مروری بر فناوریهای بازیابی و استفاده از گرمای باقیمانده در صنعت کشورمان
Thread Content
در حال حاضر، در استفاده از انرژی در کشور ما، مشکلات اصلی مانند نرخ بهرهوری پایین، بازده اقتصادی ضعیف و فشار بر محیط زیست وجود دارد. کاهش مصرف انرژی و افزایش بهرهوری کلی انرژی، راهکار اساسی برای حل مشکلات انرژی کشور ما است و در اولویت توسعه قرار دارد. دستیابی به اهداف کاهش مصرف انرژی و گازهای گلخانهای و افزایش بازدهی استفاده از انرژی، عمدتاً به بخش صنعتی وابسته است. میزان مصرف انرژی در بخش صنعت کشورمان، حدود ۷۰ درصد از کل مصرف انرژی کشور را تشکیل میدهد؛ همچنین، میزان مصرف انرژی برای تولید هر واحد از محصولات صنعتی، به طور متوسط حدود ۳۰ درصد بیشتر از سطح پیشرفته جهانی است. علاوه بر عواملی مانند فرآیندهای تولید نسبتاً عقبمانده و ساختار نامناسب صنعتی، کارایی پایین استفاده از گرمای باقیمانده در صنایع نیز یکی از دلایل اصلی مصرف بالای انرژی است. نرخ استفاده از انرژی در کشور ما تنها حدود ۳۳ درصد است که حدود ۱۰ درصد کمتر از کشورهای توسعهیافته است؛ حداقل ۵۰ درصد از انرژی مصرفی در صنایع، به شکل گرمای باقیمانده، مستقیماً هدر میرود. بنابراین، از دیدگاه دیگری، کشور ما از منابع گرمای باقیمانده در صنایع فراوانی برخوردار است؛ این منابع به طور گسترده در فرآیندهای تولید صنایع مختلف وجود دارند. گرمای باقیمانده حدود ۱۷ تا ۶۷ درصد از کل مصرف سوخت را تشکیل میدهد؛ در این میان، میزان بازیابی این گرما به ۶۰ درصد میرسد. بنابراین، زمینه برای بهبود نرخ استفاده از گرمای باقیمانده وجود دارد و پتانسیل زیادی برای صرفهجویی در مصرف انرژی وجود دارد. بازیابی و استفاده از گرمای باقیمانده در صنعت، به عنوان نوعی «انرژی جدید» شناخته میشود و در سالهای اخیر به یکی از عناصر مهم در پیشبرد فعالیتهای کاهش مصرف انرژی و گازهای گلخانهای در کشورمان تبدیل شده است. ویژگیهای منابع گرمای باقیمانده صنعتی: منابع گرمای باقیمانده جزو انرژیهای ثانویه هستند؛ یعنی محصول تبدیل انرژیهای اولیه یا مواد قابل سوختن، یا گرمایی که در فرآیند سوختن سوختها تولید شده و پس از اتمام یک فرآیند خاص، باقی میماند. بر اساس درجه دما، گرمای باقیمانده صنعتی معمولاً به سه دسته تقسیم میشود: گرمای باقیمانده با دمای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد، گرمای باقیمانده با دمای ۳۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد، و گرمای باقیمانده با دمای کمتر از ۳۰۰ درجه سانتیگراد. همچنین، بر اساس منبع، گرمای باقیمانده صنعتی را میتوان به گرمای باقیمانده از دود، گرمای باقیمانده از محیطهای خنککننده، گرمای باقیمانده از گازها و فاضلابهای زائد، گرمای ناشی از واکنشهای شیمیایی، گرمای باقیمانده از محصولات با دمای بالا و خاکسترهای حاصل از فرآیندهای صنعتی، و همچنین گرمای باقیمانده از گازها و زبالههای قابل احتراق، تقسیم کرد. منابع گرمای باقیمانده منشأهای متنوعی دارند، دامنه دمایی گستردهای دارند و در اشکال مختلفی وجود دارند. از نظر استفاده، این منابع معمولاً دارای ویژگیهای مشترک زیر هستند: به دلیل وجود الگوهای دورهای، قطعی یا نوسانات تولید در فرآیندهای صنعتی، میزان گرمای باقیمانده ناپایدار است؛ خواص محیط حاوی گرمای باقیمانده نامناسب است، مانند میزان بالای گرد و غبار یا وجود مواد خورنده در گازهای خروجی؛ همچنین، دستگاههای استفاده از گرمای باقیمانده تحت محدودیتهایی مانند شرایط مکانی قرار دارند. بنابراین، محیط کارکرد سیستمها یا تجهیزات مربوط به استفاده از گرمای باقیمانده صنعتی نسبتاً دشوار است؛ لذا نیاز به دامنه عملکرد پایدار، توانایی سازگاری با الزامات فرآیندهای متغیر، قابلیت اطمینان بالای اجزای تجهیزات، و هزینههای اولیه بالا وجود دارد. از منظر کارایی اقتصادی، لازم است طراحی و چیدمان کل سیستم با توجه به فرآیندهای تولید انجام شود تا بهرهوری تجهیزات مربوط به سیستمهای استفاده از گرمای باقیمانده افزایش یابد. فناوری استفاده از گرمای باقیمانده صنعتی: محدوده دمایی گرمای باقیمانده گسترده است و اشکال مختلفی از حاملان انرژی وجود دارد. همچنین، به دلیل تفاوتهای محیطی و فرآیندهای تولیدی، و همچنین محدودیتهای ناشی از شرایط ذاتی محل، انواع مختلفی از تجهیزات وجود دارد؛ مانند پیشگرمکنهای هوا، مخازن ذخیرهسازی گرما در کورهها، بویلرهای گرمای باقیمانده، توربینهای بخار با دمای پایین و غیره. روشهای مختلفی برای بازیابی و استفاده از گرمای باقیمانده در صنعت وجود دارد. بر اساس ویژگیهای انتقال یا تبدیل