Продукты и их основной источник при пиролизе LRC.

Централизованное отопление и охлаждение обеспечивает эффективное использование энергоресурсов

1. Введение

Экономическое развитие в странах с переходной экономикой, таких как Китай и Индия, увеличивает глобальное потребление энергии. Следовательно, растет спрос на энергоносители, что должно привести к увеличению цен на энергоносители. В мировом энергоснабжении преобладают ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, и такая ситуация, вероятно, сохранится в течение многих лет, даже если будут использоваться возобновляемые источники энергии (например,g., биомасса, солнечная энергия и энергия ветра) расширяется. Более высокие цены на энергию делают определенные изменения в энергосистеме более прибыльными: использование бесплатных источников энергии, таких как солнце и ветер, повышение эффективности энергоснабжения, а также меры по энергосбережению, которые сокращают потребление энергии.

Несколько политик на различных уровнях в настоящее время способствуют более широкому использованию возобновляемых источников энергии и сокращению конечного использования энергии, например, в зданиях. Но есть также комплексные системы, связывающие энергоресурсы с спросом на энергию. Централизованное отопление — это такая концепция, которая распространена во многих странах, где требуется отопление помещений, например, в Исландии, Латвии и Дании. В системе централизованного теплоснабжения тепло распределяется по сети труб горячего водоснабжения от теплоцентралей к потребителям тепла в отдельном квартале или в целом городе. Тепло в основном используется для отопления помещений и горячего водоснабжения. Системы централизованного теплоснабжения варьируются от единичных до общегородских сетей. Централизованное охлаждение работает соответствующим образом. Централизованное энергоснабжение включает централизованное теплоснабжение и централизованное охлаждение. Центральное отопление иногда называют коммунальным отоплением, особенно в Великобритании.

Более четверти первичной энергии в Европе приходится на потери при преобразовании энергии, в основном в виде тепла, которое теряется при производстве электроэнергии на конденсационных электростанциях. Эти потери того же размера, что и потребность в тепле в Европе [1]. Централизованное теплоснабжение является средством использования таких потерь, которые в противном случае тратятся впустую, для покрытия потребности в различных видах тепла и даже охлаждения.Централизованное теплоснабжение помогает нам использовать большое количество тепла, которое сейчас теряется в Европе.

Таким образом, централизованное теплоснабжение — это не только технология распределения энергии, но и увеличение количества доступных энергоресурсов. Централизованное теплоснабжение может использовать источники энергии, которые трудно использовать для отдельных зданий, такие как неочищенное топливо из биомассы, тепло от сжигания отходов, тепло от выработки электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и промышленные излишки тепла, например тепло от целлюлозы и бумажные фабрики или производство автомобильного биотоплива.Мало из этой энергии можно было бы использовать без централизованного теплоснабжения. Следовательно, расширение централизованного теплоснабжения может быть полезным для экономики и окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение используется для теплоснабжения различных типов зданий в деревнях и городах, в основном многоквартирных домов и служебных помещений, где тепло используется для приготовления горячей (водопроводной) воды и для отопления помещений, как правило, за счет центральная система водяного отопления всего дома.

Системы централизованного теплоснабжения соединяют источники энергии и потребителей энергии.Централизованное теплоснабжение может обеспечивать потребителей доступной энергией за счет использования недорогих источников энергии, таких как избыточное тепло и отходы. Многие из этих источников тепла могут быть местного происхождения и способствовать развитию местного бизнеса и промышленности. Какое решение будет наиболее подходящим, зависит от местных условий. Благодаря использованию различных источников энергии, централизованное теплоснабжение становится центральным компонентом систем управления отходами, лесного хозяйства, производства энергии и эффективного использования энергии в промышленности.

1.1. Теплоснабжение

Источники тепла, которые нельзя использовать для отдельных домов, могут быть дополнены в системе централизованного теплоснабжения технологиями, которые также применимы в меньшем масштабе, например, ископаемое топливо, солнечная энергия и электрические тепловые насосы, улучшающие низкотемпературное тепло.Небольшая система централизованного теплоснабжения может иметь один или два отопительных агрегата, тогда как большая система может содержать множество различных источников тепла, где, например, ТЭЦ, питаемая дешевыми отходами, покрывает базовую нагрузку в течение года, а дровяная. котел, работающий только на тепло, обеспечивает большую часть потребности в отоплении помещений зимой, а котел, использующий дорогостоящее масло, покрывает пиковую нагрузку в самые холодные дни.

Установки с базовой нагрузкой обычно имеют низкую стоимость производства тепла, но требуют больших инвестиций. Низкая стоимость эксплуатации делает их пригодными для использования в течение многих часов в году.Выгода от более низкой стоимости тепла, чем у других агрегатов, окупает большие вложения. Обычно базовая нагрузка поступает от ТЭЦ, сжигания отходов и промышленного избыточного тепла. С другой стороны, котлы, работающие на жидком топливе, имеют низкую стоимость мощности, но высокие эксплуатационные расходы, что делает их пригодными для покрытия коротких периодов пиковой нагрузки на тепло.

Рисунок 1.

Производство тепла в шведской системе (ГВтч)

Рисунок 1 показывает, как производство тепла может происходить в шведской системе централизованного теплоснабжения в течение года.Летом потребность в тепле и его производство низкие, поскольку в первую очередь необходимо нагревать только бытовую горячую воду из-под крана, но зимой производство тепла намного больше из-за высокой потребности в отоплении помещений. Базовая нагрузка покрывается за счет промышленных излишков тепла в течение года, так как у нее самые низкие затраты. Более высокая нагрузка зимой в основном покрывается древесиной, используемой в ТЭЦ и котлах, но также используются ТЭЦ на ископаемом топливе и тепловые насосы. Некоторое масло используется в отопительных котлах, когда очень холодно.Установки, используемые при повышенном спросе, имеют более высокие затраты на производство тепла и обычно более загрязняют окружающую среду, чем установки, используемые при более низком спросе. Следовательно, предельные затраты на производство централизованного теплоснабжения меняются аналогично спросу на тепло в течение года.

ТЭЦ, работающая на ископаемом топливе, и тепловые насосы в системе на рис. 1 когда-то были построены как станции, покрывающие базовую нагрузку, но позже была построена ТЭЦ, работающая на дровах, которая могла производить тепло с меньшими затратами и годовое время использования старых заводов было сокращено.Введение избыточного промышленного тепла привело к сокращению использования всех других заводов до нынешнего уровня. Спрос и производство централизованного теплоснабжения часто отображаются в виде кривой продолжительности, которая представляет потребность в тепле в порядке убывания от самых холодных зимних дней до самых теплых летних ночей (см., Например, [2]).

1.2. Централизованное теплоснабжение в Швеции

Централизованное теплоснабжение широко используется в Швеции. В Швеции проживает девять миллионов жителей. Пятьдесят ТВтч теплоснабжения в год покрывают половину рынка тепла.Система централизованного теплоснабжения есть в каждом муниципалитете с населением более 10 000 человек, а всего их насчитывается более 400. Половина централизованного теплоснабжения Швеции поставляется в многоквартирные дома, остальная часть — в основном в такие помещения, как школы и офисы, а небольшие, но растущие доли — в промышленные и частные дома [3]. Владельцы домов сами выбирали, подключаться к сети централизованного теплоснабжения или нет.

Рисунок 2.

Топливо и т. Д., Используемое для производства центрального отопления в Швеции (ТВтч / год)

На рисунке 2 показаны источники энергии, используемые для централизованного теплоснабжения в Швеции с 1970 года [4].Общее предложение колеблется между холодными и теплыми годами. Прошлый год (2009 год) был очень холодным. Использование топлива для производства центрального отопления в Швеции переключилось с почти только использования нефти в 1970-х годах на нынешнюю смесь с множеством источников тепла. Сейчас две трети централизованного теплоснабжения Швеции производится из древесины и топливных отходов. Швеция по сравнению с большинством стран потребляет много промышленного избыточного тепла, а тепловые насосы забирают тепло из сточных вод и озер. Небольшие количества биогаза и газа металлургических заводов используются, но ископаемое топливо в настоящее время производит менее 15% систем централизованного теплоснабжения (рис.2). Выбросы ископаемого углекислого газа от централизованного теплоснабжения значительно сократились за последние десятилетия, поскольку ископаемое топливо производит все меньшую часть тепла. Этому переходу способствовали скорейшее введение налога на двуокись углерода и другие меры политики [5].

Использование нефти и угля сократилось в 1980-е годы (рис. 2) из-за повышения налогов. С 1991 года в Швеции действует налог на двуокись углерода, который сейчас составляет 100 евро за тонну. Энергетический налог был введен еще раньше.Есть природный газ только на юго-западе Швеции. Использование электрических котлов для производства центрального отопления увеличилось, когда ядерная энергетика расширилась в 1980-х годах, но уменьшилась, когда электричество было обложено налогом в 1990-х годах. Использование биомассы (например, щепы) сначала стимулировалось налогами на ископаемое топливо, а затем также сертификатами зеленой электроэнергии и более высокими ценами на электроэнергию, которые сделали ТЭЦ, работающие на биомассе, более прибыльными. Сжигание отходов увеличивается (рис. 2), потому что запрещается вывозить горючее топливо на свалку, а компании централизованного теплоснабжения собирают доходы за обращение с отходами.Также были инвестиционные субсидии для некоторых избранных проектов с использованием местных источников энергии. Рост объемов централизованного теплоснабжения в последние десятилетия отражает политическое обязательство инвестировать в инфраструктуру и снизить зависимость от импорта ископаемого топлива.

2. Методы

Благоприятные комплексные решения могут быть выявлены с помощью системного анализа и моделей оптимизации. Эти методы могут показать лучший способ использования ресурсов для достижения целей. Общие цели — низкие затраты и низкое воздействие на окружающую среду, что часто может противоречить друг другу.Существенные особенности исследуемой проблемы для системы могут быть представлены в модели. Модели часто помогают понять систему и выявить взаимосвязи между компонентами, например, между производством централизованного теплоснабжения, извлечением солнечной энергии и изоляцией стен. Лучшее решение по критерию и при определенных условиях может быть показано с помощью модели оптимизации. Что касается вопросов энергетики, можно использовать модель оптимизации энергосистемы, чтобы найти наилучший дизайн и работу системы. В таких моделях можно описать множество технических составляющих [6].

Примерами моделей оптимизации энергосистемы являются MARKAL (например, [7]) и TIMES (например, [8]). Эти модели были в первую очередь разработаны для анализа национальной энергосистемы, тогда как модель MODEST изначально была разработана для оптимизации теплоснабжения с учетом колебаний спроса на тепло.

MODEST — это модель оптимизации энергосистемы, в которой используется метод линейного программирования метода оптимизации для определения минимальных затрат на удовлетворение потребности в энергии, а также представлены конструкция и эксплуатация системы с наименьшими затратами.В рамках этой модели можно рассмотреть большое количество вариантов энергоснабжения и энергосбережения. Пользователь может составить полное представление об исследуемой энергетической системе с выбранным уровнем детализации. Многие различные энергетические системы могут быть проанализированы при условии, что важные свойства системы могут быть описаны линейными соотношениями. Практически произвольный набор значений параметров может быть отнесен к каждому компоненту и потоку энергии в системе. Гибкое временное разделение позволяет отражать суточные, еженедельные, ежемесячные, сезонные и долгосрочные изменения, например, затрат, мощности и спроса.Результат моделирования представляет оптимальные инвестиции и оптимальную работу существующих и новых блоков, а также выбросы и затраты [6].

MODEST наиболее часто используется для оптимизации производства электроэнергии и централизованного теплоснабжения. MODEST был применен к более чем 50 системам централизованного теплоснабжения, некоторым региональным энергосистемам и нескольким национальным энергосистемам. Изучаемые вопросы включают внедрение сжигания отходов и комбинированного производства тепла и электроэнергии, а также связи между промышленными и муниципальными энергосистемами [6], например, как следует построить большую ТЭЦ, являются ли отходы или биомасса лучшим топливом и следует ли использовать промышленные излишки тепла. ? Модель часто использовалась для изучения влияния цен на энергию и инструментов политики на инвестиции и операции по преобразованию энергии, например, как квоты на выбросы влияют на комбинированное производство тепла и электроэнергии.

3. Благоприятные источники энергии и установки

Централизованное теплоснабжение может использовать тепловые ресурсы, которые более или менее невозможно передать или преобразовать в тепло в отдельных домах. К таким источникам энергии относятся избыточное тепло промышленных предприятий, тепло, производимое путем сжигания отходов и неочищенной биомассы, а также тепло от более крупных теплоэлектроцентралей.

Рисунок 3.

Общие типы станций и потоки энергии для централизованного теплоснабжения в местной шведской энергетической компании

На рисунке 3 показана система централизованного теплоснабжения во втором по величине шведском городе Гетеборг (Гётеборг).Существует большая общегородская сеть централизованного теплоснабжения с большим спросом на тепло, а это означает, что система может обеспечивать множество различных форм теплоснабжения. Есть две теплоэлектроцентрали, производящие электроэнергию и тепло; парогазовую установку, работающую на природном газе, и паровую установку на отходах. Избыточное промышленное тепло закупается у двух нефтеперерабатывающих заводов. Дровяные и мазутные котлы, а также электрические тепловые насосы производят только тепло. Тепло распределяется по сети централизованного теплоснабжения потребителям справа на рис.3. Это один из примеров того, как централизованное теплоснабжение обеспечивает эффективное использование энергии, но система также включает компоненты, которые могут считаться менее устойчивыми, например ископаемое топливо.

ТЭЦ обеспечивают более эффективное использование топлива. На конденсационных электростанциях большая часть топливной энергии обычно расходуется впустую. Электроэнергия, произведенная на ТЭЦ, которые производят централизованное теплоснабжение, может вытеснить электроэнергию с конденсационных электростанций. Из-за более высокого КПД для выработки электроэнергии на ТЭЦ требуется меньше топлива, чем на конденсационных электростанциях, поскольку основная часть топлива используется для центрального отопления.Следовательно, выбросы углекислого газа, вызванные производством электроэнергии, ниже для ТЭЦ, даже если она работает на ископаемом топливе. Но экологическая выгода, конечно, будет даже больше, если для производства ТЭЦ будут использоваться возобновляемые виды топлива.

