Системи за технологична топлина в индустрията

Технологичната топлина е ключов фактор в производството на повечето продукти, изработвани от метал, пластмаса, каучук, бетон, стъкло и керамика. Методите за директно нагряване генерират топлинна енергия в самия материал (например микровълнова технология, индукционно нагряване или контролирана екзотермична реакция), докато при индиректните методи енергията се пренася от топлинен източник до материала чрез топлообмен, конвекция, излъчване или комбинация от тези процеси. В повечето случаи е необходимо процесът на нагряване да бъде изолиран от околната среда по някакъв начин. Функциите на затворената зона включват, но не се ограничават до задържане на излъчването (микровълново или инфрачервено), улавяне на димните газове и летливите съединения, задържане на самия нагряван материал, контролиране на атмосферата, заобикаляща материала и др.

Индустриалните системи за технологична топлина могат да се класифицират в 4 основни категории – работещи на гориво, на електроенергия или на пара, както и други процеси, включващи регенериране на топлинна енергия, топлообменни системи. Изборът на енергиен източник зависи от наличността, разходите и ефективността, а при системите за пряко нагряване – и от съвместимостта на отработените газове с третирания материал. Съществуват и хибридни решения, използващи комбинация от системи за технологична топлина с различни енергийни източници или съчетаващи различни методи на нагряване с помощта на един и същ източник на енергия. Въпреки че парата се генерира посредством гориво или електроенергия, тя е основен източник на енергия за редица индустриални процеси, например подгряване на флуиди или сушене. В допълнение към парата в промишлеността се използват и няколко вторични енергийни източници – вода, горещ въздух и топлообмен с течности. Вторичните енергийни източници се генерират от отделна система.

Системи на гориво

При тези системи топлината се получава чрез изгарянето на твърди, течни ли газообразни горива и се пренася директно или индиректно към материала. Най-широко разпространени горива са изкопаемите и биомасата. Горивните газове могат да бъдат или в контакт с нагрявания материал (директно нагряване), или да бъдат отделени от него, например излъчващи тръби и панели, муфели. Твърди горива се използват в широк диапазон от горивни системи, включително с флуидизиран слой и решетка. Примери за оборудване за технологично подгряване, работещо на горива, са сушилни, нагреватели, пещи и топилни.

Работещото на гориво оборудване за технологична топлина се използва в индустрията за нагряване на материали в контролирани условия. Процесът на идентифициране на възможности и внедряване на подобрения е най-разходно ефективен, когато се осъществи чрез комбиниране на системен подход и анализ на вариантите за оптимизиране на експлоатационните параметри при подобен вид оборудване. Важно е да се има предвид, че определен тип оборудване за технологична топлина може да се използва за различни приложения, както и че за едно приложение могат да се използват редица видове съоръжения. Например една пещ с периодичен работен режим може да се използва за изпичане на покрития върху метални детайли в леярна, както и за термична обработка на стъклени продукти в завод за стъкло. Аналогично, покритията могат да бъдат изпичани в пещ или с периодичен, или с непрекъснат експлоатационен режим.

Възможностите за подобряване енергийната ефективност на системите за генериране на технологична топлина, работещи на гориво, са свързани с намаляване на загубите. Сред основните подходи са контролиране на съотношението въздух-гориво, редуциране на излишъка от въздух, предварително подгряване на горивния въздух, обогатяване с кислород.

Един от най-широко разпространените методи за повишаване на ефективността на горивните процеси е да се гарантира, че се използва подходящо съотношение между въздуха и горивото. Стехиометричното горене (когато компонентите са в теоретичното равновесие, описано от горивната реакция) не е практично, тъй като за пълно изгаряне ще е необходимо перфектно смесване на горивото с окислителя. Без наличието на излишък от окислител, неизгорели въглеводороди могат да постъпят в потока отработени газове, което може да е опасно и да навреди на околната среда. От друга страна, прекомерно голям излишък от въздух също не е желателен, защото ще отнема твърде много от генерираната топлинна енергия.

Необходимо е редуцирането на излишъка от въздух да се извършва внимателно, тъй като от него зависи безопасността на горене. Затова операторите следва да установят подходящото количество излишък от въздух в съответствие с изискванията на горелката и пещта. Важни фактори при определянето на нужния излишък от въздух са типът на използваното гориво, видът на горелката, технологичните условия и температурата.