انرژی در فرآیند استفاده از این گرما، فناوریهای موجود برای استفاده از گرمای باقیمانده در صنعت را میتوان به فناوریهای تبادل حرارتی، فناوریهای تبدیل حرارت به کار مکانیکی، و فناوریهای سرمایش و گرمایش با استفاده از گرمای باقیمانده، تقسیم کرد. ۱. فناوری تبادل حرارت: بازیابی گرمای اضافی باید در وهله اول برای تجهیزات این سیستم یا فرآیند مربوطه استفاده شود تا تعداد بارهای تبدیل انرژی به حداقل برسد. استفاده از گرمای باقیمانده، شکل انرژی آن را تغییر نمیدهد؛ بلکه از طریق تجهیزات تبادل حرارت، انرژی گرمای باقیمانده مستقیماً به فرآیندهایی که نیاز به انرژی دارند، منتقل میشود. این روش، تجهیزاتی است که مصرف سوختهای اولیه را کاهش میدهد و میتوان آن را در کل، تکنولوژی تبادل حرارت نامید. این روش، مستقیمترین و کارآمدترین روش اقتصادی برای بازیابی گرمای باقیمانده در صنایع است. تجهیزات مربوط به این روش، شامل انواع خنککنندهها، خنککنندههای لولهای حرارتی، و همچنین ژنراتورهای بخار حاصل از گرمای باقیمانده میباشد. (۱) انتقالکننده حرارت دیوارهای: انتقالکنندههای حرارت مورد استفاده در صنعت، بر اساس اصل انتقال حرارت، عمدتاً به انواع انتقالکننده حرارت دیوارهای، انتقالکننده حرارت ترکیبی و انتقالکننده حرارت ذخیرهشونده تقسیم میشوند. از جمله، انواع دیوارهای و ذخیرهکنندهی گرما، تجهیزات رایجی برای بازیابی گرمای باقیمانده در صنایع هستند؛ در حالی که انتقالکنندههای حرارتی ترکیبی، از طریق تماس مستقیم یا مخلوط شدن سیالات سرد و گرم برای انتقال گرما استفاده میکنند. نمونههایی از این تجهیزات عبارتند از برجهای خنککننده، برجهای شستشو و کندانسورهای فشاری در فرآیندهای تولید صنعتی؛ اما این تجهیزات در بازیابی گرمای باقیمانده چندان رایج نیستند. تبادلکنندههای حرارتی دیوارهای عمدتاً شامل انواع لولهای، صفحهای و همجریانی میباشند. اگرچه تبادلکنندههای حرارتی لولهای دارای بازدهی حرارتی پایینی هستند (به طور متوسط تنها ۲۶٪ تا ۳۰٪) و از نظر فضای کم مورد نیاز و مصرف فلز نیز از سایر انواع تبادلکنندهها عقبترند، اما دارای ویژگیهایی مانند ساختار محکم، انعطافپذیری بالا و گستره وسیعی از مواد مناسب برای ساخت هستند؛ به همین دلیل، رایجترین تجهیزات تبادل حرارت در بازیابی گرمای باقیمانده در صنایع محسوب میشوند. ۴۰ درصد از تجهیزات تبادل حرارت در کارخانههای فلزکاری، از نوع تبادلکنندههای حرارتی لولهای هستند؛ این تجهیزات اجازه میدهند دمای گاز ورودی بالاتر از ۱٬۰۰۰ درجه سانتیگراد باشد، دمای گاز خروجی حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد باشد و تفاوت دمای متوسط حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد باشد. عوضکنندههای حرارتی صفحهای شامل نوع بالدار، نوع مارپیچی و عوضکنندههای حرارتی صفحهای-غلافی هستند. در مقایسه با عوضکنندههای حرارتی لولهای، ضریب انتقال حرارت آنها تقریباً دو برابر عوضکنندههای حرارتی لولهای است؛ بهرهوری انتقال حرارت در آنها بالاست، ساختارشان فشرده است و مصرف مواد کمتری دارند. در صنعت فلزکاری، شرکتهای متحد و کسبوکارهای کوچک و متوسط اغلب از اختلاطکنهای صفحهای برای گرم کردن هوای مورد نیاز برای احتراق استفاده میکنند؛ نرخ بازیابی گرما به طور متوسط بین ۲۸ تا ۳۵ درصد است. دمای گاز ورودی حدود ۷۰۰ درجه سانتیگراد و دمای گاز خروجی به ۳۶۰ درجه سانتیگراد میرسد. اما به دلیل محدودیتهای بیشتر دما و نسبت فشار در استفاده از اختلاطکنهای صفحهای نسبت به اختلاطکنهای لولهای، محدوده کاربرد آنها محدود شده است. برای بازیابی گازهای داغ حاصل از کورههای صنعتی مختلف، اغلب از تبادلکنندههای حرارتی همجریانی استفاده میشود؛ این تبادلکنندهها عمدتاً به دو نوع تابشی و همرفتی تقسیم میشوند. این روشها به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند و بیشتر در تجهیزاتی مانند کورههای یکنواختکننده دما و کورههای گرمایشی، برای بازیابی گرمای باقیمانده گازها، پیشگرم کردن هوای مورد نیاز برای احتراق یا سوخت، و کاهش میزان گازهای خروجی و دمای آنها به کار میروند. دمای گازهای خروجی از ورودی هیتخنککنهای تبادل حرارتی با استفاده از تابش، معمولاً بالاتر از ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد است؛ دمای گازهای خروجی نیز میتواند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد برسد. همچنین، میتوان هوای مورد نیاز برای احتراق را تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد گرم کرد؛ این روش باعث بهبود کارایی احتراق میشود. بازدهی دمایی این