3.1. Использование местных возобновляемых источников энергии

Доступные местные источники возобновляемой энергии влияют на пригодность различных решений на месте. В некоторых местах солнечная энергия может способствовать обеспечению централизованного теплоснабжения. Но наиболее полезными для централизованного теплоснабжения являются топливо из биомассы и горючие отходы.

Топливо из биомассы может быть получено в лесном и сельском хозяйстве. Использование топлива из биомассы может дать толчок развитию местной индустрии биомассы и способствовать развитию местного бизнеса. Спрос на топливо из биомассы от станции централизованного теплоснабжения может побудить предпринимателей разработать системы поставок, например, древесного топлива, такого как ветки деревьев из лесов.

Сегодня много мусора вывозится на свалки. Использование отходов в качестве топлива или для получения энергии другими способами сокращает объем захоронения. Отходы — это ресурс, и различные фракции отходов должны быть разделены, чтобы их можно было использовать наиболее подходящим способом.Разделение может происходить у источника, то есть в домохозяйствах, на предприятиях и т. Д. Например, из биоразлагаемых отходов может образовываться биогаз, который можно использовать в качестве автомобильного топлива, тогда как другие горючие отходы (например, от домашних хозяйств или сноса зданий) могут быть используется в качестве топлива для производства электроэнергии и центрального отопления.

Использование местных возобновляемых источников энергии означает более высокую надежность энергоснабжения и меньшую зависимость от топлива из других регионов и стран. Использование местного топлива и выработка электроэнергии сокращают количество энергии, покупаемой в других местах, и увеличивают денежные средства, которые могут создать благосостояние на местном уровне.Переход с ископаемого топлива на возобновляемое также снижает выбросы ископаемого углекислого газа и снижает локальный вклад в глобальное потепление.

Однако биомасса может быть слишком ценным ресурсом для производства только тепла, которое является формой энергии с более низкой ценностью, чем электричество и автомобильное топливо. Биомасса могла бы производить комбинацию различных энергоносителей, таких как тепло, пар, электричество, автомобильное топливо и охлаждение (Раздел 6). Биомасса, безусловно, является возобновляемым источником энергии, но ее добыча в любом случае должна осуществляться экологически рациональным способом.Земля также производит продукты питания и сырье, и дилемма состоит в том, что богатые могут платить за топливо больше, чем бедные за еду.

Отходы имеют как возобновляемое, так и ископаемое происхождение. Объемы отходов обычно увеличиваются с ростом экономики, но в устойчивом обществе образуется меньше отходов, чем должно производиться сейчас. Поэтому сжигание отходов можно частично рассматривать как переходную технологию, а не как основу в долгосрочной перспективе.

4. Утилизация промышленного избыточного тепла

Сегодня существует огромное количество избыточного тепла в энергетическом и промышленном секторах.Во многих случаях это избыточное тепло не используется должным образом. Это не очень хорошая ситуация, поскольку на промышленный сектор приходится более 30% мирового конечного потребления энергии [9]. Это также следует рассматривать в связи с тем фактом, что в общем объеме первичной энергии в значительной степени преобладает ископаемое топливо. Таким образом, использование избыточного тепла является важной мерой для достижения общей устойчивой энергетической системы в сообществе или регионе.

Тепло можно рекуперировать для многократного использования при понижении температуры в промышленности и, наконец, для обогрева помещений.Хотя известно, что на некоторых объектах имеется избыток тепла, в некоторых случаях мало что известно об объеме и качестве тепла. Таким образом, перед проведением какой-либо оценки потребуется выявление и измерение избыточных тепловых ресурсов. Например, исследование, основанное на энергоаудитах, показало, что до 500 ГВтч / год тепловой энергии различного качества теряется на одном целлюлозно-бумажном комбинате [10]. Однако знание количества и качества тепла не означает автоматически, что можно использовать излишек тепла.Другие факторы, такие как время доступности, потребность в тепле, инфраструктура, технологии и затраты, играют решающую роль в определении того, можно ли использовать избыточное тепло.

Централизованное теплоснабжение предлагает прекрасную возможность использовать избыточное тепло, которое иначе было бы потрачено впустую. Хотя эта доля отличается от страны к стране, системы централизованного теплоснабжения Северных стран являются хорошими примерами использования избыточного тепла [11]. С точки зрения потребителя, системы централизованного теплоснабжения со значительной долей избыточного тепла в топливном балансе предлагают своим потребителям относительно низкие затраты на отопление.В некоторых муниципалитетах Швеции довольно низкие затраты на тепло можно объяснить избыточным отпуском тепла промышленными предприятиями. Наличие избыточного тепла летом, когда потребность в тепле низкая, открывает возможность производить охлаждение зданий на основе централизованного теплоснабжения в летнее время (Раздел 5).

Утилизация избыточного тепла в системах централизованного теплоснабжения не совсем проста, поскольку при таком стремлении возникают различные проблемы, которые необходимо решить. Одна из основных проблем заключается в том, как создать платформу для сотрудничества между участниками, на которой использование промышленных избыточных тепла понимается в свете более широкой системной перспективы.В этом случае муниципалитет или регион с несколькими муниципалитетами может быть границей системы при рассмотрении сотрудничества в области энергетики. В регионах, где централизованное теплоснабжение хорошо развито и где наблюдается относительно высокая концентрация промышленной деятельности, может возникнуть необходимость в развитии регионального рынка тепла для поощрения эффективного использования энергетических ресурсов. Хотя основной бизнес отрасли не заключается в продаже избыточного тепла, такой рынок может быть движущей силой, которая, в свою очередь, позволяет игрокам принимать меры, которые могут способствовать использованию избыточного тепла.Это будет означать, что отрасли со значительными объемами избыточного тепла могут играть важную роль в качестве поставщиков тепла на местных или региональных рынках. Это также важно при рассмотрении инвестиций в новые объекты генерации электроэнергии, пара и тепла. В этом случае оптимизация региональной энергосистемы будет полезна для максимизации эффективности использования ресурсов.

Подробные исследования, посвященные этой теме, приведены в [12,13]. В обоих исследованиях рассматриваются несколько систем централизованного теплоснабжения и промышленных энергосистем региона, и применяется модель MODEST (разд.2). Второе исследование [13] было более подробным и включает несколько сценариев, в которых рассматриваются такие меры, как инвестиции в новые объекты, интеграция процессов и меры по повышению энергоэффективности. В целом, оба исследования указывают на общую пользу системы от соединения различных энергетических систем в форме снижения общих затрат, эффективного использования растений и сокращения выбросов углекислого газа, но последнее в значительной степени зависит от применяемого метода учета углерода. Интересно отметить, что расширенная граница системы, охватывающая все системы централизованного теплоснабжения и промышленные энергетические системы, позволяет эффективно использовать избыточное тепло, имеющееся в системе.В зависимости от преобладающих условий использование избыточного тепла может противоречить использованию ТЭЦ. Расширение границ системы с возможным рынком тепла может позволить использовать как избыточное тепло, так и ТЭЦ.

Использование избыточного тепла должно поощряться так же, как и возобновляемая энергия, где используются инструменты политики для поощрения производства энергии на основе возобновляемых источников. Кроме того, необходимо создать подходящую платформу для сотрудничества, где могут быть решены различные вопросы, касающиеся использования избыточного тепла в системах централизованного теплоснабжения.Однако излишки тепла, доступные для систем централизованного теплоснабжения, могут быть несколько сокращены за счет увеличения повторного использования тепла в отраслях.

5. Охлаждение

Охлаждение комнат теперь увеличивается из-за более высоких требований к комфорту, например, в странах Северной Европы, а также из-за среднего класса в странах с переходной экономикой, где уровень жизни быстро растет. Желание охлаждать комнаты также усиливается глобальным потеплением и растущим количеством электроприборов, отводящих тепло в комнаты [14].

Обычно для охлаждения используются электрические холодильные машины. Но источники централизованного теплоснабжения могут также производить охлаждение для кондиционирования помещений в абсорбционных охлаждающих машинах либо на центральных установках (например, мусоросжигательных заводах), снабжающих сеть централизованного холодоснабжения, либо в распределенных блоках, расположенных в зданиях, которые должны охлаждаться, которые получают от сети централизованного теплоснабжения (рис. 4). Такие решения означают, что для охлаждения не требуется электричество.Это увеличивает низкий спрос на тепло в летний период, а также увеличивает выработку электроэнергии на ТЭЦ, если тепло производится там. Таким образом, охлаждение может стать основой для выработки электроэнергии вместо потребления электроэнергии [2]. Абсорбционное охлаждение наиболее подходит, когда можно использовать дешевое топливо, такое как отходы.

Рисунок 4.

Охлаждение за счет тепла посредством абсорбционного охлаждения. Требуется одна из сетей.

6. Полиграфическое производство нескольких видов энергии

Европейская политика направлена ​​на увеличение использования автомобильного биотоплива.Такие виды топлива можно выгодно производить на многоэлектростанциях, которые могут превращать различные формы биомассы в автомобильное биотопливо, электричество, пар, тепло и охлаждение, которое частично используется в процессах, но в значительной степени вырабатывается заводом. Аналогичные меры могут быть приняты и в других отраслях промышленности. Комбинированная теплоэлектростанция может производить центральное отопление, электричество и централизованное охлаждение, а также пар, который поставляется в промышленность. Совместное производство нескольких энергоносителей увеличивает использование установленной мощности, увеличивает доходы от поставляемой энергии и может сделать инвестиции в электростанции более прибыльными.

Развертывание комбинированного производства тепла и электроэнергии в системах централизованного теплоснабжения связывает секторы тепла и электроэнергии таким образом, что общая эффективность производства будет существенно повышена. Электростанции, производящие автомобильное топливо, соединяют стационарную энергосистему с транспортом, как это делают электромобили и поезда, и увеличивают количество вариантов использования биомассы и обеспечения транспорта. Связь с транспортным сектором особенно важна, поскольку на секторы электроэнергии, тепла и транспорта приходится более 60% глобальных выбросов двуокиси углерода от сжигания топлива [9].Совместные действия в этих трех секторах определенно снизят выбросы. В этом аспекте биомасса является жизненно важным ресурсом для достижения целей в области энергетики и окружающей среды. Использование биомассы только для отопления может стать шагом на пути к устойчивому развитию, особенно в тех областях, где сейчас используются невозобновляемые источники. Однако другие технологии, такие как когенерация (ТЭЦ), тройная генерация (ТЭЦ + охлаждение) и поли-генерация, должны быть рассмотрены для получения максимальной выгоды от использования биомассы. Это особенно важно в областях, где развертывание ТЭЦ затруднено из-за препятствий, таких как недостаточная тепловая нагрузка, неблагоприятные цены на электроэнергию, высокие инвестиционные затраты, отсутствие инфраструктуры и т. Д.Кроме того, периоды низкой потребности в тепле представляют собой проблему для систем централизованного теплоснабжения с ТЭЦ в качестве производства с базовой нагрузкой. Эта ситуация может ухудшиться с повышением эффективности в жилищном секторе, где ожидается более низкий спрос на тепло (раздел 8.1). Также существует желание сократить затраты на производство тепла за счет дополнительных доходов от продажи электроэнергии и автомобильного топлива, поскольку централизованное теплоснабжение не всегда является самой дешевой альтернативой в некоторых местах. На этом фоне концепция поли-генерации может быть полезной для решения упомянутых проблем.

Исследования показывают, что применение концепций поли-генерации дает экономические и экологические преимущества. Например, увеличение выработки электроэнергии от ТЭЦ может быть достигнуто путем интеграции лигноцеллюлозного этанола с централизованным теплоснабжением [15]. В другом аналогичном исследовании используется модель MODEST (раздел 2), чтобы показать, что конфигурация с несколькими поколениями приведет к снижению затрат на производство тепла и уменьшению выбросов в результате интеграции [16]. Существуют также и другие приложения, в которых одновременно генерируются пар, электричество, тепло и древесные гранулы.Такие установки уже есть, например, в Швеции и Норвегии. Доходы, полученные от продажи, в первую очередь энергии и автомобильного топлива, вместе со стимулами к возобновляемым источникам энергии, похоже, стимулируют эффективное использование ресурсов биомассы и тем самым создают благоприятные условия для конкурентоспособности централизованного теплоснабжения и производства энергии на основе биомассы.

7. Ценная инфраструктура

Центры и сети централизованного теплоснабжения имеют низкие эксплуатационные расходы при использовании низкопотенциальных энергоресурсов, но требуют больших начальных инвестиций.Денежный поток будет отрицательным в течение нескольких лет во время создания новой системы централизованного теплоснабжения, и время окупаемости может быть довольно длительным, что затрудняет финансирование. Долгосрочная перспектива прибыльности и бизнес-модели с низкими рисками необходимы для развертывания и модернизации систем централизованного теплоснабжения. Преобладающая поддержка государственной политики может также потребоваться для содействия развитию инфраструктуры централизованного теплоснабжения, как и для других крупномасштабных систем. Из-за крупных инвестиций существующие системы централизованного теплоснабжения являются ценными активами, но некоторые системы могут потребовать существенных улучшений [17].

Цепочка добавленной стоимости в сфере централизованного теплоснабжения идет от топлива через производство и распределение тепла до потребителей. Большинство шведских компаний централизованного теплоснабжения охватывают все центральные звенья этой цепочки, то есть производство, распределение и продажу тепла, что позволяет использовать операционную синергию. Такой порядок может быть благоприятным, потому что, если задействовано много участников, требуется ряд соглашений, которые увеличивают бизнес-риски, что, в свою очередь, делает финансирование более дорогим, что может сделать инвестиции невыгодными [17].

Для крупных инвестиций, таких как сжигание мусора и ТЭЦ, требуется определенный размер, чтобы быть прибыльными, и поэтому им также нужна большая система централизованного теплоснабжения. Такая сеть централизованного теплоснабжения иногда может быть получена путем подключения более мелких систем.

8. Потребность в тепле

Спрос на централизованное теплоснабжение сам по себе может рассматриваться как ценный ресурс, поскольку он позволяет использовать энергетические ресурсы, которые без этого спроса было бы трудно использовать.Спрос на централизованное теплоснабжение также делает возможным комбинированное производство тепла и электроэнергии.

