Использование отходящего тепла - RU2506687C2

Чертежи

Описание

Важной в настоящее время технологической темой является возможное изменение климата из-за газов, создающих парниковый эффект, вызванных человеческой деятельностью. Самым значительным газом, создающим парниковый эффект, является двуокись углерода, которая, будучи блокированной в атмосфере, действует на тепловое излучение, исходящее от Земли. Дискуссия об изменении климата обуславливает, с одной стороны, политически определенное повышение цен на ископаемое сырье и ток. С другой стороны, установленные законом указания, прежде всего для излучения СО₂, становятся все более строгими. Поэтому существует важное требование для всех технологических отраслей изыскивать решения по экономии энергии.

Примером такой отрасли является промышленная производственная установка для электролиза хлорида натрия, то есть поваренной соли. Так называемый электролиз растворов хлоридов щелочных металлов вырабатывает основные химические продукты хлор, водород и натровый щелок. Химическая реакция для этого является эндотермической, и необходимая энергия подается посредством электрического постоянного тока. Вследствие этого часто желательно достигать высоких концентраций продуктов. Для этого на дополнительном этапе проводится выпаривание, например, через нагрев посредством обжиговой печи.

Задача, лежащая в основе изобретения, заключается в том, чтобы предложить способ и устройство, при которых для промышленных процессов, например, но не исключительно, могла бы быть достигнута вышеописанная экономия энергии. Прямо или косвенно за счет этого должно также достигаться снижение излучаемых газов, создающих парниковый эффект.

Эта задача решается устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. В отношении способа решение заключается в способе с признаками пункта 8 формулы изобретения. В зависимых пунктах отражены предпочтительные варианты выполнения изобретения.

Соответствующее изобретению устройство содержит электрический преобразователь, который вырабатывает отходящее тепло. Кроме того, оно содержит устройство обработки и устройство нагрева для устройства обработки. Оно выполнено таким образом, что отходящее тепло подается в устройство нагрева.

В соответствующем изобретению способе для нагрева в устройстве обработки в электрическом преобразователе генерируется отходящее тепло, и отходящее тепло подается в устройство обработки для нагрева.

Электрический преобразователь может быть, например, электрической машиной, например, двигателем, но также преобразователем частоты переменного тока, выпрямителем или инвертором (преобразователем постоянного тока в переменный). Устройство обработки может быть предназначено, например, для выполнения химической реакции или физического процесса. Примерами этого являются термическая установка опреснения морской воды или выпарная установка.

Разумеется, в объем изобретения также входит, если используется несколько отдельных электрических преобразователей, в том числе различного типа, и/или устройство обработки поддерживает несколько различных отдельных этапов, из которых все или только часть требуют нагрева.

За счет изобретения достигается то, что и без того возникающее отходящее тепло предпочтительным образом применяется для нагрева устройства обработки и, таким образом, в целом обеспечивается экономия энергии. За счет этого либо экономится ископаемое топливо, что прямо снижает эмиссию газов, создающих парниковый эффект, либо экономится электрический ток, что косвенно также обеспечивает снижение СО₂.

В предпочтительном варианте выполнения и дальнейшем развитии изобретения для электрического преобразователя предусмотрено жидкостное охлаждение. Оно предпочтительным образом выполнено с возможностью направления отходящего тепла в устройство нагрева. С одной стороны, жидкостное охлаждение обеспечивает эффективное охлаждение. Оно, при обстоятельствах, менее шумное, чем вентиляционное охлаждение. Кроме того, через охлаждающую жидкость отходящее тепло может весьма целенаправленно отводиться к устройству обработки и там применяться для нагрева. Альтернативная или дополнительная возможность состоит в применении тепловых труб для транспортировки тепла.

Конкретный пример для устройства согласно изобретению состоит в том, что электрический преобразователь представляет собой преобразователь частоты переменного тока и/или двигатель, а устройство обработки - эмульсионную ванну в установке холодной прокатки. В другом примере электрический преобразователь представляет собой выпрямитель, а устройство обработки - выпарную установку в установке электролиза. Согласно другому примеру, электрический преобразователь представляет собой выпрямитель и/или инвертор, а устройство обработки - установку опреснения для морской воды.

В предпочтительном варианте выполнения и дальнейшем развитии изобретения устройство обработки таким образом согласовано с электрическим преобразователем, что отходящее тепло полностью достаточно для нагрева устройства обработки. Иными словами, подводимое отходящее тепло полностью заменяет какую-либо другую форму нагрева, которая в противном случае требовалась бы для устройства обработки. Это особенно просто осуществить в том случае, если устройство обработки отделено от цели электрического преобразователя, то есть может проектироваться произвольно. Но также и в промышленных установках, при которых цель электрического преобразователя, например электроснабжение первого этапа обработки, находится в зависимости от устройства обработки, предпочтительным является соответствующее проектирование. В качестве альтернативы, отходящее тепло может функционировать как дополнительный источник тепла по отношению к другой форме нагрева, как, например, сжигание ископаемого топлива или электрический нагрев.