روش میتواند بالاتر از ۴۰ درصد باشد، اما نرخ بازیابی گرما پایین است و به طور متوسط بین ۲۶ تا ۳۵ درصد است. (۲) اختزالکننده حرارتی با ذخیرهسازی حرارت: اصل کار این دستگاهها، عبور متناوب سیالات سرد و گرم از اجزای ذخیرهکننده حرارت برای تبادل حرارت است؛ این دستگاهها جزو دستگاههای تبادل حرارتی با عملکرد متناوب محسوب میشوند و برای بازیابی انرژی حرارتی تولید شده به صورت متناوب مناسب هستند. از آنها عمدتاً برای تبادل حرارت بین گازهای داغ استفاده میشود، مانند گرم کردن هوا یا مواد دیگر. بر اساس محیط ذخیرهسازی گرما و شکل ذخیرهسازی انرژی حرارتی، سیستمهای تبادل حرارتی ذخیرهساز گرما را میتوان به دو دسته ذخیرهسازی انرژی حرارتی ظاهری و ذخیرهسازی انرژی حرارتی نهفته در تغییر فاز تقسیم کرد. ذخیرهسازی انرژی حرارتی مدتهاست که مورد استفاده قرار میگیرد؛ از تجهیزات سادهای مانند خنککنندههای چرخشی رایج، گرفته تا تجهیزات پیچیدهتری مانند کورههای هوای گرم ذخیرهکننده انرژی در کورههای فولادسازی. به دلیل معایبی مانند چگالی ذخیرهسازی انرژی پایین، حجم بالا و عدم توانایی در حفظ دمای ثابت برای ذخیرهسازی گرما، دستگاههای تبادل حرارت برای ذخیرهسازی انرژی حرارتی، در بازیابی گرمای باقیمانده در صنایع، محدودیتهایی دارند. دستگاههای انتقال و ذخیره انرژی با استفاده از گرمای پنهان تغییر فاز، از ظرفیت حرارتی ذاتی مواد ذخیرهکننده و گرمای پنهان تغییر فاز برای ذخیره و انتقال انرژی استفاده میکنند؛ لذا دارای چگالی ذخیره انرژی حداقل یک رده بالاتر نسبت به دستگاههای ذخیره انرژی با استفاده از گرمای ظاهری هستند. در نتیجه، هنگام ذخیره مقدار یکسانی انرژی، حجم دستگاههای انتقال و ذخیره انرژی با استفاده از گرمای پنهان تغییر فاز، ۳۰ تا ۵۰ درصد کمتر از دستگاههای ذخیره انرژی سنتی است. علاوه بر این، تولید گرما پایدار است، دمای محیط انتقال حرارت تقریباً ثابت میماند و وضعیت عملکردی سیستم انتقال حرارت پایدار است؛ اینها نیز از مزایای دیگر تجهیزات ذخیرهسازی انرژی با استفاده از گرمای پنهان تغییر فاز هستند. مواد ذخیرهساز انرژی بر اساس دمای تغییر فاز، به طور کلی به مواد تغییر فاز با دمای بالا و مواد تغییر فاز با دمای متوسط و پایین تقسیم میشوند. مواد نوع اول دارای دمای تغییر فاز بالا و گرمای پنهان تغییر فاز زیادی هستند؛ این مواد عمدتاً از نمکهای غیرآلی و ترکیبات آنها، قلیاها، فلزات و آلیاژها، همچنین ساختارهای سرامیکی یا فلزی تشکیل شدهاند و برای بازیابی گرمای اضافی در دماهای ۴۵۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد و بالاتر مناسب بوده و کاربرد گستردهای دارند؛ مواد نوع دوم عمدتاً از نمکهای کریستالی هیدراته یا مواد آلی تشکیل شدهاند و برای بازیابی گرمای اضافی در دماهای پایین مناسب هستند. (۳) تجهیزات انتقال حرارت مبتنی بر لولههای حرارتی: لولههای حرارتی، اجزایی با کارایی بالا برای انتقال حرارت هستند؛ آنها از طریق فرآیندهای تبدیل فاز تبخیر و تغلیظ ماده موجود در لولههای خلأی کاملاً بسته، و همچنین انتقال حرارت از طریق دیوارههای میانی، حرارت را منتقل میکنند. این دستگاهها، نوعی دستگاه ذخیرهسازی انرژی و انتقال حرارت هستند که در آنها عملیات ذخیرهسازی حرارت و انتقال حرارت در یک دستگاه انجام میشود. لولههای حرارتی دارای خواص انتقال حرارت بسیار خوبی هستند؛ ضریب انتقال حرارت آنها تقریباً یک رده بالاتر از رادیاتورهای فلزی سنتی است. علاوه بر این، این لولهها دارای ویژگیهای مثبتی مانند یکنواختی دما، قابلیت کنترل دما، توانایی بالای انتقال حرارت، امکان تغییر مساحت سطح انتقال حرارت در دو طرف سرد و گرم، امکان انتقال حرارت از فاصلههای دور، و عدم نیاز به تجهیزات کمکی خارجی، میباشند. برای کارکرد لولههای حرارتی، لازم است بسته به دمای مورد استفاده، مواد مناسب برای ساخت لوله و محصولات فعال در آن انتخاب شوند. در میان آنها، لولههای حرارتی فشار سنگین فولاد کربنی-آب، به دلیل ساختار ساده، قیمت پایین، تولید آسان و امکان گسترش گسترده، مورد استفاده گستردهای قرار گرفتهاند. در کاربردهای عملی، دمای استفاده از لولههای حرارتی بین ۵۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد است؛ این لولهها برای بازیابی حرارت در کورههای خشککن، کورههای هموژناسیون و کورههای سوزاندن، همچنین برای بازیابی بخارهای باقیمانده، و همچنین در پیشگرمکنندههای هوای کورهها و بویلرها مورد استفاده قرار میگیرند. (۴) کتری گرمای باقیمانده: استفاده از ژنراتور بخار، یعنی کتری گرمای باقیمانده، روش مهمی برای بازیابی