Централизованное теплоснабжение подходит тем больше, чем больше плотность тепловой нагрузки (т. Е. Потребность в тепле на единицу площади, например [18]), потому что больше тепла может быть доставлено на метр трубы, проложенной в земле, а затраты на сеть могут быть распределены на большее количество энергии. Поэтому централизованное теплоснабжение в основном используется в больших зданиях, например, в многоквартирных домах и служебных помещениях, таких как больницы, школы и большие офисные здания.Но плотность тепловой нагрузки, которая требуется для того, чтобы централизованное теплоснабжение было экономически выгодным, зависит от затрат на производство тепла [2]. Если теплоотвод , который составляют пользователи централизованного теплоснабжения, позволяет производить электроэнергию или принимать отходы, которые приносят доход, выгоднее строить сети централизованного теплоснабжения в районах с более низкой плотностью тепловой нагрузки, чем если бы биомасса или масло использовались для производства центрального отопления. по отдельности.

В некоторых местах цены на тепло меняются так же, как и затраты на производство тепла в течение года (разд.1.1), чтобы дать потребителям сигнал о том, когда наиболее желательно снизить их потребность в тепле. Дома с централизованным теплоснабжением могут, например, быть менее подходящими для солнечного отопления, потому что централизованное отопление часто происходит за счет избыточных ресурсов, таких как отходящее или отработанное тепло, когда солнечного излучения больше всего.

8.1. Снижение спроса

В настоящее время потребность в тепле снижается из-за повышения температуры наружного воздуха, вызванного усилением парникового эффекта, а также политики, продвигающей дома с низким энергопотреблением, что делает централизованное теплоснабжение менее подходящей формой теплоснабжения.Предполагается, что все новые здания в Европейском Союзе будут почти нулевыми зданиями в 2020 году [19]. Дома с низким энергопотреблением часто имеют толстую изоляцию стен и чердака, окна, пропускающие мало тепла, вентиляцию с рекуперацией тепла и солнечное отопление. Эти более совершенные установки вызывают более высокие инвестиционные затраты, но меньшее потребление энергии снижает эксплуатационные расходы.

Снижение потребности в тепле должно привести к сокращению использования природных ресурсов, таких как ископаемое топливо, и позволить использовать биомассу для других целей, помимо отопления помещений, например для производства автомобильного топлива.Но сокращение потребности в тепле является проблемой для централизованного теплоснабжения и, следовательно, также для возможностей использования источников энергии, которые требуют использования централизованного теплоснабжения, таких как промышленное избыточное тепло. Поэтому важно проанализировать взаимодействие между энергоснабжением и энергосбережением, а также между компаниями централизованного теплоснабжения и зданиями.

Меры по повышению энергоэффективности, такие как улучшенная изоляция стен и улучшение окон, в первую очередь сокращают потребность в тепле зимой и, следовательно, уменьшают сезонные колебания спроса.Это может быть выгодно с точки зрения производства тепла, поскольку установки с высокой нагрузкой нужны меньше, но установки с базовой нагрузкой (раздел 1.1) могут использоваться больше, что снизит эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду. Но также пострадают и станции с базовой нагрузкой, что может снизить эффективность производства электроэнергии на теплоэлектростанциях.

Оберг и Хеннинг [20] изучали влияние потенциального сокращения потребности в тепле из-за обширных мер по повышению энергоэффективности в существующих зданиях на централизованное теплоснабжение и производство электроэнергии, используя модель оптимизации энергосистемы MODEST (разд.2). В исследуемом шведском городе сокращение потребности в тепле в первую очередь приведет к снижению производства только тепла, тогда как производство ТЭЦ будет меньше. Отношение выработки электроэнергии к теплу для системы даже увеличится, то есть увеличится выработка электроэнергии на единицу поставленного централизованного теплоснабжения. Выбросы двуокиси углерода на месте будут снижены за счет мер по повышению энергоэффективности, поскольку будет использоваться меньше ископаемого топлива. Глобальные выбросы углекислого газа также будут сокращены, хотя менее эффективные угольные конденсационные электростанции должны будут заменить электроэнергию, которая больше не может производиться на ТЭЦ из-за снижения теплоотвода в зданиях.Однако в данном исследовании рассматриваются только существующие электростанции и станции централизованного теплоснабжения [20], тогда как процесс постепенного снижения потребности в тепле в существующих домах будет идти параллельно с реструктуризацией системы теплоснабжения, возможно, включая переход к еще более широкое использование возобновляемых видов топлива. В такой системе будущего меры по энергоэффективности могут не сократить выбросы углекислого газа.

В аналогичном исследовании другого города [21] был изучен комбинированный эффект повышения энергоэффективности в существующих многоквартирных домах и подключения новых низкоэнергетических многоквартирных домов к сети централизованного теплоснабжения с помощью MODEST.Эти изменения не повлияют на глобальные выбросы углекислого газа при взаимодействии с угольными конденсационными электростанциями. Но установки для производства тепла и используемые виды топлива имеют решающее значение для воздействия централизованного теплоснабжения на окружающую среду. В этом случае изменение потребности в тепле приведет, например, к сокращению использования ТЭЦ, работающей на обогащенном углеродом торфе, что приведет к таким же выбросам углекислого газа, как и уголь. Более сильное влияние на производство ТЭЦ по сравнению с ранее упомянутым исследованием также показано соотношением выработки электроэнергии и тепла для системы, которое снижается с увеличением потребности в тепле [21].

8.2. Использование централизованного теплоснабжения при низком спросе

Чтобы сделать использование централизованного теплоснабжения благоприятным для районов с низким спросом на тепло и, таким образом, позволить использовать источники энергии, которые могут использоваться только через систему централизованного теплоснабжения, а также столько же центрального отопления, сколько и Возможно, следует использовать в такой области, но при этом эффективно использовать тепло.

Помимо традиционных целей для горячего водоснабжения и отопления помещений, централизованное теплоснабжение может использоваться для промышленных процессов и всего теплоснабжения бытовых приборов (например,грамм. посудомоечные машины, стиральные машины, сушилки для белья и сушилки для полотенец), которые теперь часто, по крайней мере частично, используют электричество для обогрева. Солнечная энергия на крышах домов может давать электроэнергию вместо тепла, потому что последнее снизит спрос на централизованное теплоснабжение.

Хеннинг [22] обрисовал в общих чертах сценарии более устойчивого энергоснабжения для развития шведского города. В двух случаях здания снабжались централизованным теплоснабжением. В одном из этих сценариев центральное отопление использовалось только традиционным способом для горячего водоснабжения и отопления помещений в обычных, но не неэффективных домах.В другом сценарии были здания с низким энергопотреблением, в которых централизованное теплоснабжение также использовалось для бытовых приборов. Энергия, которая в первом случае только исчезала из зданий, во втором случае использовалась для подачи тепла в посудомоечные машины, стиральные машины, сушильные барабаны и сушилки для полотенец. Первый сценарий предполагал более зависимую от климата потребность в отоплении помещений, частично покрываемую дорогостоящим топливом с высокой нагрузкой (в основном древесной щепой в этом городе), тогда как второй сценарий предусматривал большую базовую нагрузку на бытовую технику, которая могла быть покрыта топливом с меньшие затраты (древесные отходы, [22]).

Для многих промышленных процессов существует потребность в тепле, которая частично или полностью может быть покрыта за счет централизованного теплоснабжения, но в настоящее время обеспечивается за счет топлива или электроэнергии. При необходимости централизованное теплоснабжение может быть дополнено бойлерами для получения желаемых высоких температур. Потребность в тепле в промышленных производственных процессах часто более или менее не зависит от температуры наружного воздуха и имеет лишь небольшие сезонные колебания (кроме праздников), как и горячее водоснабжение. Таким образом, промышленные процессы могут составлять базовый спрос, который предпочтительно удовлетворять за счет установок с базовой нагрузкой, таких как сжигание отходов или ТЭЦ [23].

При более низкой потребности в тепле температура в сетях централизованного теплоснабжения может быть ниже, что означает, что можно использовать избыточное тепло более низкой температуры. Кроме того, на ТЭЦ можно производить больше электроэнергии, потому что тепло, извлекаемое после выработки электроэнергии, может иметь более низкую температуру. Большая часть топливной энергии может дать высококачественную электроэнергию вместо низкокачественного тепла.

9. Полезное использование электроэнергии

Электроэнергия широко используется для целей, вместо которых может использоваться централизованное отопление или охлаждение.Электрическое отопление широко используется в Норвегии (рис. 5), но также и в некоторых других странах. Электричество также обычно используется для кондиционирования воздуха. Переход с электрического отопления или охлаждения на централизованное отопление или охлаждение естественным образом снижает потребление электроэнергии, но если энергия централизованного энергоснабжения поступает от ТЭЦ, переключение может также позволить увеличить производство электроэнергии там, и потребуется меньше другого производства электроэнергии, которое часто осуществляется на угле. конденсационные электростанции. Таким образом, такое переключение энергоносителей оказывает двойное влияние на энергосистему за счет снижения спроса и изменения выработки, что может снизить потребление топлива и выбросы углекислого газа.В Швеции использование централизованного теплоснабжения можно было бы увеличить на 25%, если бы все электрическое отопление в несельских районах было заменено центральным отоплением [14].

Рисунок 5.

Северный рынок тепла (Источник: Norsk Bioenergiforening (NoBio)

С эксергетической точки зрения электричество не следует использовать для отопления. Это особенно очевидно, если электроэнергия производится с низкой эффективностью и топливо, которое одновременно является дорогостоящим и экологически безвредным. С другой стороны, было бы труднее возразить против использования электроэнергии, если бы энергия вырабатывалась за счет гидроэнергетики с низкими производственными затратами и без выбросов.Это также одна из основных причин довольно высокой доли электроэнергии на некоторых рынках тепла, показанных на рис. 5. Существуют разные причины, по которым в некоторых местах широко используется электрическое отопление, но смещение в район отопление или другие виды отопления, в которых используются возобновляемые источники, следует рассматривать как необходимую меру для достижения целей в области энергетики и окружающей среды. С точки зрения скандинавских стран, где доля возобновляемых источников энергии в производстве энергии высока, переход от отопления на основе электроэнергии предоставит огромные возможности для достижения национальных и международных целей политики, позволив неиспользованной электроэнергии вытеснить менее экологически безвредное производство электроэнергии.Транспортный сектор, который в настоящее время является одним из основных источников выбросов углекислого газа, может в качестве альтернативы выиграть от перехода энергоносителей на электричество. Однако это зависит от зрелости и эффективности технологии электромобилей.

10. Выводы

Централизованное теплоснабжение — это комплексная концепция теплоснабжения от топлива через производство и распределение тепла потребителям. Системы централизованного теплоснабжения являются ценными активами, которые позволяют эффективно использовать ресурсы.

Основными преимуществами централизованного теплоснабжения являются низкий спрос на первичную энергию из-за высокой энергоэффективности, высокая надежность снабжения за счет использования внутренних возобновляемых источников энергии, если таковые имеются, а также небольшие выбросы углекислого газа благодаря низкому использованию ископаемого топлива и высокая эффективность преобразования.

Централизованное теплоснабжение позволяет использовать энергоресурсы, которые трудно использовать в отдельных зданиях и которые в противном случае могут быть потрачены впустую, например, промышленное избыточное тепло, бытовые отходы и тепло от выработки электроэнергии на теплоэлектроцентралях.

Сжигание отходов с рекуперацией тепла для централизованного теплоснабжения может использоваться с очень низкими затратами. Избыточное тепло от промышленных предприятий можно использовать в системах централизованного теплоснабжения, вместо того, чтобы выбрасывать его в воздух или воду. Централизованное теплоснабжение также дает возможность когенерации электроэнергии и тепла с высокой эффективностью. Таким образом, централизованное отопление обеспечивает рентабельное теплоснабжение с меньшим воздействием на окружающую среду.

Централизованное охлаждение, например, с помощью абсорбционно-охлаждающих устройств, позволяет экономить электроэнергию и может увеличить выработку электроэнергии на ТЭЦ.Чтобы эффективно использовать биомассу в энергетических целях, ее можно поставлять на многогенерирующие установки, где она дает тепло, пар, электричество, охлаждение и автомобильное топливо.

Использование, например, топлива из биомассы снижает зависимость от импортного ископаемого топлива. Эффективным предприятиям требуется меньше топлива, что снижает уязвимость энергоснабжения. Глобальное потепление и более совершенные дома снижают потребность в тепле. Использование централизованного теплоснабжения для дополнительных целей позволяет увеличить использование энергетических ресурсов, которые в противном случае могут быть потрачены впустую.

11. Перспективы

Компании и организации в хорошо развитых странах централизованного теплоснабжения обладают обширными знаниями, которые могут способствовать развитию централизованного теплоснабжения в других странах. Такие участники могли бы помочь в создании систем централизованного теплоснабжения, начиная с поставок топлива и заканчивая тепловыми установками и сетями и заканчивая контрактами с потребителями. Это будет способствовать процветанию промышленности для всех сторон и поможет построить устойчивые энергетические системы в Европе [17].

Правительству на всех уровнях следует признать централизованное теплоснабжение средством повышения эффективности использования энергии, повышения надежности энергоснабжения и снижения воздействия на окружающую среду, а их политика должна способствовать развитию централизованного теплоснабжения.

Централизованное отопление и охлаждение могут быть ключом к устойчивым местным энергетическим системам, которые связывают избыток энергии и потребность в энергии при различных температурах. Региональные сети отопления и охлаждения могут снабжаться различными источниками тепла и холода. В таких системах предложение и спрос на энергию могут быть согласованы, например, промышленные излишки тепла, горячая вода для посудомоечных машин и охлаждение помещений, продукты питания и вода.

Европейская отрасль централизованного теплоснабжения стремится к учету и контролю источников и потребителей тепла, которые соответствуют и оптимизируют источники энергии и спрос.Видение предусматривает, что ИТ, интеллектуальные приборы учета в реальном времени и интеллектуальные подстанции для отдельных клиентов в будущем позволят идентифицировать, согласовывать и регулировать входы и выходы энергии, чтобы оптимизировать взаимодействие между источниками энергоснабжения и различными температурами. требования покупателей [24].

Внедрение новых систем централизованного теплоснабжения и модернизация старых может привести к созданию оптимальных энергосистем от леса до жилого помещения.

