Использование сжиженного газа С3Н8 в качестве рабочего тела в тепловом двигателе для утилизации тепловых отходов промышленных предприятий

В настоящее время утилизация низкопотенциальной теплоты производится в основном в геотермальной энергетики, где в энергетических установках реализуется органический цикл Ренкина (ОЦР) с применением низкокипящих рабочих тел (НРТ), в качестве которых применяются различные углеводороды. Однако возможная область применения таких установок с НРТ значительно шире.

Примерами низкокипящих рабочих тел могут быть углеводороды (бутан, пропан), хладоны (R11, R12, R114, R123, R245+а), аммиак, толуол, дифенил, силиконовое масло или новое синтетическое вещество «Novec 649», разработка компании «3М», известной по брэнду «Скоч» и др. [1].

В последнее время прилагаются большие усилия по утилизации тепловых отходов предприятий промышленности, с возможностью генерации электроэнергии. Потенциал в 750 МВт оценивается для производства электроэнергии от теплоты промышленных отходов в США, 500 МВт в Германии и 3000 МВт в Европе.

Наибольшую долю сбросной теплоты составляют промышленные отходы с температурой ниже 80°С, что затрудняет его использование. Это обстоятельство зачастую крайне неблагоприятно воздействует на окружающую среду, загрязняя ее и приводя к изменениям климата.

В России внедрение экономически эффективных энергосберегающих технологий соответствует основным положениям Энергетической стратегии России до 2030 года (Распоряжение Правительства РФ №1715-р от 13.11.09). Поэтому возможность эффективного использования промышленных отходов с температурой ниже 80°С, является важной научно-технической задачей.

Предлагается способ утилизации тепловых отходов промышленных предприятий с температурой ниже 80°С с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном газе С 3 Н 8 (рис. 1). Работа теплового двигателя осуществляется по ОЦР, который охлаждается водными ресурсами окружающий среды с температурой от 5°С до 28°С [2].

Рисунок 1 – Принципиальная схема теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на С 3 Н 8 для утилизации тепловых отходов. Тепловой двигатель работает следующим образом: сжиженный газ С 3 Н 8 сжимается в насосе, нагревается и испаряется в теплообменнике-испарителе за счет подводимой теплоты промышленных отходов с температурой ниже 80°C, далее перегретый газ С 3 Н 8 расширяется в турбодетандере соединенный с электрогенератором, затем расширенный газ направляется на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного охлаждения, где в процессе охлаждения газа С 3 Н 8 ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ направляется в насос и цикл повторяется [3].

В промышленных холодильных установках пропан используют уже в течение многих лет. Хладагент С 3 Н 8 характеризуется низкой стоимостью и мало растворимостью в воде. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей турбины, конденсатора и испарителя. Весьма низкая температура тройной точки (около 85 К) и очень крутой ход кривой плавления делают пропан удобной средой, передающей давление при низких температурах.

При этом сжиженные углеводороды обладают большим коэффициентом объемного расширения. Для сравнения: коэффициент объемного расширения пропана составляет 0,00306 на один градус повышения температуры газа, что в несколько раз больше чем у иных жидкостей (воды – 0,00019) [4].

Предлагаемый способ утилизации тепловых отходов обеспечивает дополнительную выработку электроэнергии при минимально допустимых температурных перепадах (разницах температур) между источником сбросной теплоты и окружающей среды равной в 22°С. При этом для выработки 1 кВт полезной электрической мощности с помощью теплового двигателя на С 3 Н 8 необходимо утилизировать в среднем около 100 кВт тепловой энергии. К примеру, в табл. 1 приведены эксергетические КПД различных технических систем.

Таблица 1

Факторами, затрудняющими применения подобных установок по утилизации тепловых отходов производства, являются относительная дешевизна традиционных углеводородов и слабое развитие оборудования отечественного производства, работающего на НРТ.