گرمای باقیمانده است؛ تقریباً ۸۰ درصد از گرمای باقیمانده دودهای صنعت فلزکاری از طریق کتریهای گرمای باقیمانده بازیابی میشود و این روش اثر قابل توجهی در صرفهجویی در مصرف انرژی دارد. در دیگهای گرمای باقیمانده، فرآیند احتراق رخ نمیدهد؛ بلکه از گرمای باقیمانده گازهای داغ، گرمای حاصل از واکنشهای شیمیایی، گرمای گازهای قابل اشتعال و همچنین گرمای محصولات داغ برای تولید بخار یا آب گرم استفاده میشود که در فرآیندهای صنعتی به کار میروند یا برای گرمایش شبکههای توزیع گرما به کار میآیند. در عین حال، کتری گرمای باقیمانده تجهیزات مهمی در سیستمهای تولید برق با توربینهای با دمای پایین است و محیط بخار لازم برای کار توربینها و سایر ماشینآلات موتوری را فراهم میکند. در کاربردهای عملی، از کتریهای بازیابی حرارت برای استفاده از گرمای باقیمانده دودهای با دمای بالای ۳۵۰ تا ۱٬۰۰۰ درجه سانتیگراد استفاده میشود؛ این کتریها نسبت به دمای کاری کتریهای زغالسوز، از نوع کتریهای کمدما هستند و بازدهی کمتری دارند. از آنجایی که گازهای حاصل از گرمای باقیمانده دارای میزان زیادی گرد و غبار و مواد خورنده هستند، به راحتی باعث تشکیل خاکستر، خوردگی و سایش در بویلرها میشوند؛ بنابراین، جلوگیری از تشکیل خاکستر و سایش، یکی از نکات کلیدی در طراحی بویلرهای گرمای باقیمانده است. مدل کوره مستقیم، اتاق خنککننده تابشی با حجم بالا، دیوارههای کوره ضدنفوذ، اتاق حذف گرد و غبار، و تعداد زیادی دستگاه تکاندهی و پاکسازی خاکستر، همگی از جمله ملاحظات ساختاری کورههای حرارت باقیمانده برای رفع مشکلات تجمع خاکستر و فرسودگی هستند. علاوه بر این، به دلیل محدودیت فضای محل تولید، کتریهای گرمای باقیمانده، اجزای مربوط به تبادل حرارت را در نقاط مختلف فرآیند تولید قرار میدهند؛ در حالی که کتریهای معمولی، این اجزا را به صورت یکپارچه میسازند. در دهه گذشته، با پیشرفت فعالیتهای مربوط به کاهش مصرف انرژی و آلایندهها، شرکتهای اصلی طراحی و ساخت کورههای استفاده از گرمای باقیمانده در کشور، رشد سریعی داشتهاند. این کورهها در حال توسعه به سمت اندازههای بزرگتر و پارامترهای بالاتر هستند؛ مثلاً در صنعت فلزات غیرآهنی، کورههایی با ظرفیت تبخیر ۵۰ تن در ساعت و فشار کاری ۴.۲ مگاپاسکال، و در صنعت فولاد، کورههایی با ظرفیت تبخیر ۱۰۰ تن در ساعت و فشار کاری ۱۲.۵ مگاپاسکال. علاوه بر این، بهبود بیشتر کارایی انتقال حرارت در دیگها و نرخ استفاده از انرژی حرارتی، کاهش مشکلاتی مانند تجمع خاکستر و فرسودگی، و همچنین انجام تغییرات و نوآوریهایی در روشهای چرخش دیگ، ساختار سطوح گرمایشی، مسیرهای جریان گاز در دیگ و روشهای پاکسازی، از جمله محتوای اصلی پیشرفت فناوری دیگهای بازیابی انرژی حرارتی است. ۲. فناوری تبدیل حرارت به کار: فناوری تبادل حرارت، با کاهش سطح دمایی، از منابع حرارتی باقیمانده به صورت انرژی حرارتی استفاده میکند؛ این روش نوعی استفاده غیرکامل از انرژی است و نمیتواند نیازهای مربوط به مصرف برق در فرآیندهای تولیدی یا در سازمانها را برآورده کند. علاوه بر این، استفاده از منابع گرمای باقیمانده با دمای متوسط و پایین که به مقدار زیاد وجود دارند، از طریق فناوری تبادل حرارت، بازده قابل توجهی ندارد. بنابراین، استفاده از فناوری تبدیل حرارت به کار، برای افزایش کیفیت گرمای باقیمانده، یکی دیگر از فناوریهای مهم برای بازیابی گرمای صنعتی است. بر اساس طبقهبندی مواد کاربردی، فناوریهای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی را میتوان به فناوریهای سنتی مبتنی بر استفاده از آب به عنوان ماده کاربردی در توربینهای بخار برای تولید برق، و فناوریهای تولید برق با استفاده از مواد آلی با نقطه جوش پایین، تقسیم کرد. به دلیل تفاوتهای قابل توجه در ویژگیهای ماده کاری، سیستمها و تجهیزات مربوط به بازیابی گرمای باقیمانده نیز هر کدام ویژگیهای خاص خود را دارند. کاربرد اصلی در حال حاضر، استفاده از آب به عنوان محیط کاری و ترکیبی از بویلرهای گرمای باقیمانده همراه با توربینهای بخار یا اکسپاندرها برای ساخت سیستمهای تولید برق با توربینهای بخار کمدما است. منابع انرژی باقیمانده قابل استفاده برای تولید برق با توربینهای با دمای پایین، عمدتاً شامل گازهای داغ با دمای بالاتر از ۳۵۰ درجه سانتیگراد است؛ مانند گازهای حاصل از کورههای صنایع ساختمانی مانند شیشه و سیمان، یا گازهایی که پس از استفاده اولیه، دمای آنها به ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد کاهش یافته است. توان هر واحد از این توربینها بین چند مگاوات تا چندین