Области применения пиролиза: Топ 20

Поскольку в отрасли происходит так много всего, может быть трудно догнать все возможности.Вот наш обзор 20 самых интересных приложений пиролиза и бизнес-моделей для процесса Biogreen®.
Узнайте свое и дайте нам знать, связавшись с нами!

ВАЛОРИЗАЦИЯ БИОМАССЫ

Во всем мире производятся большие количества остаточной биомассы, и они ждут устойчивых методов их дальнейшего управления. Они часто продаются в качестве топлива по относительно низким рыночным ценам. Тем не менее, остаточная биомасса может быть привлекательным ресурсом для процесса пиролиза Biogreen®, предлагая множество способов повышения ее добавленной стоимости и производства биопродуктов, пользующихся большим спросом на рынке.В Biogreen® мы называем этот процесс валоризацией биомассы.

1. Биочар и производство тепла / пара

Пиролиз позволяет преобразовать чистую древесную биомассу в биоуголь в качестве функционального материала (питательное вещество почвы, продукт биоремедиации, фильтрующий материал и многое другое). Возможность изменения условий эксплуатации в Biogreen® открывает уникальную возможность производить собственный функциональный материал. Кроме того, энергия, произведенная в процессе, может быть преобразована в полезное тепло (для сушки), пар (для промышленных целей) или другие формы энергии.

2. Производство биогенного угля и твердого топлива

Низкотемпературный процесс торрефикации и карбонизации биомассы позволяет получать высококачественное теплотворное топливо с теплотворной способностью от 21 до 29 МДж / кг, подходящее для рынков электроэнергетики. Благодаря адаптируемым условиям обработки системы Biogreen® процесс может осуществляться в точном соответствии с требуемыми свойствами твердого топлива. Небольшие количества теплоносителя, полученные в процессе, могут быть дополнительным ресурсом для сушки.

3. Применение жидкого дыма

Стандартизированные и контролируемые условия пиролиза в установке Biogreen® позволяют получать высококачественное масло из древесной биомассы. После дальнейшей очистки пиролизное масло может быть сертифицировано для многих приложений, в том числе для рынков пищевых ароматизаторов и пищевых ароматизаторов. Дополнительным преимуществом является получение качественного биоугля и тепла, что может быть добавленной стоимостью для проекта.

4. Производство древесного уксуса

Пиролигнистая кислота, также называемая древесным уксусом, представляет собой уникальный продукт, который может быть получен в процессе пиролиза биомассы при извлечении конденсата из образовавшихся паров.Его основные компоненты — уксусная кислота и метанол. Древесный уксус — это продукт, широко используемый для отпугивания вредителей, цветущих растений и улучшения почвы. Как материал биологического происхождения, он удовлетворяет быстро растущий спрос на мировом рынке. Дополнительным преимуществом может быть одновременное производство biochar и тепла (см. Пункт 1).

5. Возобновляемые синтетические газы (h3, Ch5)

Синтез-газ, полученный в процессах пиролиза биомассы, представляет собой смесь интересных молекул, содержащих не только CO, CO2 и азот, но также значительные количества h3, Ch5 и высших углеводородов.Кроме того, количество этих молекул может быть увеличено за счет последующей обработки синтез-газа, что делает процесс полезным источником биомолекул. Для этой цели ETIA в настоящее время разрабатывает специальные процессы. Одновременное производство биоугля и масла может быть дополнительным преимуществом для бизнес-модели.

Валоризация осадка сточных вод

Управление осадком сточных вод становится все более серьезной проблемой для окружающей среды. После сушки пиролизная обработка осадка сточных вод Biogreen® открывает новый путь превращения этого материала в твердое топливо или тепло без ненужной транспортировки и логистики, связанных с перемещением осадка в большие централизованные центры управления.

6. Карбонизация осадка

Низкотемпературный или среднетемпературный пиролиз сухого осадка сточных вод позволяет получить стерилизованный, простой в хранении продукт без запаха, который может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Благодаря адаптивности Biogreen® к условиям обработки вы можете выбирать степень обработки, чтобы не перегревать материал и сохранить его важные топливные свойства.

7. Нагревание осадка

Высокотемпературный пиролиз — это процесс, в котором Biogreen® работает при температуре 800 ° C, направленный на максимальное разложение осадка и получение как можно большего количества теплотворного синтез-газа, который может быть источником энергии для сушки.Благодаря этому типу обработки Biogreen® может достигать высоких показателей сокращения и непрерывно вырабатывать энергию, чтобы минимизировать OPEX вашей сушилки.

Стоимость пластмасс и RDF / SRF

Пластик и отходы, содержащие пластмассу, представляют собой глобальную проблему для окружающей среды, которую часто необходимо решать на местном уровне и в небольших масштабах. Biogreen® обеспечивает постоянное локальное решение этой проблемы прямо в том месте, где это необходимо, позволяя получать продукты с добавленной стоимостью в виде энергии, синтез-газа и масла.

8. Пластмассы для нефти, энергии и тепла

Пластиковый мусор — это материал с высоким содержанием энергии, который можно преобразовать в высококачественный синтез-газ и масло. Синтез-газ — это теплотворная смесь молекул (Ch5, C2H6, h3 и др.), Которые после очистки могут быть эффективно преобразованы в энергию (пар, тепло, электричество). Пиролизное масло — это высокоэнергетическая смесь углеводородов, которая может быть использована во многих отраслях промышленности.

9. Пластмассы для обогрева — замена обычного топлива в котлах

Операторы промышленных газовых котлов, работающих на природном газе, часто ищут возможность снижения затрат на обычное топливо.Пиролиз может быть полезным процессом для этой цели. Высокотемпературный процесс Biogreen® позволяет получать синтетический газ с энергетической ценностью, сопоставимой с природным газом. С помощью специально разработанной горелки вы можете заменить природный газ в существующем котле и продолжить работу без инвестиций в новое оборудование, управляя собственными отходами на месте и используя их энергетическую ценность.

10. RDF для энергии и тепла

Гранулированные фракции бытовых отходов с высокой теплотворной способностью могут быть идеальным сырьем для процесса Biogreen®.Высокотемпературный непрерывный пиролиз позволяет производить синтез-газ высокого качества, который затем может подаваться в генераторную установку или ТЭЦ, производя электричество, тепло или пар. Масло и уголь от этого процесса могут быть потенциальной выгодой или побочными продуктами, и их необходимо проверять в соответствии с вашим собственным составом отходов.

11. Пластмассы / RDF на водород

Этот эксклюзивный процесс все еще находится в стадии разработки ETIA как одно из самых многообещающих направлений валоризации отходов в будущем. И пластмассы, и отходы RDF могут быть преобразованы в качественный синтез-газ, который затем можно подвергнуть дальнейшей переработке, чтобы повысить содержание в нем водорода.Эта особенность позволяет получать большие количества возобновляемых молекул из малоценных остатков.

12. Пластмассы / RDF в метан

Как одна из разработок с наивысшим рыночным потенциалом, ETIA работает над созданием процесса получения возобновляемого метана из фракций теплоносителя. Установка сочетает в себе передовые технологии высокотемпературного пиролиза (Biogreen®), процессов очистки газа и метанирования с целью получения метана, пригодного для закачки в транспортную сеть.

Резина из отработанных шин

Во многих странах использованные шины рассматриваются как проблемные отходы, от которых трудно избавиться. Технология Biogreen® решает эту проблему, предоставляя возможность локальной обработки резины из использованных шин и создания ценных продуктов в результате пиролизной конверсии.

13. Восстановленный технический углерод (reCB) и тепло

Восстановленная сажа — это материал, полученный из твердого продукта процесса пиролиза шин.Дальнейшая обработка позволяет ему развивать многие полезные свойства, которые делают продукт reCB с высокой добавленной стоимостью, который можно рассматривать как наполнитель для резиновой промышленности, красок и покрытий, производства чернил и многих других промышленных применений. Переработанная сажа, получаемая при пиролизе шин, становится все более популярной, поскольку она является экологически чистой альтернативой углеродной саже, полученной с помощью процессов на основе нефти. Кроме того, пиролиз Biogreen® позволяет получать смесь газов с теплотой сгорания, которая может быть источником тепла для ваших производственных процессов и дать дополнительный источник дохода для вашего проекта.

14. Восстановленный технический углерод (reCB) и CHP

Производство reCB (см. Выше) можно комбинировать с более совершенными методами использования синтез-газа для выработки пара, тепла и электричества — в зависимости от ваших индивидуальных потребностей. Непрерывный процесс Biogreen® в сочетании с подходящим вспомогательным оборудованием может позволить производить полезный reCB в качестве функционального материала, пара и горячей воды для централизованного теплоснабжения.

Химические процессы

Возможное использование Biogreen не ограничивается отраслями управления отходами и биомассой.Наши технологии широко используются в химической, фармацевтической и пищевой промышленности для получения специальной обработки материалов и улучшения их свойств. Управляемость системы Biogreen позволяет получить конкретные и точные условия обработки, которые невозможно достичь с помощью других традиционных методов лечения.

15. Сушка химических продуктов

Многие определенные химические вещества требуют точной и непрерывной термической обработки в атмосфере с ограниченным воздухом, что предотвращает их окисление и другие нежелательные реакции.Точно адаптированные условия Biogreen® позволяют системе удалять воду, улучшать, карбонизировать и обрабатывать химические вещества различными способами.

Разные материалы

16. Валоризация древесины, обработанной CCA

Древесина, обработанная хромированным арсенатом меди (CCA), представляет собой опасные отходы, получаемые обычно из использованных телефонных столбов, железнодорожных шпал, силосов, кабельных барабанов и всех видов древесины, пропитанной промышленным способом. Поскольку сгорание этого материала приводит к выделению токсичных газов, альтернативные методы очистки пользуются большим спросом.Пиролиз древесины CCA может быть хорошим ответом на растущую проблему утилизации, позволяя восстанавливать энергию и улавливать загрязнители в твердых остатках.

17. Регенерация активированного угля

Непрерывный пиролиз в процессе Biogreen® позволяет испарять различные вещества, присутствующие в материале. Это открывает возможность регенерации загрязненных активированных углей. За счет контролируемого повышения температуры в процессе пиролиза с ограничением по воздуху активированный уголь может быть очищен от летучих загрязнителей и повторно использован на вашем промышленном предприятии.

18. Восстановление алюминия

Когда алюминий присутствует в отходах, но в сочетании с другими материалами, такими как текстиль, бумага или пластик, процесс пиролиза может помочь эффективно удалить термически разлагаемые материалы, оставляя алюминий пригодным для восстановления.

19. Валоризация водных растений

Водные растения и водоросли становятся все более привлекательным сырьем для процесса пиролиза. Потенциальное производство химических веществ с добавленной стоимостью с использованием процесса пиролиза Biogreen® обеспечивает экологичное и экономичное решение для производства материалов из биологических источников на рынке.

20. Химическая обработка осадка

Пиролиз химических шламов, содержащих загрязнители, которые обычно окисляются и вызывают проблемы в процессах сжигания, является многообещающим ответом на растущие проблемы утилизации этого материала. Непрерывный процесс Biogreen® может позволить термически рекуперировать энергию, переносимую в иле, сохраняя при этом опасные вещества в твердом остатке. Объединение системы с генераторными установками и когенерационными установками может позволить не только рекуперировать тепло, но и производить полезный пар и электричество.

Как вы думаете, ваша отрасль или сообщество может использовать одно из перечисленных выше приложений пиролиза Biogreen? Не стесняйтесь, напишите нам по электронной почте!

СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ

Попадание в горячую воду: Практическое руководство по системам водяного отопления

Одним из положительных результатов недавнего энергетического кризиса стало развитие и совершенствование технологий использования альтернативных форм энергии.Нигде эти усилия не были более очевидными, чем рост использования древесины в качестве источника топлива. Многие дома на одну семью, построенные в последние годы, предусматривают хотя бы частичное отопление дровами. Некоторые коммерческие, промышленные и сельскохозяйственные предприятия, которым требуется большое количество тепла, также либо перешли на древесину, либо рассмотрели ее.

Одним из наиболее удобных, эффективных и рентабельных способов, с помощью которых жилые, сельскохозяйственные и небольшие коммерческие пользователи могут пользоваться преимуществами энергии на базе древесины, является использование системы водяного отопления (часто называемой гидравлической).Системы горячего водоснабжения, работающие на древесном топливе, особенно подходят для малых и средних предприятий. Основное преимущество этих систем состоит в том, что они обеспечивают постоянный нагрев при относительно нечастой загрузке. Они также безопасны и могут сжигать недорогое древесное топливо во многих различных формах. Хотя этой технологии как минимум 200 лет, сегодня стоит подумать о ней.

Расширение биологической и сельскохозяйственной инженерии в Государственном университете Северной Каролины спроектировало и протестировало ряд гидравлических систем различных размеров за последние годы.Планы для этих систем доступны за небольшую плату. В настоящее время в Северной Каролине действует несколько тысяч жилых систем горячего водоснабжения, работающих на дровах. Кроме того, около 60 единиц используется для сушки табака и около 300 — для обогрева теплиц. Хотя многие из этих систем были построены на основе проверенных планов, некоторые — нет. Проблемы в системе часто возникают из-за того, что не были учтены некоторые важные конструктивные или эксплуатационные требования.

Для эффективной работы важно понимать и соблюдать определенные основные правила.Эта публикация предоставляет оператору системы водяного отопления важную базовую информацию об этом типе системы и ее работе. В первых двух разделах описывается система горячего водоснабжения и ее части, объясняются функции каждой части и даются некоторые простые расчеты конструкции для тех, кто хочет построить свою собственную систему. Третий раздел поможет читателю развить понимание древесного топлива, а четвертый описывает и объясняет экономику систем горячего водоснабжения.

В системе водяного отопления вода используется для хранения тепловой энергии и передачи ее от горящего топлива к месту, где будет использоваться тепло.Все системы горячего водоснабжения (гидроники) состоят из пяти основных частей:

• Топка , камера, в которой сжигается топливо;
• резервуар для воды , в котором тепло поглощается и сохраняется;
• Насос и трубопроводная система для транспортировки нагретой воды;
• Теплообменник для отвода тепла там, где оно необходимо;
• Система управления для управления скоростью использования тепла.