Предпочтительные, но не ограничивающие примеры выполнения изобретения поясняются более подробно ниже со ссылками на чертежи. Для наглядности чертежи выполнены не в масштабе, и известные признаки представлены лишь схематично. При этом соответствующие друг другу части на чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - устройство для электролиза и выпаривания продуктов электролиза согласно уровню техники,

Фиг.2 - устройство, выполненное согласно изобретению,

Фиг.3 - компоненты установки холодной прокатки,

Фиг.4 - компоненты высоковольтной установки передачи постоянного тока с опреснением морской воды,

Фиг.5 - компоненты гальванической установки.

В качестве первого примера служит уже упомянутый выше электролиз растворов хлоридов щелочных металлов. В нем из поваренной соли вырабатываются основные химические продукты: хлор, водород и натровый щелок. Химическая реакция для этого является эндотермической, требует, таким образом, подводимой энергии 6 для поддержания, и необходимая энергия подается посредством электрического постоянного тока. Подобная установка в схематичном виде упрощенно представлена на фиг.1 и 2. При этом фиг.1 показывает способ действий согласно уровню техники, а установка согласно изобретению показана на фиг.2. В обоих случаях электролитическая ванна 1 питается через выпрямитель 4 от источника питания 3 переменного тока. Поблизости от нее находится устройство 2 для выпаривания продуктов, благодаря чему достигается высокая концентрация продуктов.

Согласно уровню техники, выпрямитель охлаждается воздухом, для чего соответственно требуются вентиляторы. Отходящее тепло 5 выпрямителя выводится без пользы в воздух. Одновременно, установка 2 выпаривания требует подводимой энергии 6 нагрева.

Согласно примеру выполнения изобретения в соответствии с фиг.2, выпрямитель 4 имеет жидкостное охлаждение, причем жидкостное охлаждение на чертежах не показано. Тем самым, с одной стороны, достигается высоко эффективное и также бесшумное охлаждение. С другой стороны, отводимое отходящее тепло 5 выпрямителя 4 очень хорошо транспортируется. Теперь отходящее тепло 5, вместо бесполезного вывода, подается на установку 2 выпаривания. Там отходящее тепло 5 может поддерживать нагрев или также использоваться в зависимости от обстоятельств. На фиг.2, наряду с подачей отходящего тепла 5, также показана другая подводимая мощность 6 нагрева.

Таким образом, достигается экономия энергии за счет того, что отходящее тепло 5 выпрямителя 4 применяется для нагрева установки 2 выпаривания. Дополнительно также экономится мощность, так как вентиляторы охлаждения для воздушного охлаждения также не требуются. Так как в этом случае энергия из ископаемых топлив экономится, то непосредственно сокращается эмиссия газов, создающих парниковый эффект.

Компоненты другого примера выполнения изобретения схематично представлены на фиг.3. В этом случае речь идет об установке холодной прокатки. Она содержит двигатели для привода, которые создают отходящее тепло 7. Двигатели 8 через инверторы (преобразователи постоянного тока в переменный) 10 питаются током. Инверторы 10 также вырабатывают отходящее тепло 11. Вблизи находятся эмульсионные ванны 9, которые должны нагреваться до температуры от 60 до 80°С. Согласно уровню техники, двигатели 8 и инверторы 10 обычно охлаждаются воздухом, что приводит к дополнительному потреблению энергии для вентиляторов. Одновременно эмульсионные ванны 9 нагреваются. Для этого, согласно уровню техники, используется, например, электрический нагрев или нагрев газом.

В соответствии с изобретением инверторы 10 для двигателей 8 в этом примере выполнения имеют жидкостное охлаждение. Отводимое таким образом отходящее тепло 7, 11 применяется для того, чтобы нагревать эмульсионные ванны 9. При этом отходящее тепло 7, 11 подается на обе эмульсионные ванны 9. Температурное регулирование 12 управляет при этом подачей отходящего тепла 7, 11 и иной необходимой мощностью 6 нагрева. Оценка мощности, требуемой в установке по фиг.3, приводится далее. Исходим из мощности установленных двигателей 20 МВт. КПД IGCT-инверторов 10 составляет 98%, то есть здесь возникает потеря мощности 2% от 20 МВт, равная 400 кВт. КПД двигателей 8 может оцениваться как 97,5%, откуда следует потеря мощности 500 кВт. В сумме получается, таким образом, отходящее тепло 7, 11 около 900 кВт.