ده مگاوات است. این روشهای تولید برق از انرژی باقیمانده شامل تولید برق از انرژی باقیمانده کورههای اکسیژنی در صنعت فولاد، تولید برق از انرژی باقیمانده فرآیند سنتز، تولید برق از انرژی باقیمانده فرآیند خشککردن کک در صنعت ککسازی، و تولید برق از انرژی باقیمانده در صنعت سیمان میباشد. اما با توجه به محدوده دمایی منابع گرمای باقیمانده، این فناوری جزو فناوریهای تولید برق از گرمای متوسط تا بالا محسوب میشود. علاوه بر این، مقدار زیادی بخار که از طریق دیگهای گرمای باقیمانده یا انتقالکنندههای حرارت از فرآیندهای تولیدی بازیابی میشود، شامل بخار اشباع با فشار پایین حدود ۱ مگاپاسکال یا آب گرم است؛ بخش عمدهای از این بخارات باقیمانده معمولاً از بین میرود. در حال حاضر، برای استفاده از این نوع بخار اشباع کمفشار در تولید انرژی، عمدتاً از فناوری موتورهای انبساطی مارپیچی استفاده میشود. این فناوری دارای ویژگیهای زیر است: میتوان از انواع مختلفی از مواد حرارتی به عنوان منبع انرژی استفاده کرد؛ مناسب برای بخارات گرم، بخارات اشباع، مخلوطهای دوفازی بخار و مایع، همچنین برای دود، آب گرم حاوی آلایندهها و مایعات گرم است؛ ساختار آن ساده و کوچک است، میتواند سرعت چرخش خود را به صورت خودکار تنظیم کند، عمر طولانی دارد و لرزش کمی دارد؛ سرعت جریان درون دستگاه پایین است، به جز اتلافات ناشی از نشت، اتلافات انرژی دیگری ندارد و بازدهی بالایی دارد؛ به دلیل وجود دو روتور، این دستگاه دارای ویژگی بدون تماس است؛ در حین کار، اثر برشی ایجاد میشود که باعث عملکرد خودتمیزکنندگی و خودتصفیهکنندگی آن میگردد. موتور انبساطی مارپیچی جزو موتورهای انبساطی حجمی است و به دلیل محدودیت در توان انبساط، منابع حرارتی که میتوانند آن را به طور مستقیم به کار بیندازند، شامل بخار با فشار ۰٫۱۵ تا ۳٫۰ مگاپاسکال و دمای کمتر از ۳۰۰ درجه سانتیگراد، یا آب گرم با فشار بالاتر از ۰٫۸ مگاپاسکال و دمای بالاتر از ۱۷۰ درجه سانتیگراد میباشند. به دلیل ویژگیهای ساختاری، توان هر موتور انبساطی مارپیچی محدود است و اکثر آنها کمتر از ۱۰۰۰ کیلووات هستند؛ این موتورها عمدتاً در مواردی با مقیاس گرمای باقیمانده کم استفاده میشوند. ۳. فناوریهای سرمایش و گرمایش (۱) فناوری سرمایش با استفاده از گرمای اضافی در مقایسه با سیستمهای سرمایشی فشاری سنتی، سیستمهای سرمایشی جذبی یا جاذبهای میتوانند از منابع انرژی ارزان و انرژی حرارتی با کیفیت پایین استفاده کنند؛ بدین ترتیب میتوان از مصرف برق جلوگیری کرد و مشکل کمبود برق را حل نمود. این سیستمها از مواد خنککننده طبیعی استفاده میکنند و حاوی مواد کلرفلوئورایدی که به لایه ازون آسیب میزنند، نیستند؛ بنابراین دارای کارایی قابل توجهی در صرفهجویی در مصرف برق و مزایای زیستمحیطی هستند. این فناوریها در اواخر قرن بیستم به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. ویژگیهای چرخههای ترمودینامیکی فناوریهای سرمایش جذبی و جذبکننده بسیار مشابه است؛ هر دو از چرخه «تولید (جداسازی) – تقطیر – تبخیر – جذب» پیروی میکنند. اما در سرمایش جذبی، ماده جذبکننده، مایعی با خواص روانی خوب است و محلولهایی مانند آمونیاک-آب یا برمید لیتیوم-آب به عنوان ماده سرمایشی استفاده میشوند؛ فرآیندهای تولید و جذب از طریق ژنراتور و جذبکننده انجام میشود. در سرمایش جذبکننده نیز، ماده جذبکننده معمولاً یک محیط جامد است؛ روشهای جذب شامل جذب فیزیکی و شیمیایی میباشد و اغلب از ترکیباتی مانند الیاف مولکولی-آب یا کلرید کلسیم-آمونیاک استفاده میشود؛ فرآیندهای جداسازی و جذب نیز از طریق جذبکننده انجام میگیرد. سیستمهای سرمایشی جذبی که از محلول آبی لیتیوم برومید به عنوان ماده کاری استفاده میکنند، پرکاربردترین نوع سیستمهای سرمایشی هستند. معمولاً میتوان از منابع حرارتی با دمای ۸۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد استفاده کرد؛ اما به دلیل استفاده از آب به عنوان ماده سرمایشی، تنها میتوان دمای سرمازا در حدود ۰ یا ۵ درجه سانتیگراد به دست آورد. این سیستمها عمدتاً برای تهویه مطبوع یا تأمین آب سرد برای کاربردهای صنعتی استفاده میشوند. نسبت بازدهی انرژی این سیستمها، بسته به ویژگیهای حرارتی ماده کاری و نحوه چرخه سیستم، بسیار متغیر است؛ در عمل، نسبت بازدهی انرژی این سیستمها معمولاً بیشتر از ۲ نیست، که این مقدار بسیار کمتر از سیستمهای سرمایشی فشاری است. اما چنین واحدهایی میتوانند از انرژی حرارتی کمکیفیت مانند گرمای باقیمانده صنعتی، انرژی خورشیدی و انرژی زمینگرمایی استفاده کنند؛ بدون اینکه نیاز