فرآیند های صنعتی مقادیر زیادی سوخت و الکتریسیته مصرف می کنند که منجر به تولید حرارت می شود و متأسفانه بخش اعظم آن تلف شده و به جو یا آب سرازیر می گردد.تاکنون تلاش های بسیاری برای طراحی تجهیزاتی که از این حرارت تلف شده استفاده کنند صورت گرفته است. با این کار می توان حدوداً 20% در هزینه سالانه سوخت واحد صنعتی صرفه جویی کرده و در برخی از موارد خاص، میزان آلاینده های وارد شونده به محیط زیست را کاسته و حتی نیاز واحد صنعتی به نگهداری را کمتر نمود؛ اگرچه در برخی از موارد انجام این کار میزان آلاینده ها و نیاز به نگهداری را افزایش می دهد(مانند پیش گرم کردن هوای احتراق که دمای احتراق را بالا برده بر میزان اکسید های نیتروژن می افزاید) .
این مقاله که طی این شماره و شماره آینده ارائه می شود به بررسی کامل انواع تجهیزات و راهکار های بازیافت حرارت در صنایع می پردازد.
قابل استفاده بودن حرارت پرت به دمای آن بستگی دارد و هرچه دمای آن بالاتر باشد، ارزش بیشتری خواهد داشت.اکثرتجهیزات بازیافت کننده حرارت پرت، حرارت را از یک جریان دما بالا به یک جریان دما پایین منتقل می کنند.این عمل باعث بالا رفتن دمای جریان ورودی و یا تغییر فاز این جریان از مایع به بخار(مثل حالتی که در یک دیگ وجود دارد)می شود.کلیه این تجهیزات را می توان به طور کلی در رده مبدل های حرارتی طبقه بندی نمود.البته می توان حرارت پرت را به صورت گذراندن هوای داغ یا بخار در توربین ها برای تولید برق و یا به کار انداختن پمپ ها، بادزن ها و سایر تجهیزات مکانیکی مورد بهره برداری قرار داد.برای انتخاب تجهیزات بازیافت کننده حرارت پرت باید نکاتی چون محدوده های دما و فشار، میزان خورندگی جریان های ورودی و خروجی، حضور موادی که باعث رسوب گذاری در سطوح انتقال حرارت می شوند و چرخه های حرارتی را مد نظر داشت.وجود شرایط غیر عادی در هر یک از این موارد، به کار بردن طراحی و مواد خاصی را در تجهیزات بازیافت کننده ضروری می سازد که هزینه ها را بالا خواهد برد.علاوه بر این، باید منبع حرارت پرت و نقطه مصرف حرارت بازیابی شده به هم نزدیک باشند.
¢این فناوری چگونه باعث صرفه جویی انرژی می شود ؟
استفاده از حرارت پرت در فرآیندی که در ورودی خود نیازمند حرارت است می تواند جایگزین سوخت و یا الکتریسیته ای شود که معمولأ به کار برده می شده است.البته حرارت پرت باید به اندازه کافی از مقتضیات ورودی فرآیند داغ تر باشد(با احتساب تلفات حرارت در مبدل و مسیر انتقال) تا صرفه جویی حاصله از این محل جوابگوی هزینه های خرید تجهیزات بازیافت و کارکرد آن ها باشد.
شکل 1 نشان دهنده طرح شماتیک جریان های انرژی و مواد برای یک فرآیند است.در واحد های صنعتی تعداد فرآیند ها زیاد بوده و جریان مواد و انرژی در بین آن ها نیز وجود دارد.علاوه بر این، حرارت بازیافت شده از خروجی هر فرآیند را می توان در هر ورودی به کار برد.توجه داشته باشید که شکل 1 فقط جریان های محتمل انرژی را نشان می دهد.تمام فرآیند ها قادر به تولید حرارت پرت با صرفه اقتصادی نمی باشند.حتی جریان های فاضلاب داغ که از لحاظ ارزش انرژی بسیار مناسب هستند به دلیل دارا بودن مواد سمی و آلاینده مورد استفاده قرار نمی گیرند.اما از سوی دیگر، شاید بازیافت حرارت از یک فرآیند به حدی باشد که فرآیند دیگری را از مصرف هر نوع سوخت بی نیاز می کند.
¢این فناوری چگونه باعث صرف جویی انرژی می شود ؟
استفاده از حرارت پرت در فرآیندی که در ورودی خود نیازمند حرارت است می تواند جایگزین سوخت و یا الکتریسیته ای شود که معمولأ به کار برده می شده است.البته حرارت پرت باید به اندازه کافی از مقتضیات ورودی فرآیند داغ تر باشد(با احتساب تلفات حرارت در مبدل و مسیر انتقال)تا صرفه جویی حاصله از این محل جوابگوی هزینه های خرید تجهیزات بازیافت و کارکرد آن ها باشد.
