Эффективное использование низкопотенциального тепла

А. В. Дзиндзела, генеральный директор ЗАО «СВ-95»

А. В. Сизякин, канд. техн. наук, кафедра ЭКАО НИУ МЭИ

Источники низкопотенциального тепла

Большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется «сбросное тепло».

Сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды. Его выделяют как техногенные системы, созданные людьми, так и источники естественного происхождения (табл.). Использование низкопотенциального тепла обычным путем, т. е. для нагрева котла с водой на тепловой электростанции затруднено, но оно обладает колоссальным энергетическим потенциалом, поэтому преобразование (утилизация) выбрасываемой тепловой энергии в полезную является важной практической задачей. Возникает вопрос: как это реализовать технически?

Энергетические установки по использованию низкопотенциального тепла отвечают современной концепции децентрализованного электропитания и могут быть использованы не только как дополнительные источники электроэнергии, но и как автономные источники электропитания загородных домов, небольших поселков, удаленных от электросетей промышленных объектов.

Работы по утилизации низкопотенциального тепла являются актуальными и ведутся во всех развитых странах мира. Например, автоконцерн BMW разрабатывает системы электроснабжения автомобиля, использующие в качестве сырья тепло выхлопных газов. Фирма Siemens инвестирует в проекты автономной системы электроснабжения завода, работающей на разнице температур, возникающей в технологическом процессе и т. д.

Данный проект рассматривает инновационную технически сложную систему генерирования электроэнергии, основанную на новейших решениях в области термодинамики и электромеханики.

Цикл Ренкина

Один из способов утилизации низкопотенциального тепла основан на использовании термодинамического цикла Ренкина. В качестве рабочего тела в тепловом контуре используется легкоиспаряемое органическое вещество, например, фреон.

Структура систем различной мощности идентична (рис.) и состоит из двух основных частей – теплового контура, который преобразует тепловую энергию в механическую, и электромеханической части, которая преобразует механическую энергию в электрическую требуемого качества.

Рисунок. Схема системы генерирования электроэнергии

Насос под давлением подает рабочее тело в котел через регенератор. В регенераторе происходит первичный нагрев рабочего тела, в котле происходит вторичный нагрев рабочего тела, при котором оно переходит из жидкого состояния в газообразное. Далее газ подается на специально разработанную высокооборотную турбину, где он расширяется, приводя ее во вращение. Отработавший газ попадает в рекуператор, где затрачивает часть своей тепловой энергии на первичный нагрев жидкости. После чего рабочее тело переходит в жидкое состояние в конденсаторе и попадает на вход насоса.

Принцип работы опытной установки

В настоящее время создана опытная установка по утилизации низкопотенциального тепла мощностью 1 кВт (исследования финансируются фирмой Siemens AG).

Сложность создания подобной установки заключалась в том, что при оптимальной работе системы частота вращения турбины должна достигать 100 000 об/мин. Для работы на таких скоростях вращения не пригодны общепромышленные подшипники. Поэтому в опытной установке применяются специально разработанные по уникальной технологии лепестковые газодинамические опоры. Вал находится внутри системы взаимно перекрывающихся лепестков из стальной ленты с повышенной упругостью.

При вращении вал увлекает за собой частицы воздуха, и при определенной частоте вращения их количество становится достаточным, чтобы лепестки отогнулись на доли миллиметра от поверхности вала, таким образом образуется воздушный промежуток между валом и системой лепестков, в котором и вращается ротор. При использовании лепестковых газодинамических опор практически полностью отсутствуют потери на трение при работе системы.

Турбина приводит во вращение генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Генератор имеет нерегулируемое возбуждение от постоянного магнита.

Ротор генератора является составным: вал выполнен из магнитного сплава на основе редкоземельных элементов, на вал одет бандаж из высокопрочного сплава, обеспечивающий механическую прочность ротора при вращении на высоких частотах вращения. Применение сплавов на основе редкоземельных магнитных элементов обеспечивает стабильные высокие магнитные характеристики составного ротора, что в свою очередь обеспечивает стабильные рабочие характеристики генератора.

Однако применение постоянных магнитов в генераторе не обеспечивает возможности регулирования уровня вырабатываемого напряжения, и при изменении скорости вращения турбины изменяется не только частота вырабатываемого напряжения, но и его амплитуда. Из-за этого электрическая энергия, снимаемая с клемм генератора, не может быть напрямую использована в быту или промышленности.

Для обеспечения заданного качества электрической энергии во всех режимах работы в системе генерирования используется электронный преобразователь.

В зависимости от назначения системы, электронный преобразователь может быть выполнен однофазным, если потребителями электрической энергии являются бытовые приборы, или трехфазным, для применения в промышленности. Электронный преобразователь имеет структуру с промежуточным звеном постоянного тока. Выходное напряжение генератора, характеризующееся определенной частотой, амплитудой и гармоническим составом, поданное на вход преобразователя выпрямляется. Далее полученное постоянное напряжение преобразуется в инверторе в напряжение с заданной частотой, амплитудой и гармоническим составом.

Инвертор выполнен на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, работающих в ключевом режиме. Для формирования синусоидального напряжения применяются алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Инвертор выполняет функции ограничения тока и защиты системы от коротких замыканий, стабилизации частоты выходного напряжения, стабилизации уровня выходного напряжения, индикации аварийных режимов и визуализации параметров работы системы.

Практический интерес представляют системы мощностью более 10 кВт. При их создании будут применены научные и инженерно-технические принципы, отработанные при изготовлении опытного образца мощностью 1 кВт.

Технико-экономический анализ показал, что срок окупаемости проекта составит 2 года. Минимальный срок службы системы – 10 лет. Срок окупаемости системы для покупателя при действующих тарифах на электроэнергию 5 лет.