به برق با کیفیت بالا داشته باشند. بنابراین، در زمینه استفاده از گرمای باقیمانده صنعتی، مزایایی دارند. واحدهای سرمایشی با روش جذبی، دارای بازدهی بالایی در سرمایش هستند و برای بازیابی گرمای اضافی در مقیاسهای بزرگ مناسباند. توان سرمایشی آنها میتواند از چند ده کیلووات تا چند مگاوات متغیر باشد. این واحدها در کشور ما به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتهاند؛ فناوری آنها بسیار پیشرفته است و انواع و مدلهای مختلفی از آنها در دسترس است. انواع مواد کاربردی در سیستمهای خنککننده جذبی بسیار زیاد است؛ این مواد شامل جفتهای مواد جذب فیزیکی، جفتهای مواد جذب شیمیایی و جفتهای مواد جذب ترکیبی میباشند. این سیستمها در محدوده دمایی گستردهای قابل استفاده هستند؛ همچنین نیازی به پمپ محلول یا دستگاه تقطیر ندارند. علاوه بر این، مشکلاتی مانند آلودگی سیستم خنککننده، تبلور محلولهای نمکی و خوردگی فلزات نیز وجود ندارد. سیستمهای سرمایشی جذبی دارای ساختار سادهای هستند، بدون صدا و آلاینده نیز میباشند؛ بنابراین میتوان از آنها در محیطهای پرتلاطم مانند خودروها و کشتیها استفاده کرد. اما راندمان سرمایشی آنها نسبتاً پایین است؛ ضریب عملکرد سیستمهای سرمایشی رایج معمولاً کمتر از ۰.۷ است. به دلیل محدودیتهای فرآیندهای تولید، میزان سرمای تولید شده نیز کم است و معمولاً کمتر از چند صد کیلووات است. این سیستمها بیشتر برای بازیابی گرمای باقیمانده یا استفاده در سیستمهای تولید همزمان گرما، برق و سرما مناسب هستند. (۲) فناوری پمپ حرارتی: در تولید صنعتی، مقدار زیادی گرمای باقیمانده وجود دارد که دمای آن کمی بالاتر از دمای محیط است (۳۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد)؛ مانند آبهای ناشی از فرآیندهای صنعتی و آبهای زائد میدانهای نفتی. دمای این گرماها پایین است، اما مقدار گرمای باقیمانده در آنها زیاد است؛ بنابراین از فناوری پمپ حرارتی برای بازیابی این منابع گرمایی استفاده میشود. پمپ حرارتی، به عنوان جبران مصرف بخشی از انرژی با کیفیت بالا (انرژی الکتریکی، انرژی مکانیکی یا انرژی حرارتی با دمای بالا)، از طریق چرخه ترمودینامیکی کولر، گرمای منابع حرارتی با دمای پایین را به محیطهای حرارتی با دمای بالا، مانند آب گرم با دمای بالاتر از ۵۰ درجه سانتیگراد، «پمپاژ» میکند؛ این کار میتواند نیازهای صنایع، کشاورزی و تجارت به آب گرم برای فرآیندهای تقطیر، غلیظسازی، خشککردن و گرمایش ساختمانها را برآورده کند. در حال حاضر، ضریب تولید گرما در پمپهای حرارتی بین ۳ تا ۵ است؛ یعنی با مصرف ۱ کیلووات انرژی الکتریکی، میتوان ۳ تا ۵ کیلووات گرما تولید کرد. این روش، در شرایط خاص، فناوریای اقتصادی و قابل استفاده برای استفاده از گرمای باقیمانده آبهای فاضلاب با دمای کمی بالاتر از دمای محیط است. در حال حاضر، اکثر پمپهای حرارتی تولید شده، از نوع فشاری هستند؛ پمپهای حرارتی متوسط در حال توسعهاند و پمپهای حرارتی بزرگ هنوز وجود ندارند. در پمپاژهای حرارتی فشرده، فناوری پمپاژ حرارتی مبتنی بر منابع آبی بیشترین کاربرد را دارد و میتوان از آن برای بازیابی گرمای باقیمانده آب چرخشی در نیروگاههای برقی یا هستهای، و همچنین در صنایعی مانند چاپ و رنگرزی و داروسازی استفاده کرد. به عنوان مثال، نیروگاهها از آب چرخشی به عنوان منبع حرارتی استفاده میکنند و با استفاده از دستگاههای پمپ حرارتی، کیفیت آب ورودی به دیگها را افزایش میدهند؛ در نتیجه دمای آب ورودی از ۱۵ درجه سانتیگراد به ۵۰ درجه سانتیگراد میرسد. این امر باعث کاهش نیاز دیگها به زغال سنگ میشود و در نهایت به صرفهجویی در مصرف انرژی منجر میگردد. به طور خلاصه، انواع مختلفی از تجهیزات فنی برای استفاده از گرمای باقیمانده وجود دارد، اما هر کدام شرایط خاصی برای استفاده دارند. بنابراین، باید با توجه به دمای گرمای باقیمانده در صنایع، میزان این گرما، شرایط تولید، فرآیندهای تولیدی و نیازهای انرژی داخلی و خارجی، روش مناسبی برای استفاده از گرمای باقیمانده انتخاب شود. فناوری تولید انرژی از گرمای باقیمانده صنعتی در دماهای پایین، مبتنی بر رساناهای آلی۱. چرخه لانکن آلی در دماهای پایین