شکل 1 نشان دهنده طرح شماتیک جریان های انرژی و مواد برای یک فرآیند است.در واحد های صنعتی تعداد فرآیند ها زیاد بوده و جریان مواد و انرژی در بین آن ها نیز وجود دارد.علاوه بر این، حرارت بازیافت شده از خروجی هر فرآیند را می توان در هر ورودی به کار برد.توجه داشته باشید که شکل 1 فقط جریان های محتمل انرژی را نشان می دهد.تمام فرایند ها قادر به تولید حرارت پرت با صرفه اقتصادی نمی باشند.حتی جریان های فاضلاب داغ که از لحاظ ارزش انرژی بسیار مناسب هستند به دلیل دارا بودن مواد سمی و آلاینده مورد استفاده قرار نمی گیرند.اما از سوی دیگر، شاید بازیافت حرارت از یک فرآیند به حدی باشد که فرآیند دیگری را از مصرف هر نوع سوخت بی نیاز سازد.
¢انواع تجهیزات
تجهیزات مختلفی برای بازیافت حرارت ساخته شده اند و طراحی آن ها بر اساس ملحوظ کردن مسائل بسیاری چون محیط زیست و دماهای جریان دور ریز صورت گرفته است.عناوینی که برای برخی انواع خاص این تجهیزات در این مقاله ذکر شده اند بر اساس تجربیات میدانی بوده و گونه هایی از آن ها در صنایع نیز وجود دارند.در این بخش، گستره وسیعی از مبدل های حرارتی چون بازیابنده های حرارت؛ مبدل های حرارتی بازیابنده؛ مبدل های حرارتی لوله گرمایی؛ دیگ های بازیابی حرارت پرت؛ و منبسط کننده های گاز و بخار بررسی خواهند شد.
¢بازیابنده های حرارت
بازیابنده ها معمولأ حرارت را از گازهای خروجی یک کوره زباله سوز و یا سایر منابع گاز های دما متوسط یا دما بالا بازیابی کرده و به هوای ورودی احتراق منتقل می سازند.این تجهیزات بر اساس جهت نسبی حرکت جریان گاز تقسیم بندی می شوند: جهت حرکت دو گاز در مبدل های حرارتی جریان موازی به یک سو؛ در مبدل های حرارتی جریان مخالف و در خلاف جهت همدیگر؛ و در مبدل های حرارتی جریان متقاطع به صورت عمود بر یکدیگر است.مبدلهای حرارتی جریان مخالف بالاترین تأثیر و راندمان را دارند. شکل 2 طرح های کلی این مبدل ها را نشان می دهد.در ادامه به شرح انواع مهم بازیابنده های حرارت می پردازیم.
¢بازیابنده های تشعشعی فلزی
این تجهیزات از دو لوله فلزی هم محور تشکیل شده اند.لوله داخلی حاوی گاز های داغ خروجی است که حرارت را به دیواره های داخلی بازیابنده می تاباند.لوله خارجی حاوی گاز سردی است که باید گرم شود(معمولأ هوا برای احتراق در کوره یا دیگ).بازیابنه های تشعشعی فلزی بسیار ساده و ارزان هستند.این تجهیزات را در نزدیکی نقطه مصرف حرارت بازیابی شده نصب می کنند.البته ابعاد این بازیابنده ها نسبتأ بزرگ است.ساختار بازیابنده های تشعشعی فلزی در شکل 3 نشان داده شده است.
نوع جریانی که در این تجهیزات مورد استفاده قرار می گیرد، موازی است چون بدین ترتیب گاز های خروجی حرارت خود را سریع تر به گاز های کم دما انتقال داده و عمر پوسته داخلی افزایش می یابد.در برخی از طرح ها، دو بخش تعبیه می شود؛ بخش پایینی که برای سرد شدن سریع تر از جریان موازی بهره برده و بخش بالایی که برای کسب راندمان بالاتر به شیوه جریان مخالف عمل می کند.
از آن جا که پوسته داخلی در معرض دما های بالاتر قرار دارد از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته می شود در حالی که برای پوسته بیرونی از مواد معمولی استفاده می شود .برای اینکه سیستم در برابر انبساط ناشی از اختلاف دما آسیب نبیند معمولأ آن را به صورت معلق در قابی آزاد طراحی کرده و بین آن و کوره یک اتصال انبساطی قرار می دهند.
ادامه دارد...