При проектировании водонагревателя на дровах важны три фактора:

1. Сжигание . Система должна быть спроектирована так, чтобы топливо сгорало максимально полно.
2. Теплообмен . Конструкция должна позволять как можно большему количеству выделяемого тепла попадать в воду.
3. Сохранение тепла . Система должна позволять как можно меньше тепла уходить неиспользованным.

Самая важная часть любой системы горячего водоснабжения — топка или камера сгорания.Если он неправильного размера или плохо спроектирован, производительность всей системы пострадает. Самая частая проблема домашних систем горячего водоснабжения — это плохо спроектированная топка. К сожалению, это также одна из самых сложных проблем, которые можно решить без изменения конструкции и восстановления топки.

Как горит древесина

Чтобы оценить необходимость правильно сконструированной топки, необходимо понимать, как горит дрова. Горение (горение) — это процесс, при котором кислород химически соединяется с топливом, выделяя тепло.Тепло также необходимо для запуска процесса. Однако, однажды начавшись, реакция может быть самоподдерживающейся.

Большинство людей знает, что для сжигания необходимы топливо и кислород. Однако многие не осознают, что тепло также необходимо. Многие проблемы в системах водяного отопления связаны с недостаточным нагревом камеры сгорания.

Двумя основными компонентами древесины являются целлюлоза и лигнин. Эти два химических вещества состоят в основном из углерода, водорода и кислорода.Когда температура древесины повышается, некоторые из летучих веществ, содержащихся в дереве, — вода, воск и масла — начинают выкипать. При температуре около 540 ° F тепловая энергия приведет к разрыву атомных связей в некоторых молекулах древесины. Когда тепловая энергия разрывает связи, которые удерживают вместе атомы, составляющие лигнин или целлюлозу, образуются новые соединения — соединения, которых изначально не было в древесине. Этот процесс известен как пиролиз. Эти новые соединения могут быть газами, такими как водород, оксид углерода, диоксид углерода и метан, или они могут быть жидкостями и полутвердыми веществами, такими как смолы, пиролитовые кислоты и креозот.Эти жидкости в виде мелких капель и полутвердых частиц вместе с водяным паром составляют дым. Дым, выходящий из трубы (дымохода) несгоревшим, является потраченным топливом.

Поскольку температура продолжает расти, производство пиролитических соединений резко возрастает. При температуре от 700 до 1100 ° F (в зависимости от присутствующих пропорций) кислород соединяется с газами и смолами с выделением тепла. Когда это происходит, происходит самоподдерживающееся горение.

В какой-то момент во время горения куска дерева все смолы и газы будут удалены.Остается в основном древесный уголь. В обиходе мы говорим, что древесина сгорела дотла. Эти угли медленно горят снаружи и почти без огня. Количество угля или древесного угля, которое остается после того, как другие части древесины выкипят, зависит в первую очередь от породы древесины, а также от того, как быстро и при какой температуре она была сожжена. Как правило, чем быстрее и горячее сгорает кусок дерева, тем меньше древесного угля остается в виде углей.

Лучше всего быстро обжечь дрова, чтобы получить от них максимум тепла.Медленный дымный огонь может расходовать до трети тепловой энергии топлива. Для эффективного горения огонь должен получать достаточно кислорода. Высокая дымовая труба, механический вытяжной вентилятор или то и другое обычно используются для обеспечения достаточной тяги (потока воздуха в топку).

Однако существуют пределы того, как быстро можно заставить дерево гореть. Если воздух нагнетается в камеру сгорания слишком быстро, он имеет тенденцию «задуть» огонь. Результат почти такой же, как недостаток воздуха.

Слишком большое количество воздуха в камере сгорания также может привести к вздутию воздуха.Дыхание на самом деле представляет собой серию взрывов, возникающих в результате сильного смешивания воздуха и древесных газов. Чаще всего это происходит, когда свежее топливо добавляется в слой очень горячих углей. Сильное тепло от углей может вытеснять большие объемы горючих газов, которые периодически воспламеняются по мере поступления кислорода. Эти взрывы редко вызывают какие-либо повреждения системы, но возникающий в результате обратный огонь может вызвать ожоги и летящий пепел.

Многие соединения образуются при горении древесины. Только в дыме было идентифицировано более 160 различных видов.В наибольшем объеме выделяются окись углерода, метан, метанол и водород. Хотя эти соединения будут гореть при относительно низких температурах, большая часть оставшихся выделенных соединений, таких как дым и смола, не сгорит полностью, пока температура не достигнет более 1000 ° F. Таким образом, для полного сгорания необходима горячая топка.

В большинстве хорошо спроектированных систем горячего водоснабжения топка окружена водой. По этой причине такие системы иногда называют водяными плитами.«В агрегатах этого типа стенки топки поглощают большую часть выделяемого тепла. Вода сохраняет стенки топки относительно прохладными, что приводит к хорошей теплопередаче, но не способствует хорошему сгоранию. В большинстве случаев необходимо изолировать стены и пол топку с огнеупорным кирпичом. огнеупорным кирпичом замедляет движение тепла от огня и тем самым повышает эффективность сгорания.

Обычный красный строительный кирпич, особенно с отверстиями, подходит для облицовки топки не хуже, чем белый огнеупорный кирпич.Хотя красный кирпич не столь эффективно, он стоит около одной пятой столько, сколько белого огнеупорного кирпича.

Конструкция топки

На рис. 1 показано поперечное сечение типичного водонагревательного устройства. Очень важно, чтобы камера сгорания с водяной рубашкой была достаточно большой. Он должен быть такого размера, чтобы не только принимать заряд топлива, но и оставлять место для полного сгорания расширяющихся дымовых газов, прежде чем они потеряют слишком много тепла и перейдут в дымовые трубы.

Одна из наиболее распространенных проблем домашних систем горячего водоснабжения заключается в том, что камера сгорания слишком мала для нормального сгорания. В этом случае трудно разжечь огонь достаточно горячим; он имеет тенденцию курить, даже когда ему дают много воздуха. Если топка уже не слишком мала, добавив огнеупоры подкладки может помочь, потому что это сделает огнь гореть более горячее. Иногда, однако, единственным выходом является замена топки на более крупную.

Мощность системы горячего водоснабжения можно описать двумя способами: с точки зрения ее мощности горелки или сгорания и с точки зрения ее способности аккумулировать тепло.(Последнее будет обсуждаться в другом разделе.) Мощность горелки системы определяется как наибольшее количество тепла, которое горелка может выделить из топлива за определенный период времени. Производительность горелки можно рассматривать как практический предел устойчивой мощности системы. Если вы продолжите увеличивать скорость, с которой топливо подается в камеру сгорания, в конечном итоге будет достигнута точка, когда топливо будет потребляться с той же скоростью, что и добавлено. В этот момент горелка работает с номинальной мощностью.Более быстрое добавление топлива может фактически помешать процессу горения.

С практической точки зрения мощность горелки системы определяется размером топки и тем, насколько хорошо воздух может подаваться и распределяться по топливу. В целом, вы можете рассчитывать получить около 40 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади решетки при условии, что глубина достаточна. Это означает, что вы можете ожидать около 800000 БТЕ в час от топки 5 футов в длину и 4 фута в ширину.

Между площадью колосниковой решетки и глубиной топки существует более чем случайная зависимость.Топка должна быть максимально глубокой. Большая глубина обеспечивает большее перемещение пламени и лучшее перемешивание поднимающихся горячих газов для улучшения сгорания. В общем, глубина должна быть равна или больше наименьшего размера решетки. Например, если размер решетки составляет 5 на 8 футов, глубина топки должна быть не менее 5 футов. В таблице 1 показано предполагаемое соотношение между объемом топки и емкостью системы. Размеры не указаны, потому что размер и форма резервуара для хранения воды и свободное пространство, необходимое для пожарных труб, ограничивают глубину топки.Важно помнить, что высокие тонкие топки лучше, чем короткие толстые.

Выбор вытяжного вентилятора

Практические ограничения размеров топки и конструкции дымовой трубы обычно требуют создания тяги с помощью вентилятора.Были использованы следующие устройства и их комбинации:

• Вентилятор для подачи свежего воздуха под решетку;
• Баллончик для нагнетания свежего воздуха в топку над решеткой;
• Вытяжной вентилятор для подачи свежего воздуха в топку и через систему.

Использование вентиляторов для подачи воздуха в камеру сгорания имеет то преимущество, что вентиляторы остаются чистыми и охлаждаются воздухом, который они перемещают. Недостатком является то, что дым и искры могут выходить из любой трещины в топке, потому что давление внутри топки выше, чем снаружи.Если используется вытяжной вентилятор, любые утечки происходят внутрь. Недостатком является то, что тепло и копоть в дымовой трубе сильно влияют на систему вентиляторов, хотя существуют вентиляторы, разработанные специально для этой цели.

Скорострельность зависит от тяги. Вентилятор или вентиляторы с принудительной тягой должны подавать достаточно кислорода для максимальной ожидаемой скорости горения, но не должны обеспечивать больше этого количества. Слишком много воздуха охладит огонь и выбросит пепел в дымовые трубы. Например, чтобы определить размер стекового вентилятора, предположим, что максимальная мощность системы составляет 2 миллиона БТЕ в час.

2000000 БТЕ / час ÷ 6680 БТЕ / фунт древесины = 300 фунтов древесины / час

Для сжигания 1 фунта дров требуется около 6 фунтов воздуха. Следовательно, потребность в воздухе составляет:

6 фунтов воздуха / фунт древесины x 300 фунтов древесины / час = 1800 фунтов воздуха / час

Один фунт воздуха эквивалентен примерно 13,5 кубическим футам. Таким образом, необходимый объем воздуха составляет:

1800 фунтов воздуха / час x 13,5 кубических футов / фунт воздуха = 24 300 кубических футов воздуха / час или 405 кубических футов / мин (куб. Футов в минуту)

Обычно для эффективного сгорания требуется около 50 процентов избыточного воздуха.Следовательно, требуемый объем:

405 куб. Футов в минуту x 1,5 = 608 куб. Футов в минуту

Так как мы определяем объем воздуха и газов, перемещаемых вытяжным вентилятором, мы должны учитывать добавление продуктов сгорания и влажности древесины к дымовым газам. Для древесины с влажностью 20 процентов, влажная основа (w.b.), отношение объема дымовой трубы к входящему воздуху составляет 1,16 моль дымовых газов на моль свежего воздуха.

Это соотношение рассчитано исходя из 100-процентного сгорания. Таким образом, объем выходящих продуктов сгорания составляет:

608 кубических футов в минуту входящего воздуха x 1.16 = 705 куб. Футов / мин

Наконец, объем необходимо отрегулировать в соответствии с температурой. Закон Чарльза гласит, что объем газа линейно увеличивается с его температурой. Чтобы использовать закон Чарльза, температуры по Фаренгейту должны быть преобразованы в температуры по шкале Ренкина (R), что достигается добавлением 460 ° к температуре по Фаренгейту.

При температуре входящего воздуха 510 ° R (50 ° F) и температуре дымовой трубы 760 ° R (300 ° F) скорректированный объем дымового газа составляет:

760/510 x 705 куб. Футов / мин = 1050 куб. Футов / мин

Таким образом, 608 кубических футов в минуту входящего воздуха соответствует общему объему 1050 кубических футов в минуту, выходящему через дымовую трубу.Подойдет типичный вентилятор мощностью 1100 кубических футов в минуту при статическом давлении воды 1 дюйм. Допущение статического давления воды в 1 дюйм будет более чем достаточно для компенсации газового трения в системе.

Вышеприведенные расчеты можно применить к системам различного размера. Размеры вентиляторов для различных систем указаны в таблице 2.

Двери с водяным охлаждением

Одной из наиболее часто встречающихся проблем в системах водяного отопления является деформация дверок топки.Двери должны быть большими для удобной топки. Одна сторона подвержена сильному нагреву камеры сгорания, в то время как другая часто окружена зимними температурами. Возникающие в результате сильные термические нагрузки могут деформировать двери. Хотя дверь, показанная на Рисунке 2, была сделана из стали ^1, ⁄ ₂ дюймов с существенным усилением, вскоре она так сильно покоробилась, что ее нельзя было закрыть.

Опыт показал, что эту проблему нельзя полностью устранить, хотя ее можно существенно уменьшить, охладив двери водой.Водяное охлаждение не только предотвращает коробление, но и позволяет рекуперировать больше тепла.

Двери с водяным охлаждением обычно имеют внутреннюю и внешнюю металлические поверхности, разделенные 2- или 3-дюймовыми полостями, через которые может циркулировать вода. Часть выхода циркуляционного насоса воды отводится в полость двери. В полость обычно устанавливаются перегородки для обеспечения хорошей циркуляции и равномерного охлаждения.

Конструкция решетки

Для максимального удобства и эффективности в нижней части топки необходимо предусмотреть решетку.Идеальная решетка позволяет золе просачиваться сквозь нее, но сохраняет большую часть древесины и древесного угля и обеспечивает непрерывный поток воздуха через всю площадь решетки без периодического перемешивания или встряхивания. На каждые 1000 БТЕ номинальной мощности необходимо не менее 5 квадратных дюймов площади решетки. Например, для системы мощностью 200 000 БТЕ / час потребуется:

200 x 5 = 1000 квадратных дюймов

Одна тысяча квадратных дюймов равна примерно 7 квадратным футам. Следовательно, решетки шириной 2 фута и длиной 3 ¹ ⁄ ₂ футов будет достаточно для системы с номинальной производительностью 200 000 БТЕ / час.

Создать удовлетворительную решетку сложно. Лучше всего подходят чугунные решетки, но их трудно найти, они дороги и имеют тенденцию со временем трескаться и выгорать. Пластина из мягкой стали толщиной от ¹ ⁄ _{2 от} дюймов до 1 дюйма будет деформироваться при нагревании, если она не будет хорошо поддерживаться снизу. Однако решетчатые опоры затрудняют удаление золы. Использованные железнодорожные рельсы, перевернутые вверх ногами, с умеренным успехом использовались для формирования решеток. Стандартные 80-фунтовые рельсы, расположенные на расстоянии ¹ ⁄ ₂ на расстоянии 1 дюйма друг от друга, будут охватывать 6 футов без поддержки.Рельсы изготовлены из марганцевой легированной стали, их трудно сваривать и резать. Однако они умеренно устойчивы к высокотемпературной эрозии и относительно недороги, если покупать их на свалке металлолома.