در مورد مقادیر زیادی از گرمای باقیمانده در دماهای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد، در حال حاضر امکان استفاده مؤثر از سیستمهای تبخیر بخار یا آب گرم برای بازیابی این گرما وجود ندارد؛ بنابراین استفاده از فناوری تولید انرژی از گرمای باقیمانده با استفاده از چرخه لانکن آلی، روشی مناسب و اقتصادی است. فناوری تولید انرژی از گرمای باقیمانده صنعتی در دماهای پایین، مبتنی بر رساناهای آلی، جزو فناوریهای تبدیل گرما به کار محسوب میشود. چرخه لانکن ارگانیک، چرخهای است که در آن از مواد شیمیایی ارگانیک با نقطه جوش پایین به عنوان محیط کاری استفاده میشود؛ اصول چرخه ترمودینامیکی آن مشابه دستگاههای تولید برق با بخار معمولی است، تنها تفاوت در محیط کاری چرخه است و سیستم آن سادهتر و فشردهتر است. این روش تولید انرژی مزایای قابل توجهی در استفاده از گرمای باقیمانده در دماهای پایین دارد؛ جریان گرمای باقیمانده با محیط کاری در تماس مستقیم نیست، حجم بخار مواد شیمیایی کم است، اندازه لولهها کوچک است، سطح عبور جریان در توربینها نیز کوچک است و توان به ازای هر واحد حجم بالاست؛ بنابراین این روش برای بازیابی گرمای باقیمانده در دماهای پایین بسیار مناسب است. انتخاب مایعات ارگانیک، یکی از مراحل مهم در فناوری تولید انرژی از گرمای باقیمانده در چرخه لانکن ارگانیک است. معمولاً از مایع کاری انتظار میرود که ویژگیهای زیر را داشته باشد: عملکرد خوب در تولید برق؛ عملکرد خوب در انتقال حرارت؛ پارامترهای بحرانی مناسب و خواص فیزیکوحرارتی مانند نقطه جوش در فشار استاندارد؛ پایداری شیمیایی خوب، عدم تجزیه، خاصیت خورندگی کم، سمیت کم، سازگاری با محیط زیست، و عدم قابلیت اشتعال یا انفجار؛ همچنین، هزینه کم، در دسترس بودن فراوان و قیمت پایین. اما در کاربردهای عملی، مواد حرارتی به سختی میتوانند همزمان تمام شرایط فوق را برآورده کنند؛ علاوه بر این، با افزایش روزافزون الزامات زیستمحیطی جهانی نسبت به مواد حرارتی آلی، مواد قابل استفاده نیز به طور مداوم در حال تغییر هستند. بنابراین، باید با توجه به نوع منبع حرارتی و سطح دمایی، موضوع را به طور جامع در نظر گرفت. در تجهیزات سیستم تولید برق مبتنی بر چرخه رانکن ارگانیک، طراحی و ساخت تجهیزات مانند اختلاطکنها، پمپها و دریچههای لولهکشی میتواند با الگوبرداری از تجهیزات اختلاطکنی صنایع شیمیایی و سرمایشی انجام شود. ژنراتورها محصولاتی سریای هستند؛ تنها در انتخاب و طراحی توربینهای انبساطی و فناوریهای ضدنشت، نیاز به رویکردی متفاوت و طراحی غیراستاندارد وجود دارد. توربینهای انبساطی رایج شامل توربینهای جریان محوری چندمرحلهای هستند که برای دماهای بالا، جریان بالای ماده کاری، کاهش کلی انرژی هتنی و ظرفیت بالا مناسباند؛ اما بازده داخلی آنها نسبتاً پایین بوده و فرآیند ساخت آنها پیچیده است. توربینهای جریان شعاعی دارای بازده داخلی نسبتاً بالاتری هستند، ساختاری فشرده دارند و فرآیند ساخت آنها ساده است؛ اما ظرفیت هر واحد از آنها کم است. این توربینها در کشورهای خارجی در استفاده از گرمای باقیمانده کاربردهای زیادی دارند و برای مواردی که میزان بازیابی گرمای باقیمانده کم است، مناسباند. ۲. چرخه کالینا: یک چرخه لانکن ارگانیک با محصول خالص؛ به دلیل اینکه فرآیند تبخیر همدمایی محصول، با منبع حرارتی با دمای متغیر در شرایط واقعی به خوبی هماهنگ نیست، تفاوت دمای متوسط انتقال حرارت زیاد بوده و اتلافات غیربازگشتی نیز قابل توجه است. چرخه کالینا، سیستم چرخهای است که از مخلوط آمونیاک به عنوان محصول کاری استفاده میکند. سادهترین چرخه ترمودینامیکی، چرخه تقطیر درجه اول است؛ یعنی محلول آمونیاک با غلظت مشخص، پس از فشردهسازی توسط پمپ آب و گرم شدن در پیشگرمکن، وارد کوره باقیمانده حرارت میشود تا تبخیر شده و بخار آمونیاک با دمای بالا تولید شود. این بخار برای انجام کار در توربین استفاده میشود. سپس، از طریق سیستمهای پیچیده خنککننده تقطیر، مشکل تبخیر مخلوط آمونیاک برطرف میشود و بخار باقیمانده در توربین دوباره به محلولی با غلظت مشخص تبدیل میشود؛ این محلول سپس به پمپ تغذیه آب منتقل میشود و چرخه به پایان میرسد. در چرخه کالینا، محصول کار در فرآیند تبخیر، تحت فشار ثابت و با دمای در حال تغییر تبخیر میشود؛ این امر باعث کاهش غیربازگشتپذیری فرآیند جذب گرما توسط محصول کار میشود. همچنین، از آنجایی که محتوای آمونیاک در محصول کار در فرآیند تقطیر پایین است، این روش نقطه ضعف مربوط به اتلاف بالا در فرآیند تقطیر در چرخه لانکن ارگانیک را برطرف میکند. بر اساس تحلیلهای نظری، عملکرد چرخه کالینا ۱۵ درصد یا بیشتر بهتر از سیستم چرخه رانکن آلی با ماده کاری خالص است؛ اما در عمل، به دلیل پیچیدگیهای مربوط به فرآیند تبخیر ماده کاری مخلوط از آمونیاک و سایر عوامل، چرخه کالینا عملکرد بسیار خوبی از خود نشان نمیدهد. مطالعات نشان دادهاند که در بازیابی انرژی گرمایی در دماهای متوسط و پایین، بسته به نوع انرژی گرمایی