Друга широко прилагана опция за подобряване на ефективността на системите за технологична топлина в индустрията е предварителното подгряване на горивния въздух. Тъй като източник на топлина за горивния въздух често е потокът от горещи отработени газове, този подход по същество също се смята за форма на процес на възстановяване на енергия. Трябва да се има предвид обаче, че по-високата температура на горивния въздух увеличава формирането на азотен оксид, който е прекурсор за образуването на озон в приземния атмосферен слой.

Обогатяването на горивния въздух с кислород е друга възможност за по-висока енергийна ефективност, като методът е приложим най-вече за първичното производство на метали. Технологията е тествана преди десетилетия, но не се използва широко. Поради технологични подобрения в няколко области обаче обогатяването с кислород отново се разглежда като потенциален подход за увеличаване на производителността и ефективността.

Подобреният топлообмен в рамките на една пещ, сушилня или котел може да доведе до енергийни спестявания, повишена производителност и по-високо качество на продукцията. Процесът може да се оптимизира чрез поддържане на чисти топлообменни повърхности, осигуряване на по-висок конвекционен топлообмен чрез използване на подходящи горелки и рециркулиращи вентилатори, регулиране на температурата.

Задържането на топлинната енергия е подход, включващ редуциране на енергийните загуби в околното пространство. При по-голямата част от оборудването за генериране на технологична топлина основните загуби се реализират през външните повърхности и отворите. Използването на подходящи изолационни материали, както и доброто уплътняване на отворите са от ключово значение за свеждане на топлинните загуби до минимум. Друг важен фактор за загубите от системите за технологична топлина е проникването на въздух. Често пещите работят при леко отрицателно налягане поради липсата или неподходящото управление на налягането с цел предотвратяване на загубата на горивните газове. Това отрицателно налягане може да доведе до постъпване на въздух в пещта, като това е свързано със значителни енергийни загуби. Рентабилни решения за този проблем са доброто уплътняване на горивната камера и внедряването на система за управление на налягането.

Възможностите за възстановяване на енергия зависят до голяма степен от дизайна на системата и изискванията на процеса. Както бе споменато, в повечето случаи топлинната енергия от димните газове се предава на горивния въздух. Този тип предварително подгряване намалява количеството гориво, необходимо за установяване и поддържане на нужната температура за процеса. В някои случаи отпадната топлина може да се използва неколкократно на различни последователни нива. Друг пример за възстановяване на топлинна енергия е връщането на димните газове към нагрявания материал, което също намалява потреблението на гориво. Топлинните загуби от димните газове зависят от масовия дебит и от температурата на потока.

Системи на електроенергия

Системите за технологична топлина, работещи на електроенергия, се използват за процеси на нагряване, сушене, изпичане, топене и формоване. Тези решения се отличават с възможност за управление и висока степен на ефективност. В някои случаи системите, захранвани с електрическа енергия, се избират заради уникалните им технически възможности, докато в други случаи решаващ фактор са цените на природния газ (или друг вид гориво) и на електроенергията. Понякога дадено индустриално приложение не може да се изпълнява по икономически изгоден начин без наличието на система за технологична топлина, функционираща на ток.

Електрическите системи за технологична топлина използват ток или електромагнитни полета за нагряване на материалите. Методите за директно нагряване генерират топлина в самия детайл чрез: пропускане на електрически ток през материала; индуциране на вихров ток в материала; възбуждане на атоми и/или молекули в материала с помощта на електромагнитно излъчване (напр. микровълнова технология). Методите за индиректно нагряване използват една от тези три техники за загряване на елемент, който предава топлината към детайла чрез кондукция, конвекция, излъчване или комбинация от тези възможности. Към системите за технологична топлина, работещи на електроенергия, се причисляват електродъгови пещи, оборудване за инфрачервена, електронно-лъчева, микровълнова, плазмена и радиочестотна обработка, индукционно нагряване и топене, лазерно нагряване, съпротивително нагряване и топене и ултравиолетово изпичане.