Накопление древесного угля во время непрерывного горения может привести к закупорке решеток и нарушению циркуляции воздуха. Установка вентилятора высокого давления под решеткой гарантирует поддержание минимального потока воздуха и ускоряет сжигание древесного угля. Остальной воздух для горения может подаваться через вентиляционное отверстие или дополнительный вентилятор над решеткой.

Рис. 1. Типовая система водяного отопления.

Рисунок 2.Двери должны иметь водяное охлаждение, чтобы они не коробились от сильного жара.

Самая заметная часть системы горячего водоснабжения — это бак для воды. Стандартные резервуары для систем водяного отопления доступны в различных размерах, объемах и толщинах стенок.Подземные резервуары имеют более толстые стенки, чем надземные, что делает их намного лучше для сварки. Если у вас есть выбор, лучше использовать короткий резервуар большого диаметра, чем длинный и тонкий, потому что более короткий резервуар имеет меньшую площадь поверхности, что снижает потери тепла и стоимость изоляции. В таблице 3 приведены размеры и вместимость широкого диапазона стандартных резервуаров для хранения нефти.

Хотя лучше всего использовать новый резервуар, многие успешные системы были созданы с использованными резервуарами.Резервуары для хранения отработанного масла часто можно получить просто по запросу. Если вы решили попробовать использованный резервуар, внимательно осмотрите его на предмет дырок или тонких пятен. Также узнайте, какая жидкость хранилась в резервуаре. Внимание! Запрещается сваривать или резать резервуар, который, как вы подозреваете, содержит легковоспламеняющиеся материалы, если он не будет тщательно очищен и вентилирован. Один из методов удаления остатков масла или бензина из большого бака — смешать примерно 2 фунта моющего средства на тысячу галлонов емкости с достаточным количеством воды, чтобы растворить его, и вылить этот раствор в бак.Затем полностью наполните резервуар водой и дайте ему постоять несколько дней, прежде чем слить его и приступить к работе.

Теплоемкость

Как упоминалось в предыдущем разделе, одним из показателей емкости системы является ее способность аккумулировать тепло. Вода — одно из наименее дорогих и наиболее легко перемещаемых и контролируемых веществ. Это также один из лучших известных носителей тепла. Вода может хранить в четыре или пять раз больше тепла, чем камень, в десять раз больше, чем большинство металлов, и примерно в четыре раза больше, чем воздух на единицу веса.Его единственный недостаток заключается в том, что он не может сохранять тепло при температуре выше 212 ° F, если он не находится под давлением. Это ограничивает его пригодность для высокотемпературных приложений. Однако для систем отопления помещений в теплицах и других сельскохозяйственных, коммерческих или жилых помещениях это ограничение обычно не является проблемой.

По определению, одна британская тепловая единица (BTU) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Галлон воды весит примерно 8.3 фунта, поэтому тепловая энергия, необходимая для повышения температуры галлона на 100 ° F, составляет:

8,3 фунта x 100 ° F = 830 БТЕ

Для сравнения, для повышения температуры 8,3 фунта гравия на 100 ° F потребуется всего около 166 БТЕ.

Как указывалось ранее, воду нельзя нагревать до температуры выше 212 ° F при атмосферном давлении. Эта температура определяет верхний предел количества тепла, которое может сохранять вода без давления. Нижний предел устанавливается желаемой температурой нагрузки.Например, если в теплице должна содержаться температура 65 ° F, то эта температура является нижним пределом. Разница между верхней и нижней границей,

212 ° F — 65 ° F = 147 ° F

показывает, сколько тепла может удержать данный объем воды.

На самом деле, снижать температуру хранения до нижнего предела непрактично. Скорость передачи тепла к нагрузке (например, от радиаторов к воздуху внутри теплицы) значительно снижается, когда температура нагретой поступающей воды приближается к температуре воздуха нагрузки.По этой причине желательно поддерживать более низкую температуру хранения воды по крайней мере на 35 ° F выше желаемой температуры загрузки. Следовательно, в предыдущем примере нижний предел температуры будет 100 ° F, а разница температур будет не 147 ° F, а

.

212 ° F — (65 ° F + 35 ° F) = 112 ° F

Следовательно, диапазон температур хранения воды ограничен 112 ° F. Используя эту информацию в качестве руководства, теперь мы можем определить, какой объем памяти необходим.

Если заданная тепловая нагрузка определена как 200000 БТЕ в час и желательно иметь 6 часов нагрева после тушения пожара, количество воды должно быть достаточным для хранения:

200000 БТЕ / час x 6 часов = 1200000 БТЕ

Для подъема одного фунта воды на 1 ° F требуется 1 БТЕ.В каждом фунте воды может храниться только 112 БТЕ. Следовательно, необходимое количество воды составляет:

1,200,000 БТЕ ÷ 112 БТЕ / фунт = 10714 фунтов

Поскольку вода весит 8,3 фунта на галлон, 10 714 фунтов воды равны 1291 галлону.

На практике максимальная температура воды редко превышает 200 ° F; следовательно, требуется емкость, немного превышающая 1291 галлон.

Эти расчеты предполагают, что тепло не теряется из резервуара или из труб, по которым вода идет к загрузке и от нее.Эти потери могут быть значительными в зависимости от того, насколько хорошо изолирована труба, расстояния от резервуара до груза и температуры наружного воздуха.

Это очень хорошая идея — установить термометр на выпускной линии резервуара. Это даст точную индикацию температуры воды внутри резервуара. Падение температуры воды более чем на 20 ° F в час является хорошим признаком того, что резервуар для воды слишком мал, поскольку цель системы горячего водоснабжения — обеспечить постоянный источник тепла без необходимости постоянно разжигать огонь.

Также хорошей идеей является установка термометра на линиях с обеих сторон нагрузки — например, на впускной и выпускной линиях радиатора или ряда радиаторов. Это позволяет определить не только, сколько энергии теряется между баком и грузом, но и насколько эффективно радиаторы извлекают тепло из воды.

Для оптимальной конструкции системы емкость накопителя должна основываться на максимальной номинальной мощности горелки, требуемой тепловой нагрузке и максимальном промежутке времени между загрузками топлива.Следующее обсуждение показывает, как взаимодействуют эти три фактора.

Предположим, как в приведенном выше примере, что требуемая средняя тепловая нагрузка составляет 200 000 БТЕ в час. Это означает, что в течение обычного часа работы требуется 200 000 БТЕ тепла. Вероятно, что посреди очень холодной ночи количество необходимого тепла превысит это количество. Но для того, чтобы иметь достаточно тепла, мощность горелки должна как минимум равняться средней нагрузке плюс потери. С практической точки зрения рекомендуется, чтобы горелка была рассчитана на 1,5–2-кратную среднюю тепловую нагрузку.Горелка большего размера может производить тепло для хранения, а также для немедленного использования в периоды средней нагрузки.

Помимо энергии, хранящейся в горячей воде (накопительный бак), в системе также можно хранить тепловую энергию в виде несгоревшей древесины. Это называется хранилищем топки. В ожидании очень холодной ночи оператор теплицы может топить систему в течение дня, чтобы постепенно поднять температуру воды примерно до 212 ° F. Несмотря на то, что вода уже удерживает количество тепла, близкое к максимальному, оператор может снова заполнить топку непосредственно перед тем, как уйти на ночь.Это дополнительное топливо добавляет энергии системе. Горящее топливо может просто заменить уходящее тепло и, таким образом, поддерживать высокую температуру воды. Однако, если дополнительное топливо слишком быстро добавляет слишком много тепла, вода в баке закипит, и энергия будет потрачена впустую в виде пара.

Маловероятно, что система горячего водоснабжения во время реальной эксплуатации будет подвергаться очень большим колебаниям нагрузки. Другими словами, не требуется производить максимальную производительность один час и никакой в ​​последующие.Скорее, постепенное увеличение и уменьшение обычно происходит в течение дня по мере изменения наружной температуры и многих других факторов. С другой стороны, тепло, подаваемое в систему от огня, обычно бывает довольно спорадическим, в зависимости от того, сколько и как часто добавляется топливо. Ценность системы горячего водоснабжения частично основана на ее способности быстро накапливать тепловую энергию, но медленно выделять ее с контролируемой скоростью.

Если горелка вырабатывает больше тепла, чем используется системой, дополнительное тепло будет сохраняться при условии, что емкость аккумулирования не была превышена.При превышении емкости вода закипает. Когда это происходит, избыточное тепло уходит из системы в виде пара. Энергия, необходимая для кипячения воды, просто тратится зря. Частое кипение в системе горячего водоснабжения указывает на то, что горелка слишком велика, или она слишком часто зажигается, или что емкость аккумулирующей тепло системы слишком мала.

Если емкость аккумулирования тепла недостаточна, одно решение — добавить еще один бак. Тандемный резервуар обычно располагается как можно ближе к основному резервуару и соединяется впускной и выпускной трубой и насосом (Рисунок 3).Таким образом, емкость хранилища может быть довольно легко увеличена без нарушения работы остальной системы. Между двумя баками всегда необходимо непрерывно перекачивать воду, чтобы тепло распределялось равномерно. Это можно сделать, добавив дополнительный насос или используя часть потока от существующего насоса, если он имеет избыточную производительность.

Система горячего водоснабжения не является паровой; то есть в системе никогда не бывает другого давления, кроме давления, создаваемого насосами. Из бака для горячей воды необходимо удалить воздух, чтобы предотвратить повышение давления, когда вода нагревается и расширяется или превращается в пар.Невентилируемый накопительный бак чрезвычайно опасен . В верхней части бака требуется как минимум два вентиляционных отверстия. Еще лучше то, что люк, который обычно вырезается в верхней части резервуара во время строительства, можно оставить открытым, но накрыть куском листового металла.

Изоляция

Необходимо изолировать бак и все трубы, чтобы предотвратить утечку тепла. Для наружных резервуаров подходит полиуретановая изоляция, напыляемая напылением, особенно если она окрашена и защищена от прямого воздействия огня и солнечных лучей.Покрытие толщиной 1 дюйм, обеспечивающее класс изоляции R-7, стоит около 1 доллара за квадратный фут. Например, для резервуара емкостью 2000 галлонов диаметром 64 дюйма и длиной 12 футов изоляция будет стоить приблизительно 250 долларов. В таблице 4 приведены расчетные значения теплоизоляции резервуаров различной толщины из полиуретана.

Эта таблица показывает, что затраты на нанесение минимального количества изоляции можно легко оправдать за счет экономии затрат на электроэнергию.Однако дополнительные затраты на изоляцию толщиной более ¹ ⁄ ₂ дюймов трудно оправдать.

Один из вариантов — разместить систему под односкатной крышей, где ее можно изолировать относительно недорогими войлоками из стекловолокна. Стекловолокно, которое может иметь основу из алюминиевой фольги, может удерживаться на месте проволочной сеткой с крупными ячейками. Стоимость навеса, изоляции, пленки, провода и рабочей силы может быть больше, чем стоимость напыленной полиуретановой изоляции, но этот тип изоляции, вероятно, прослужит намного дольше и даст лучшее значение R.

Защита от ржавчины

Рекомендуется использовать какие-либо меры по предотвращению ржавчины для защиты внутренней части резервуара и труб от коррозии. Существует ряд доступных коммерческих химикатов, предназначенных в первую очередь для использования в высокотемпературных котлах. Некоторые из них были бы довольно дорогими в количестве, необходимом для защиты системы горячего водоснабжения средних размеров.

Один метод, который был признан подходящим для систем горячего водоснабжения, — это добавление некоторых относительно недорогих химикатов для повышения pH воды.Среди них карбонат калия, карбонат натрия (стиральная сода) и гексаметафосфат натрия (Калгон). Эти химические вещества предотвращают коррозию, покрывая металлические стенки систем. Из упомянутых выше химикатов лучше всего работает Калгон. Его можно купить в большинстве продуктовых магазинов. Используйте 5 фунтов на каждые 1000 галлонов воды. В нормальных условиях ни один из этих химикатов не разлагается и, следовательно, остается активным в системе в течение длительного времени.

Пожарные

Хотя некоторое количество тепла проходит к воде через стенки топки, основной путь тепла от огня к воде проходит через дымовые трубы.Большинство систем спроектировано так, что горячие газы, выделяемые при пожаре, проходят через серию пожарных труб, которые проходят от одного конца резервуара для хранения к другому. Во многих системах газы проходят через резервуар более одного раза.

Очень важно, чтобы количество и размер пожарных трубок были достаточными, чтобы большая часть тепла передавалась от горячих газов воде до выхода газов. Как показывает практика, на каждые 2000 БТЕ номинальной мощности требуется около 1 квадратного фута площади теплообмена.Например, если система рассчитана на производство 200 000 БТЕ в час, потребуется около 100 квадратных футов площади теплообмена. Эта область может включать охлаждаемую водой поверхность топки, а также сами дымовые трубы. Обе эти области часто называют поверхностью очага.

Для расчета площади используется внешний диаметр трубок. В таблице 5 перечислены несколько часто используемых размеров стандартных труб, а также их фактический внешний диаметр и количество ходовых футов, необходимых для получения 1 квадратного фута площади поверхности.

Правильный размер трубы зависит от ряда факторов.В примере системы с производительностью 200 000 БТЕ в час требуется 100 квадратных футов площади теплообмена. Из таблицы 1 рекомендуемый объем топки составляет 9 кубических футов. Подходящая топка с таким объемом должна иметь длину 1 ¹ ⁄ ₂ футов, ширину 2 фута и высоту 3 фута. Площадь топки составляет 27 квадратных футов (включая дверь с водяным охлаждением). Таким образом, топка обеспечит 27 квадратных футов необходимых 100 квадратных футов. Остальные 73 квадратных фута должны обеспечивать пожарные трубы.