مورد نظر، چرخه کالینا و چرخه رانکن هر کدام مزایای خاص خود را در زمینه بازیابی انرژی گرمایی دارند؛ اما در صورتی که دما و جریان انرژی گرمایی ثابت باشد و این انرژی پس از بازیابی، در دمای مشخصی برای فرآیندهای تولیدی استفاده شود، سیستم بازیابی انرژی گرمایی در دماهای پایین مبتنی بر چرخه رانکن ارگانیک مزایای بیشتری دارد. نتیجهگیری: در حال حاضر، میزان استفاده از انرژی باقیمانده با دمای متوسط و بالا در کشور ما چندان بالا نیست؛ همچنین، به دلیل نابالغ بودن فناوریهای مربوط به استفاده از انرژی باقیمانده با دمای پایین، این روش تقریباً کنار گذاشته شده است. بنابراین، برای پیشبرد کارهای کاهش مصرف انرژی و گازهای گلخانهای در صنعت، از یک سو باید فناوریهای استفاده از گرمای باقیمانده در دماهای متوسط و بالا را بیشتر گسترش داد؛ بهویژه باید نرخ استفاده از گرمای باقیمانده توسط شرکتهای کوچک و متوسط افزایش یافت و کل سیستم فرآیندی و فناوریهای مربوط به استفاده از گرمای باقیمانده نیز بهبود یابد. از سوی دیگر، از منظر پیشرفتهای فناورانه، فناوری چرخه لانکن آلی در دماهای پایین، راهکاری مقرونبهصرفه برای استفاده از گرمای باقیمانده صنعتی، گرمای زمینی و انرژی خورشیدی است؛ اما کشور ما هنوز این فناوری را در اختیار ندارد. بنابراین، تقویت تحقیقات در زمینه فناوریهای تولید انرژی از گرمای باقیمانده در دماهای پایین مانند چرخه لانکن آلی، و همچنین گسترش کاربرد عملی آن، نقش مهمی در افزایش بازدهی استفاده از گرمای با کیفیت پایین خواهد داشت.
نمیدانم برای دماهای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد، چه راهکارهای خوبی برای استفاده وجود دارد؟ حتی چگونه میتوان از حرارت کم با دمای ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد استفاده کرد؟ همچنین میتوان درباره ایدهها و روشهای خوب، با یکدیگر در ارتباط بود
نمیدانم برای دماهای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد، چه راهکارهای خوبی برای استفاده وجود دارد؟ حتی چگونه میتوان از حرارت کم با دمای ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد استفاده کرد؟ سیستم آب گرم کارخانه ما با دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد، میتواند جایگزین بخار کمفشار برای گرمایش در زمستان شود.
چگونه میتوان از حرارت کم با دمای ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد استفاده کرد؟
این دما خیلی پایین است و ارزش استفاده چندانی ندارد. روش ما، تخلیه آب در همان محل یا بازیابی آب تقطیر شده برای استفاده در نیروگاههای حرارتی است.
در حال حاضر، در برجهای خنککن آب چرخشی صنایع روغنسازی و شیمیایی، اولاً میزان تبخیر آب نسبتاً زیاد است؛ همچنین، به دلیل افزایش ضریب غلظتسازی در چرخه، نیاز به جایگزینی آب وجود دارد و انرژی نیز به بطالت میرود. آیا میتوان به بازیابی انرژی فکر کرد تا همزمان از هدررفت آب نیز جلوگیری شود؟
برای این کار به فناوری پمپ حرارتی نیاز است
یعنی استفاده از کمپرسورهای سرمایشی و گرمایشی برای انتقال منبع حرارتی با دمای پایین به محیطی با دمای بالا
پمپ حرارتی که صاحب پست دربارهاش صحبت کرده، پمپ حرارتی الکتریکی است؛ انرژی الکتریکی مصرف میکند و ضریب COP آن نیز بالاست. گرمای باقیمانده با دمای کمتر از ۱۲۰ درجه سانتیگراد را میتوان به روشی با استفاده از پمپهای حرارتی نوع دوم، برای تولید بخار با فشار پایین (مانند ۰.۴۵ MPa) به کار برد؛ این بخار برای گرم کردن تجهیزات در کارخانه، استفاده در فرآیندهای افزایش فشار آب اسیدی، بازیابی گوگرد و جداسازی گازها به کار میرود ； روش دیگر، استفاده از واحدهای با اختلاف دمای بالا برای بازیابی گرمای مواد است؛ دمای آنها به ۳۵-۴۰ درجه سانتیگراد کاهش مییابد و گرمای بهدست آمده برای گرمایش استفاده میشود، مانند سیستمهای گرمایشی شرکت سینوپک، مناطق مسکونی اطراف، یا انتقال گرمای اضافی. نوع دوم پمپهای حرارتی، از برمید لیتیوم به عنوان مایع چرخشی استفاده میکنند؛ مصرف برق آنها بسیار کم است، دارای سیستم خنککننگ درونی هستند و نیازی به استفاده از آب چرخشی ندارند.
آب گرم با دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد، در چه زمینههایی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد؟ فناوری کدام شرکت بهتر است؟
کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف وجود دارد؛ در ۲۰ صنعت بزرگ مانند پتروشیمی و زغالشیمی، شرکت اِبارا کولینگ اند هیتینگ سیستمز (چین) بهترین عملکرد را در زمینه استفاده از گرمای باقیمانده دارد.