Първоначално електродъговите пещи се използват за производство на специализирани метали, като ресорна стомана например. Днес те все по-често намират приложение при производството на по-разпространените въглеродни и нисколегирани стомани, както и в леярни за топене на желязо и стомана. Електродъговите пещи с директно действие варират от под 10 до над 400 тона. Възможностите за подобряване на енергийната им ефективност включват инжектиране на инертен газ (напр. аргон) в дъното на пещта, предварително подгряване на суровината, поставяне на облицовка и изолация, използване на система на гориво в първата част от процеса на нагряване, изгаряне на димните газове и използване на честотни регулатори за вентилаторите за димните газове.

Електрическите системи за инфрачервена обработка се използват в редица производствени сектори за нагряване, сушене, изпичане, синтероване и стерилизация. Технологията се прилага най-често в случаи, когато е необходимо да бъде нагрята само повърхността на даден обект, например при сушене на адхезив, текстил, хартия, покрития върху стоманени и алуминиеви намотки, леене на пластмаси, изпичане на прахови покрития и др. Ефективността на вече инсталирани електрически системи за инфрачервена обработка може да се повиши чрез добавяне на допълнителни конструктивни елементи, които да улавят разсеяната инфрачервена енергия и да я насочват към продуктите, редовно почистване на отражателните елементи, зониране (хоризонтално или вертикално), инсталиране на по-ефективна система за управление. Внедряването на една или повече от тези мерки може да позволи реализирането на значителни енергийни спестявания – между 10 и 30%.

Електронно-лъчевата технология се използва за заваряване на метали, механична обработка на отвори, закаляване на повърхността на метали и за термична обработка и топене. Методът може да бъде над 10 пъти по-бърз в сравнение с конвенционалните системи за заваряване. Сред предимствата на технологията са минимални изменения на температурата поради възможност за по-прецизно управление, намалена продължителност на времето за настройка и поддръжка и др. Една от възможностите за увеличаване на ефективността на електронно-лъчевите системи е да се работи в условия на вакуум, защото това предотвратява разсейването на лъча. Друг вариант е да се използват по-усъвършенствани системи за управление, включващи цикли с обратна връзка и позволяващи прилагането на точното количество топлина с необходимата температура и за подходящата продължителност.

Индукционното нагряване е директно приложимо само за проводящи материали, например метали. Пластмаси и други непроводящи материали могат да бъдат нагрявани индиректно с помощта на проводящ елемент, който предава топлинната си енергия към тях. Ефективността на системите за индукционно нагряване може да се повиши чрез използването на концентратори на потока – пасивни устройства, които канализират индукционното поле, осигурявайки определена траектория за магнитните полета. При многостъпалните системи, съществуващите отвори за достъп и инспекция трябва да бъдат екранирани, за да се редуцират топлинните загуби. Около 50% енергийни спестявания могат да се постигнат чрез използване на намотки, специфични за всеки отделен продукт.

Микровълновата технология намира най-широко приложение в хранително-вкусовата промишленост за процеси като нагряване, темпериране, сушене и предварителна термична обработка. Други приложения са вулканизирането на каучук, полимеризирането на смоли, заваряването на пластмаси и сушенето на продукти. Честата визуална инспекция на цялостната система допринася за повишаване на енергийната ефективност и намаляване на времето на престой. Когато една система е инсталирана за определено приложение, ефективността й остава непроменена докато не се изменят параметрите на продукта. Всяка промяна в материала, например в ширината, дълбочината или теглото, ще доведе до необходимост от преоценяване на системата с цел поддържане на ефективността. В допълнение, за да се гарантира висока енергийна ефективност, е нужна периодичната подмяна на генераторите.

Ултравиолетовото третиране се използва от много години за изпичането на различни видове индустриални покрития и адхезиви, както и за процеси на сушене в печатарската промишленост и производството на електронни компоненти. За да се осигури високо ниво на енергийна ефективност, лампите и отражателните елементи на системите за ултравиолетова обработка трябва да се почистват регулярно. Периодично трябва да се извършва визуална инспекция на всички компоненти, за да се предотврати прегряване или преждевременен отказ на лампите. Нужно е да се следи и продължителността на експлоатация. При нормални експлоатационни условия ултравиолетовите лампи имат очакван оперативен живот, измерван в часове. Пресрочването на препоръчваните часове води до значителен спад в количеството отделяна ултравиолетова енергия.