Чтобы найти длину трубы заданного диаметра, необходимую для обеспечения желаемой площади поверхности, умножьте числа в третьем столбце таблицы 5. Например, если вы выбрали 1 ¹ ⁄ ₂ -дюймовая труба, умножьте 73 погонных футов на 2,01:

73 футов x 2,01 фут / кв. Фут = 146,72 футов

Около 147 погонных футов 1 ¹ ⁄ ₂ -дюймовой трубы требуется для получения 73 квадратных футов площади теплообмена. С другой стороны, если вы используете 3-дюймовую трубу, вам понадобится всего около 80 футов:

73 фута x 1.09 фут / кв фут = 79,73 фут

Какой размер лучше? Если рассматривать строго с точки зрения затрат, нет большой разницы между 147 футами трубы 1 ¹ ⁄ ₂ дюймов и 80 футами трубы 3 дюйма. Однако сваривать трубу большего размера намного проще. Кроме того, необходимо время от времени очищать внутреннюю часть трубы от золы, сажи и других отложений. Очистить более короткую длину и большую трубу проще. Однако большее количество труб меньшего размера будет несколько более эффективным в передаче тепла.Опыт показал, что в целом лучше всего подходят трубы диаметром от 2 до 3 дюймов.

Отложения золы в дымовых трубах значительно снизят скорость теплопередачи. Хорошо иметь способ определить, насколько хорошо они работают. Один из лучших и наименее дорогостоящих методов — разместить высокотемпературный термометр в точке, где газы покидают пожарные трубы и запускают дымовую трубу. Чем ближе температура воды, тем эффективнее отвод тепла от пожарных труб. Температура газа от 300 до 350 ° F указывает на эффективную теплопередачу.Температура газа более 450 ° F указывает на то, что площадь теплообмена слишком мала или на дымовые трубы нанесено покрытие.

Стратификация

Любопытное состояние иногда возникает в средних и больших системах. Несмотря на то, что топка постоянно топится, и видно, как вода кипит из верхней части резервуара, температура воды, забираемой из резервуара для распределения, составляет всего 170–180 ° F. Такая ситуация возникает в системах, в которых вход и выход находятся около дна резервуара и нет вспомогательного циркуляционного насоса, поддерживающего движение воды.Это состояние называется стратификацией и возникает, когда вода при разных температурах разделяется на отдельные слои, при этом самая теплая вода остается наверху. Стратификация может происходить в любой системе, но обычно более выражена в крупных.

Плотность воды при 100 ° F примерно на 3,5 процента больше, чем при 200 ° F. Подобно воздуху, горячая вода поднимается, а холодная опускается. Чтобы предотвратить расслоение, воду необходимо поддерживать в движении. Один из способов — подсоединить возвратные трубы в верхней части бака над топкой (самая горячая часть системы) и забрать воду из нижней части бака с другого конца.Проблема с этим подходом заключается в том, что распределительные насосы могут не работать все время, и при выключении насосов может возникнуть расслоение.

Лучшее решение — установить непрерывно работающий вспомогательный циркуляционный насос для перемещения воды из самой холодной в самую горячую часть резервуара. Постоянное перемешивание воды предотвратит расслоение. Циркуляционный насос не обязательно должен быть большим, так как необходимо преодолеть очень небольшой напор. Он должен быть способен перекачивать от 0,2 до 0,5 производительности системы в час.Например, система на 2000 галлонов должна иметь насос, способный перекачивать от 400 до 1000 галлонов в час. Обычно достаточно электрического насоса мощностью ¹ ⁄ ₆ до ¹ ⁄ ₂ лошадиных сил.

Рисунок 3. Дополнительный резервуар увеличит емкость хранилища.

Трубопровод

Вода не только сохраняет тепло, но и передает тепло туда, где оно используется.Распределительный насос должен иметь подходящий размер для работы. Если насос слишком мал, он не будет перекачивать достаточно тепла к нагрузке. Если он слишком большой, это приведет к потере энергии. Подбор насоса — довольно сложный вопрос, поскольку он зависит от ряда взаимосвязанных факторов. К ним относятся размер груза, расстояние между баком и грузом, количество различных теплообменников в системе и размер используемой трубы. В таблице 6 приведены размеры труб для различных тепловых нагрузок. Эти скорости потока и размеры труб рассчитаны с учетом нормального падения температуры на 25 ° F при прохождении воды через теплообменник.

За исключением жилых помещений, большинство систем горячего водоснабжения поставляют тепло более чем в одно место.Например, несколько отдельных теплиц или помещений для выдержки могут получать тепло от одной и той же системы. Горячая вода подается к каждой загрузке по большим магистральным распределительным и обратным линиям. Каждая нагрузка имеет свой собственный насос и подключена к основным линиям параллельно, что делает ее управляемой независимо (Рисунок 4). Каждое параллельное соединение должно иметь обратный клапан для предотвращения обратного потока, когда тепло не требуется.

Насосы

обычно оцениваются по количеству галлонов в минуту, которые они обеспечивают при определенном напоре или общем сопротивлении.Это полное сопротивление представляет собой сумму сопротивлений каждой отдельной части системы, через которую вода проходит в своем контуре к насосу и от него. Сопротивление обычно выражается в количестве футов «головы», хотя оно также может быть выражено в фунтах на квадратный дюйм. Напор — это гипотетическая высота воды, против которой должен работать насос; чем больше голова, тем больше сопротивление.

По мере увеличения сопротивления расход уменьшается. Например, определенный насос может быть рассчитан на 50 галлонов в минуту на высоте 10 футов, но только 15 галлонов в минуту на высоте 30 футов.Один фут напора эквивалентен 0,43 фунта на квадратный дюйм (psi). При выборе насоса важно выбрать насос, рассчитанный на работу с горячей водой при температурах до максимально ожидаемых.

Во многих системах используются стандартные стальные трубы и резьбовые соединения. Они относительно недорогие и подходят для горячего водоснабжения. В некоторых новых системах используются пластиковые трубы. Полиэтилен (черный пластик) и трубы из ПВХ не выдержат длительного использования горячей воды при умеренном давлении. Однако два типа пластиковых труб — ХПВХ и полибутилен — предназначены для горячего водоснабжения.ХПВХ — это жесткая пластиковая труба, похожая на ПВХ. Если используется труба из ХПВХ, все фитинги, такие как соединители, переходники и колена, также должны быть изготовлены из ХПВХ. Полибутиленовая труба также требует специальных соединителей, но она гибкая и с ней значительно легче работать. Однако он еще не доступен в размерах больше 1 дюйма.

Изоляция труб

Для повышения эффективности важно, чтобы распределительные трубы как к нагрузке, так и от нее были изолированы. Количество тепла, которое может быть потеряно на отрезке трубы, является значительным и зависит от ряда факторов.К ним относятся температура воды, проходящей через трубу, температуру и движение воздуха, окружающего трубу, тип материала трубы, а также состояние поверхности и толщину стенки трубы. Неизолированная распределительная труба горячей воды может терять от нескольких сотен до нескольких тысяч БТЕ в час, в зависимости от условий и длины.

Если трубы должны быть проложены над землей, будет достаточно покрытия из стекловолокна, защищенного от дождя несколькими слоями устойчивой к солнечному свету пластиковой пленки.Любая изоляция, особенно стекловолокно, пропитанная водой, теряет почти все свои изоляционные свойства. Изоляция труб из пенопласта в виде разъемных трубок также хорошо работает, если она защищена от солнечных лучей.

Трубопровод, прокладываемый под землей, намного труднее изолировать. Просто закапывать трубу в землю без изоляции — очень плохая практика, поскольку влажная холодная почва является очень хорошим проводником тепла. Большинство изоляционных материалов из вспененного пенопласта, например, из пенопласта, изготовлено из пенопласта с закрытыми порами, что означает, что он не пропитается водой и, следовательно, сохранит свои изоляционные свойства под землей.Если вам необходимо проложить трубу под землей, убедитесь, что земля остается как можно более сухой.

Напыляемая полиуретановая изоляция, обычно используемая на резервуарах, может также использоваться для изоляции подземных труб, поскольку она относится к типу с закрытыми ячейками. Чтобы использовать этот метод, вырывается траншея шириной от 4 до 6 дюймов и глубиной от 12 до 14 дюймов. Трубы поддерживаются на расстоянии 2 или 3 дюймов от дна, а в траншею распыляется от 4 до 5 дюймов изоляции, которая полностью окружает и покрывает трубы. После схватывания изоляции траншея засыпается землей.

Независимо от того, какой метод используется для изоляции трубы, важно не забыть изолировать обратную трубу, а также трубу, идущую к нагрузке. Несмотря на то, что большая часть тепла была удалена из возвратной воды, любая энергия, потерянная в трубе, должна быть восполнена. Для повышения температуры 1 фунта воды с 80 до 85 ° F требуется такое же количество тепла, как и для повышения температуры с 200 до 205 ° F.

Рисунок 4.Типовая схема мультизагрузочной системы.

Важной частью любой системы горячего водоснабжения является теплообменник или радиатор. Если его размер неверен или поток воздуха через него недостаточен, производительность системы может сильно пострадать.К счастью, теплообменники бывают разных размеров. Доступен широкий ассортимент коммерческих радиаторов, разработанных специально для систем горячего водоснабжения. Большинство из них могут работать при давлении воды от 50 до 60 фунтов на квадратный дюйм и имеют резьбовые фитинги для подключения к распределительной системе.

Очень подходящей альтернативой коммерческому радиатору является новый или подержанный автомобильный радиатор. Они доступны во многих различных размерах и могут быть куплены на большинстве складов и в магазинах запчастей.У многих дилеров есть новые радиаторы для старых автомобилей, которые они могли бы продать по сниженным ценам. Однако автомобильные радиаторы, как правило, не подходят для воды с давлением выше 15-20 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничение не должно быть проблемой, если размер насоса и распределительных труб правильный. Тем не менее, автомобильные радиаторы потребуют некоторых модификаций, включая закрытие заливных и переливных отверстий и изменение перехода от резинового шлангового фитинга к распределительной трубе.

Характеристики теплопередачи любого радиатора зависят от ряда факторов.Наиболее важными являются расход и температура водяных и воздушных потоков. Как правило, чем больше разница температур между водой и воздухом, тем быстрее передается тепло. Кроме того, чем больше воды и воздуха проходит через радиатор, тем больше передается тепла. Также важны такие факторы, как конструкция радиатора, количество и расположение ребер, а также материал, из которого изготовлен радиатор. Например, в типичных условиях эксплуатации многие коммерческие теплообменники, разработанные специально для горячего водоснабжения, производят около 20 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади поверхности.

Поскольку большинство радиаторов имеют схожие характеристики теплопередачи, решающим фактором при определении мощности является их физический размер. Испытания показали, что автомобильные радиаторы могут передавать от 16 000 до 20 000 БТЕ в час на квадратный фут поверхности лица (от 140 ° F воды до 70 ° F воздуха). Например, радиатор шириной 1 ¹ ⁄ ₂ футов и высотой 2 фута имеет площадь 3 квадратных фута. Таким образом, он может передавать от 48 000 до 60 000 БТЕ в час.

Управление системой горячего водоснабжения довольно простое.Обычно они состоят из термостата, подключенного к реле, которое управляет отдельным насосом для каждой нагрузки. Электродвигатель вентилятора, который продувает воздух через радиатор, также может быть подключен к тому же реле, поскольку он не должен работать, когда насос выключен. Такое расположение позволяет управлять каждой нагрузкой независимо. В некоторых системах насосу разрешается работать непрерывно, а вентилятор управляется термостатом.

Большинству больших систем требуется вытяжной вентилятор, как описано ранее, для обеспечения надлежащего сгорания.Вытяжной вентилятор обычно работает всякий раз, когда в топке возникает пожар. Когда нет огня, он не должен работать, и его можно отключить вручную. Однако этот механизм не работает, когда систему топят, а затем оставляют без присмотра на длительное время, например, на ночь. Когда поле израсходуется, вентилятор продолжит работу, втягивая холодный воздух через пожарные трубы и, таким образом, охлаждая воду. Важно помнить, что дымовые трубы являются теплообменниками, и что тепло будет течь от горячей воды к охлаждающим трубам, а также наоборот.Одним из решений является установка термостата в дымовой трубе, чтобы останавливать вентилятор, когда температура падает примерно до 200 ° F, то есть когда в воду больше не поступает тепло. Может потребоваться ручное управление, чтобы разжечь огонь, когда система остыла.

Древесина — отличное топливо. По сравнению с большинством других видов топлива оно недорогое, его довольно легко хранить, его можно использовать в различных формах и размерах, и оно широко распространено в Северной Каролине.По оценкам, в этом штате в качестве топлива доступно более 14 миллионов тонн древесины в год.

Хотя это хорошее топливо, у дерева есть недостатки. Он содержит меньше энергии на фунт, чем большинство других видов топлива. Количество полезной энергии в образце древесины может широко варьироваться в зависимости от содержания влаги и породы.

Растущее дерево обычно наполовину состоит из воды. Когда дерево спиливается, древесина начинает терять влагу в окружающий воздух. Древесина, которая была свежесрезана и содержит высокий процент влаги, часто называют зеленой древесиной .После того, как древесина высохла в течение определенного периода времени (обычно несколько месяцев или более, ее называют выдержанной или сухой древесиной. По мере того, как древесина теряет влагу, ее влажность постепенно приближается к содержанию влаги от 12 до 15 процентов. Это значение называется равновесное содержание влаги (EMC). Фактическое процентное содержание определяется долгосрочным средним значением температуры и относительной влажности воздуха, окружающего древесину. Хотя было бы желательно, но нецелесообразно удалять всю воду из дрова.

Влажность топливной древесины обычно выражается в процентах от общей сырой массы. Например, если определенный кусок дерева весит 7 фунтов 6 унций (118 унций), но после высыхания кости весит всего 5 фунтов 4 унции (84 унции), исходное содержание влаги в древесине выражается как:

118 — 84 = 34 унции воды

34 ÷ 118 = 0,288 или 28,8 процента

Это означает, что вода составляла 28,8% от веса влажной древесины.Содержание влаги, выраженное в процентах от сырого веса, часто обозначается сокращенно m.c.w.b. (влажность, влажная основа).

Эффективное теплосодержание древесного топлива снижается за счет содержащейся в нем влаги двумя способами. Во-первых, чем больше воды в данном куске дерева, тем меньше в нем древесины. Во-вторых, часть топлива, содержащегося в древесине, используется для испарения воды при сжигании древесины. Приблизительно 1000 БТЕ тепловой энергии требуется для испарения каждого фунта воды в древесине.Кусок дерева содержит одинаковое количество энергии, будь то зеленый или сухой. Однако зеленая древесина плохо горит, потому что часть энергии уходит на испарение лишней воды. В таблице 7 приведена чистая энергетическая ценность (теплотворная способность) древесины при различной влажности.