Нагрев эмульсионных ванн 9 требует в этом примере мощности 1800 кВт. Так как отходящее тепло 7, 11 от инверторов 10 и двигателей 8 составляет примерно половину мощности нагрева, то до 50% требуемой мощности нагрева может быть сэкономлено. При 6000 часах работы в году это составит 5400 МВт. Это соответствует энергии, которая требуется в год для домашнего хозяйства 1000 семей.

Третий пример выполнения поясняется со ссылкой на фиг.3. При этом рассматриваемое отходящее тепло 5 возникает в установке 13 для высоковольтной передачи постоянного тока, в частности, в применяемых выпрямителях и преобразователях 4 постоянного тока в переменный. На фиг.3 показана только одна сторона установки 13, в данном случае только с одним выпрямителем 4. Обычно такие установки 13 имеют симметричную структуру, так что выпрямитель 4 на каждой стороне выполнен таким образом, что он может работать двунаправленным образом, то есть как выпрямитель 4 и как преобразователь постоянного тока в переменный. Обычно, согласно уровню техники, здесь применяется такое же охлаждение, как и в первых обоих примерах выполнения, а именно, охлаждение с помощью вентиляторов. В этом примере выполнения отходящее тепло 5 отводится через жидкостное охлаждение и применяется для того, чтобы эксплуатировать установку 14 для термического опреснения морской воды. Это особенно предпочтительно, так как высоковольтная передача постоянного тока применяется обычно при передаче электрической мощности через водные пути, то есть в морских кабелях 23, так что опреснение морской воды может осуществляться локальным образом. Так как здесь тоже отсутствует охлаждение вентиляторами, и отходящее тепло 5 применяется для энергоемкого процесса, то вновь снижается эмиссия газов, создающих парниковый эффект.

Первые оба примера выполнения изобретения обсуждают промышленные установки, которые обычно существуют взаимосвязано в описанной форме и в которых затраты энергии соответствующего этапа процесса могут устанавливаться посредством взаимодействия этапов процесса. В отличие от этого, опреснение морской воды не зависит от высоковольтной передачи постоянного тока. Поэтому установка для опреснения морской воды 14 во взаимосвязи с высоковольтной передачей постоянного тока 13 может проектироваться так, чтобы отходящее тепло 5 высоковольтной передачи постоянного тока 13 было полностью достаточным для нагрева, необходимого для опреснения. Таким образом, упрощается даже структура установки опреснения, так как от дополнительного нагрева можно полностью отказаться.

Четвертый пример выполнения показан на фиг.5. При этом речь идет о гальванической установке 22, например, для оцинковки деталей. В установке 22 детали проходят по меньшей мере семь этапов процесса, а именно, горячее обезжиривание 15, электрическое обезжиривание 16, бейцевание (протравливание) и декапирование 17, 18, этап гальванизации 19, этап хромирования 20 и сушку 21. При этом первые три этапа 15, 16, 17, а также сушка 21 требуют подачи энергии и нагрева 6. С другой стороны, при электрическом обезжиривании 16, а также при гальванизации 19 подается постоянный ток, который через выпрямитель 4 получается от источника питания 3 переменного тока. При этом выпрямитель(и) 4 обычно вырабатывает(ют) отходящее тепло 5. В данном примере выполнения оно распределяется на три этапа 15, 16, 17, 21 обработки, которые требуют нагрева, чтобы, тем самым, вновь обеспечить экономию энергии при нагреве.

В отличие от способа действий, иллюстрируемого на фиг.5, также возможно подавать отходящее тепло 5 только к части этапов 15, 16, 17, 21 обработки, для которых требуется нагрев. За счет этого можно, при достаточном отходящем тепле 5, дополнительно к выигрышу по энергии, возможным образом упростить структуру установки 22 за счет того, что при этих этапах 15, 16, 17, 21 обработки дополнительный нагрев может совсем отсутствовать. Например, здесь можно исходить из того, что выпрямитель(и) 4 имеет(ют) КПД 85%. Для электрического обезжиривания 16 применяется электрическая мощность 150 кВт, из которой 22,5 кВт приходятся на отходящее тепло 5. Для гальванизации 19 применяется электрическая мощность 900 кВт, из которых 135 кВт приходятся на отходящее тепло 5. Таким образом, в данном примере всего предоставляется в распоряжение более чем 150 кВт мощности нагрева, которая подходящим образом может распределяться на соответствующие этапы 15, 16, 17, 21 обработки.

Реферат

Предложено в промышленном процессе отходящее тепло преобразователей переменного тока в постоянный и электрических двигателей применять для нагрева в другом этапе процесса. Для этого применяется жидкостное охлаждение для элементов, генерирующих отходящее тепло. Тем самым экономится электрическая энергия или энергия, запасенная в ископаемом топливе, что в свою очередь ведет к прямому или косвенному сокращению эмиссии газов, создающих парниковый эффект. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула