Q2 = Действительная мощность теплоносителя на разгруженном компрессоре (кВт)

ep = Уровень цен на энергию (евро/кВт·ч)

η = КПД обычного источника тепла (%)

Практически вся энергия, поставляемая в компрессорную установку, преобразуется в тепло. Чем больше энергии можно рекуперировать и использовать в других процессах, тем выше эффективность системы. Каждая компрессорная установка располагает большими возможностями для рекуперации энергии. Решающими факторами в этом случае являются работа системы охлаждения, расстояние до места потребления тепла, степень и продолжительность потребности в тепловой энергии.

При выделении значительных объемов тепловой энергии может возникнуть вопрос о продаже рекуперированной тепловой энергии. Потребителями этой энергии могут стать поставщики энергии, и вы сможете подписать договор об инвестициях, субподряде и поставках. Существует также возможность координированной рекуперации энергии, поступающей из нескольких технологических процессов.

Как восстановить энергию в системе с воздушным охлаждением?

Возможными вариантами использования компрессоров с воздушным охлаждением: производящих большой поток горячего воздуха с относительно низкой температурой, являются непосредственный обогрев зданий или теплообмен с батареями предварительного нагрева. В этих случаях нагретый охлаждающий воздух распределяется с помощью вентиляторов.

Рекуперация энергии на установках сжатого воздуха не всегда позволяет получить тепло в нужный момент времени и в достаточном объеме. Если компрессор работает с переменной нагрузкой, количество рекуперируемой энергии со временем изменяется. Чтобы сделать рекуперацию выгодной, нужен относительно устойчивый спрос на тепловую энергию. Лучше всего использовать восстановленную тепловую энергию в дополнение к энергии, поступающей в систему. В этом случае доступная энергия используется на протяжении всего времени работы компрессора. Компрессоры с воздушным охлаждением, которые производят горячий воздух с большим расходом при относительно низкой температуре, могут напрямую обогревать помещения или участвовать в теплообмене с батареей предварительного нагрева. Нагретый охлаждающий воздух распространяется с помощью вентилятора.

Если дополнительный обогрев помещений не требуется, горячий воздух выводится в атмосферу либо автоматически, с помощью термостата, либо вручную, через открытую воздушную заслонку. Ограничивающим фактором является расстояние между компрессорами и зданием, которое нуждается в обогреве. Это расстояние не должно быть слишком большим (лучше всего, чтобы здания располагались рядом). Кроме того, в некоторых случаях рекуперация возможна только в холодное время года. Рекуперация переносимой по воздуху энергии чаще встречается на малых и средних компрессорах. Рекуперация отработанного тепла от систем воздушного охлаждения компрессора требует минимальных вложений и сопровождается незначительными потерями при распределении.

Как рекуперировать энергию в системе с водяным охлаждением?

Охлаждающая вода из компрессора с водяным охлаждением при температуре до 90° может поступать в систему водяного отопления. Если вместо этого предполагается использовать горячую воду для мойки, чистки или принятия душа, дополнительно требуется установить водогрейный котел для базовой нагрузки. Восстанавливаемая в системе сжатого воздуха энергия образует дополнительный источник тепла, который снижает нагрузку на котел, экономит топливо и позволяет установить котел меньшего размера.

Предварительные требования к рекуперации энергии в компрессорах сжатого воздуха различаются в зависимости от типа компрессора. В конструкцию стандартных безмасляных компрессоров можно с легкостью внести изменения, необходимые для восстановления энергии. Этот тип компрессора идеально встраивается в систему водяного отопления, которая работает с температурой воды (90°C), благодаря чему становится возможной эффективная рекуперация энергии. На маслосмазываемых компрессорах масло, которое участвует в процессе сжатия, ограничивает допустимую температуру охлаждающей воды. В центробежных компрессорах температура обычно ниже из-за низких коэффициентов сжатия на каждой ступени компрессора, что также ограничивает степень рекуперации.

Наиболее эффективная рекуперация переносимой с водой энергии достигается на компрессорах с электрическим двигателем мощностью свыше 10 кВт. Рекуперация переносимой с водой энергии требует более сложного оборудования, чем рекуперация энергии, переносимой по воздуху. Основное оборудование состоит из насосов, теплообменников и регулирующих клапанов.

Рекуперация переносимой с водой энергии позволяет передавать полученное тепло в отдаленные здания по трубам относительно небольшого диаметра (40-80 мм) без значительных потерь. Высокая начальная температура воды означает, что избыточную энергию можно использовать для повышения температуры возвратной воды из водогрейного котла. В этом случае обычный источник тепла периодически можно выключать, заменяя его системой рекуперации тепла компрессора.

В перерабатывающей промышленности избыточное тепло компрессора также используется для повышения температуры процесса. Кроме того, маслосмазываемые винтовые компрессоры с воздушным охлаждением можно использовать для рекуперации переносимой с водой энергии. Для этого требуется установить теплообменник в масляном контуре, после чего система будет подавать воду более низкой температуры (50° - 60°) по сравнению с безмасляными компрессорами.

Вывод

На основе всего сказанного можно сделать вывод, что рекуперациятепла снижает энергозатраты компании, а так же уменьшает поражающеевоздействие на окружающую среду.

Код для цитирования: Скопировать