Обратите внимание, что правильно выдержанная древесина имеет на 88 процентов более высокую теплотворную способность (по весу), чем сырое дерево.Также обратите внимание, что зеленая древесина весит почти вдвое больше, чем выдержанная древесина. Кусок зеленого дерева весом в 1 фунт весит всего 0,59 фунта при выдержке. Кусок дерева, сгоревший в «зеленом» состоянии, дает примерно половину тепла, чем при правильной выдержке. Вот почему очень важно правильно выдерживать дрова. Для древесины, оставленной в виде цельного бревна, диаметром 12 дюймов или меньше, может потребоваться целый год, чтобы приправить ее должным образом. В идеале древесину, которая будет использоваться зимой, следует заготавливать предыдущим летом и дать ей высохнуть.Таким образом, древесина сушится за счет летнего тепла, а не за счет части энергии, содержащейся в самой древесине. Конечно, древесина, которой разрешили сезон, высохнет намного быстрее, если ее расколоть и хранить под навесом.

Плотность

Опыт показал, что дуб лучше для обогрева древесины, чем сосна, потому что дуб намного плотнее. Кубический фут высушенного на воздухе дуба весит около 42 фунтов, тогда как кубический фут высушенного воздухом сосны лоблоли весит около 32 фунтов. Таким образом, дуб примерно на 32 процента плотнее сосны, а дубовый шнур обычно содержит на треть больше энергии, чем сосновый шнур.Это важное соображение, поскольку дрова обычно покупаются и продаются за шнур, который является мерой объема, а не веса. Важно помнить, что почти все породы древесины содержат примерно одинаковое количество энергии. Вы получаете больше фунтов древесины — и, следовательно, больше тепловой энергии — в веревке из более плотной древесины.

Другие виды топлива

Очень широко распространено мнение, что некоторые мягкие породы древесины, такие как сосна, производят больше смолы или креозота, чем лиственные породы.Многочисленные тесты показали, что это не так. Фактически, недавние испытания не показали заметной разницы в выходе смолы между сосной и дубом. При правильном сжигании древесины смола не образуется.

Помимо более традиционных форм древесного топлива, таких как щепа и дрова, колотые или круглые, могут быть доступны древесные отходы. Это могут быть древесные отходы мебельных заводов или обрезки пиломатериалов со стройплощадок или сносов. Все эти породы дерева подходят для использования. Однако следует помнить одну очень важную вещь: ни в коем случае нельзя сжигать обработанную древесину.Древесина, обработанная креозотом из каменноугольной смолы, например, железнодорожные шпалы или опоры, сильно горит и выделяет густой черный токсичный дым. Древесина, обработанная такими соединениями, как хромированный арсенат меди (CCA), обычно имеет зеленовато-желтый или коричневый цвет и при горении выделяет очень токсичный дым. Обработка или вдыхание золы пиломатериалов, обработанных CCA, может вызвать острое отравление. Даже относительно небольшое количество обработанной древесины, смешанной с необработанной древесиной, может вызвать серьезные проблемы. Будьте осторожны и знайте, какой вид топлива вы используете.

Сравнение стоимости топлива

Сравнение древесины и мазута № 2 показывает, что энергосодержание различных видов топлива, обычно называемое удельной энергией, может широко варьироваться. Например, мазут номер 2 содержит около 19 000 БТЕ на фунт, тогда как сухая древесина содержит около 8 600 БТЕ на фунт. В пересчете на фунт за фунт мазут имеет более чем в два раза больше энергии, чем древесина. Однако сравнение удельной энергии древесины и мазута говорит только об этом.

При цене 1 доллар за галлон фунт мазута стоит около 13 центов. При цене 40 долларов за шнур фунт древесины белого дуба стоит менее одного цента. Таблица 7 показывает, что фунт правильно выдержанной древесины содержит около 7 160 БТЕ.

Следующие расчеты сравнивают эти виды топлива на основе стоимости на миллион БТЕ:

Мазут: 0,13 доллара за фунт ÷ 9000 БТЕ / фунт x 1000000 = 6,84 доллара за миллион БТЕ

Древесина: 0,008 долл. США / фунт ÷ 7 160 БТЕ / фунт x 1000000 = 1,12 долл. США за миллион БТЕ

Эти расчеты показывают, что стоимость мазута более чем в шесть раз превышает стоимость древесины, необходимой для производства того же количества тепла.Таким образом, древесина имеет большое преимущество в стоимости перед большинством других видов топлива.

Возражения против использования древесины в качестве источника энергии обычно связаны с удобством. В очень холодную погоду большинство систем горячего водоснабжения, работающих на древесном топливе, необходимо топить хотя бы один раз за ночь. Конечно, есть недостатки в том, чтобы вставать в 2 часа ночи для запуска системы. С другой стороны, использование дерева определенно дает преимущество в стоимости.

При рассмотрении системы горячего водоснабжения, работающей на древесном топливе, нельзя упускать из виду два других важных сравнения.Один из них — системные затраты, а другой — эффективность. Стоимость установки системы правильного размера зависит от индивидуальных потребностей. Например, большинство нефтегазовых систем рассчитаны на отдельные теплицы и устанавливаются в них, тогда как одна большая система горячего водоснабжения может вместить множество теплиц или несколько помещений для сушки табака вместе с другими зданиями и жилым помещением.

Второй аспект, который следует учитывать, — это эффективность системы. Эффективность, которая обычно выражается в процентах, является мерой того, насколько хорошо система преобразует и доставляет химическую энергию, хранящуюся в топливе, в полезную тепловую энергию.Процентное соотношение описывает долю потребляемой энергии, которая фактически преобразуется и используется в качестве полезного тепла. Важно понимать, что общая эффективность также зависит от того, насколько хорошо система отводит тепло. Другими словами, недостаточно, чтобы система эффективно сжигала топливо, но тепло также должно доставляться с минимальными потерями к месту, где оно должно использоваться. В следующем примере показано, как рассчитывается общая эффективность:

Система водяного отопления, работающая на древесном топливе, как известно, сжигает 200 фунтов высушенной на воздухе древесины в час, за это время 2300 галлонов нагретой воды проходит через теплообменники теплицы с понижением температуры на 45 ° F.Температура воды в накопительном баке остается постоянной.

Энергетическая ценность высушенной на воздухе древесины составляет 7 160 БТЕ на фунт. Таким образом, энергия, выделяемая при сжигании 200 фунтов в час, составляет:

7160 БТЕ / фунт x 200 фунтов / час = 1432000 БТЕ / час

По определению, 1 БТЕ — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Один галлон воды весит 8,3 фунта; следовательно, тепловая энергия, отдаваемая системой, составляет:

2300 галлонов / час x 8.3 фунта / галлон x 45 ° = 859 050 БТЕ / час

Эффективность системы — это отношение выходной энергии к подводимой:

Общий КПД, E = выход энергии системы ÷ вход энергии в систему

E = 859 050 / 1,432 000

E = 0,60 или 60%

Эти расчеты предполагают, что температура воды в резервуаре для хранения остается постоянной и что падение температуры на 45 ° F включает потери в трубопроводах, по которым вода идет в теплицу и из нее.

Без некоторых довольно сложных тестов очень сложно определить точную эффективность нагревательного устройства. Однако таблица 8 показывает, что типичная эффективность обычных систем отопления сильно различается.

При исследовании общей стоимости отопления с использованием различных видов топлива очень важно сравнивать эффективность системы, особенно если разница в стоимости на миллион БТЕ между двумя альтернативными видами топлива очень мала. Эффективность системы в меньшей степени влияет на выбор лучшего топлива, поскольку разница в стоимости топлива увеличивается.В настоящее время существует значительная разница в стоимости между древесным топливом и другими широко используемыми видами топлива, чтобы сделать древесные системы рентабельными даже при довольно низкой эффективности. Очевидно, что при правильном проектировании для обеспечения максимальной эффективности использование деревянных систем обходится дешевле.

Значения в Таблице 9 основаны на эффективности, показанной в Таблице 8, и при предположении, что корд из выдержанной древесины весит 3492 фунта и содержит 7,160 БТЕ на фунт, мазут содержит 138000 БТЕ на галлон и что LP газ содержит 86 000 БТЕ на галлон.Стоимость владения и эксплуатации различных систем не включена.

Мы надеемся, что эта публикация помогла вам лучше понять, как работает правильно спроектированная система горячего водоснабжения, и определить, можете ли вы получить выгоду от ее установки.Если вы решите создать свою собственную систему, как это сделали многие, применение рекомендаций и процедур, приведенных в этой публикации, должно помочь вам построить высокоэффективную систему. Если вместо этого вы решите приобрести одно из имеющихся в продаже устройств, эта информация должна помочь вам выбрать лучшую систему для вашего приложения и эффективно управлять ею.

Для получения дополнительной информации о применении энергии на базе древесины см. Дополнительную публикацию AG-363, Руководство по энергии на базе древесины для сельского хозяйства и малых коммерческих предприятий .Кроме того, вам могут быть полезны следующие публикации:

Информационное руководство по энергии древесины. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1982.

Энергия древесины для малой энергетики в Северной Каролине. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1978 год.

Руководство для лиц, принимающих решения по древесному топливу для малых промышленных потребителей энергии. Голден, Колорадо: Исследовательский институт солнечной энергии, 1980.

Древесина как энергия, Обзор вопросов сельского хозяйства № 5.Вашингтон, округ Колумбия: Национальная сельскохозяйственная библиотека, Министерство сельского хозяйства США, 1984.

Водонагреватель на дровах — 1 000 000 БТЕ в час.

Водонагреватель на дровах — 2 000 000 БТЕ в час.

Майк Бойет

Philip Morris Professor
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

р.В. Уоткинс

Профессор
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

Дополнительную информацию можно найти на следующих веб-сайтах NC State Extension:

Дата публикации: янв.1, 1995
AG-398

N.C. Cooperative Extension запрещает дискриминацию и домогательства независимо от возраста, цвета кожи, инвалидности, семейного и семейного положения, гендерной идентичности, национального происхождения, политических убеждений, расы, религии, пола (включая беременность), сексуальной ориентации и статуса ветерана.

Как поддерживать домашний отопительный котел | Руководства по дому

Обслуживание домашнего котла всегда должно выполняться профессионалом, но вы можете выполнить некоторые небольшие виды обслуживания и самостоятельно.В зависимости от типа вашей системы — нагнетаемого воздуха, горячей воды или пара — вы можете проводить различные проверки технического обслуживания и очищать участки, требующие текущего обслуживания. Котлы в хорошем состоянии работают более эффективно и гарантируют, что ваша семья будет в безопасности от потенциальных опасностей.

Техническое обслуживание всех котлов

Осмотрите вентиляционную соединительную трубу и дымоход вашего котла, поскольку со временем эти детали изнашиваются. Убедитесь, что нет отверстий или трещин, и что все области, которые следует загерметизировать, не повреждены.

Проверьте теплообменник на правильность работы. В теплообменниках обычно течет вода, поэтому, если вы заметили утечку воды, скорее всего, проблема в этом.

Отрегулируйте органы управления котла таким образом, чтобы они обеспечивали оптимальный уровень эффективности и нагрева. Чем эффективнее система, тем больше денег ваша семья сэкономит на отоплении.

Техническое обслуживание систем нагнетания воздуха

Проверьте камеру сгорания котла на предмет трещин, из-за которых может происходить утечка газа.Проведите тест на угарный газ, и если вы обнаружите ненормальный уровень угарного газа, немедленно обратитесь к профессионалу, чтобы устранить проблему. Окись углерода может быть смертельной, поэтому размещение детектора в одной комнате с котлом имеет важное значение для безопасности.

Очистите и смажьте воздуходувку вашей системы, чтобы удалить с ее поверхности любую коррозию, пыль или отложения.

Отрегулируйте регулятор температуры нагнетателя и воздуха на желаемый уровень. Проверьте и отрегулируйте подачу топлива и характеристики пламени.

Закройте все отверстия или трещины в соединениях между котлом и основными воздуховодами для обеспечения эффективности и безопасности.

Техническое обслуживание систем горячего водоснабжения

Проверьте предохранительный клапан и регулирующий клапан верхнего предела на вашем котле, чтобы убедиться в их правильной работе. Для этого проведите рукой по сливным линиям, прикрепленным к клапану, чтобы проверить, горячие ли они, что означает, что клапан сброса давления открывается. Нагрев дренажной линии рядом с клапаном — это нормально.Поднимите контрольный рычаг на клапане. Если он работает нормально, вы услышите, как вода стекает по сливной линии предохранительного клапана. Чтобы проверить контроль верхнего предела, нажмите пилотную кнопку. Если не выпускается, выключите газ и замените вентиль.

Проверить напорный бак. Бак должен быть заполнен воздухом, но если он не работает должным образом, он будет заполнен водой.

Очистить поверхность котла и теплообменника.

Обслуживание паровых систем

Слейте немного воды из котла и поплавковой камеры.Это удаляет отложения с обеих сторон. Слив воды из котла улучшает функцию теплообмена, а слив воды из поплавковой камеры предотвращает засорение осадка в регуляторе отсечки низкого уровня воды.

Проверьте немного воды, которую вы слили из котла. При необходимости добавьте химические вещества, которые помогут предотвратить коррозию и контролировать естественные отложения. Вы можете сделать это, купив набор для тестирования воды. В основном вы проверяете щелочность, которая вызывает коррозию, и содержание кальция и магния, которые оставляют после себя осадок.Щелочность воды обычно составляет от 100 до 500 мг / л; однако немного более высокая щелочность также является нормальным явлением. Вода в вашем водонагревателе обычно содержит 21,8 мг / л кальция, а от 1 до 135 мг / л все еще в пределах нормы. В зависимости от вашего источника содержание магния может составлять от 2 мг / л до 111 мг / л. Если ваша вода находится за пределами любого диапазона, вы можете подумать о покупке смягчителя воды для своего дома.

Очистите и проверьте предохранительные устройства отключения по верхнему и нижнему пределу воды, а также теплообменник.