فناوری‌ها و کاربردهای بازیابی حرارت اتلافی

مقدمه

بازیابی حرارت اتلافی (WHR) به فرآیند جمع‌آوری و استفاده از حرارت تولید شده در فرآیندهای صنعتی که به‌طور مؤثر استفاده نمی‌شود، اشاره دارد. این حرارت اغلب به محیط زیست تخلیه می‌شود و منجر به هدررفت انرژی و افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. با افزایش قیمت سوخت و نگرانی‌های رو به رشد درباره گرمایش جهانی، بازیابی حرارت اتلافی به یکی از حوزه‌های مهم تحقیق و نوآوری تبدیل شده است. استفاده مؤثر از حرارت اتلافی می‌تواند مصرف انرژی را کاهش داده، انتشار گازهای مضر را کم کرده و بهره‌وری صنعتی را بهبود بخشد. این مقاله به بررسی فناوری‌های مختلف بازیابی حرارت، کاربردهای آن‌ها و چالش‌ها و فرصت‌های موجود در پیاده‌سازی این فناوری‌ها در صنایع مختلف می‌پردازد.

سیستم‌های بازیابی حرارت اتلافی

سیستم‌های بازیابی حرارت اتلافی با گرفتن حرارت اتلافی از یک فرآیند و انتقال آن به فرآیند دیگر به‌عنوان یک منبع انرژی اضافی عمل می‌کنند. این سیستم‌ها به‌طور کلی بر اساس دامنه دمای حرارت اتلافی به سه دسته تقسیم می‌شوند: دمای بالا (بیش از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد)، دمای متوسط (۱۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) و دمای پایین (کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد). انتخاب فناوری به دما و کیفیت حرارت اتلافی بستگی دارد که میزان بازیابی و استفاده مجدد از آن را تعیین می‌کند.

• مشعل‌های بازیافتی و احیاکننده: این سیستم‌ها برای بهینه‌سازی بهره‌وری انرژی طراحی شده‌اند و با گرفتن حرارت از گازهای دودکش داغ و استفاده از آن برای پیش‌گرم کردن هوای احتراق، به کاهش مصرف سوخت کمک می‌کنند.
• اکونومایزرها: این مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پره‌دار عمدتاً برای بازیابی حرارت اتلافی در دماهای پایین تا متوسط به‌کار می‌روند و در کانال گازهای دودکش بویلر نصب می‌شوند تا آب ورودی به بویلر را پیش‌گرم کنند و بهره‌وری حرارتی بویلر را افزایش دهند.
• بویلرهای حرارت اتلافی: این سیستم‌ها از لوله‌های آبی تشکیل شده‌اند که گازهای خروجی با دمای متوسط تا بالا را بازیابی می‌کنند تا بخار تولید کنند که می‌تواند برای تولید برق یا بازگشت به سیستم برای بازیابی انرژی استفاده شود.
• پیش‌گرم‌کن‌های هوا: این دستگاه‌ها برای بازیابی حرارت اتلافی از گازهای خروجی به‌منظور پیش‌گرم کردن هوای ورودی طراحی شده‌اند و در فرآیندهایی مانند دودکش‌های توربین‌های گازی، کوره‌ها و بویلرهای بخار بسیار کاربردی هستند.

فناوری‌های پیشرفته بازیابی حرارت اتلافی

چندین فناوری پیشرفته برای بهبود بهره‌وری انرژی و بازیابی حرارت در محدوده‌های دمایی مختلف توسعه یافته‌اند:

• لوله‌های حرارتی و سیستم‌های لوله حرارتی: لوله‌های حرارتی دستگاه‌های انتقال حرارت بسیار کارآمدی هستند که از اصول تبخیر و میعان برای انتقال حرارت استفاده می‌کنند. آن‌ها از موادی مانند آلومینیوم یا مس ساخته شده و با سیالاتی مانند آب یا آمونیاک پر می‌شوند.
• مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای: این مبدل‌ها برای انتقال حرارت بین دو سیال بدون آلودگی متقاطع طراحی شده‌اند و از صفحات فلزی نازک با الگوهای مختلف برای بهبود انتقال حرارت استفاده می‌کنند.
• چرخه آلی رانکین (ORC) و چرخه کالینا: این چرخه‌های ترمودینامیکی از سیالات آلی با نقاط جوش پایین برای تولید برق از حرارت اتلافی با درجه پایین استفاده می‌کنند.

دستگاه‌های نوظهور تبدیل مستقیم الکتریکی

این دستگاه‌ها برق را مستقیماً از حرارت اتلافی تولید می‌کنند و نیازی به تبدیل انرژی مکانیکی ندارند:

• ژنراتورهای ترموالکتریک: این ژنراتورها از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند و با استفاده از اثر سیبک، اختلاف دما را به برق تبدیل می‌کنند.
• تولید برق پیزوالکتریک: این فناوری ارتعاشات محیطی مانند انبساط گاز نوسانی را به برق تبدیل می‌کند.
• ژنراتورهای ترمیک: این دستگاه‌ها برق را از طریق انتشار ترمیک تولید می‌کنند.
• ژنراتورهای ترموفوتوولتائیک (TPV): این دستگاه‌ها انرژی تابشی را به برق تبدیل می‌کنند.

کاربردها در صنایع مختلف

صنایع مختلف فرصت‌های گوناگونی برای بازیابی حرارت اتلافی ارائه می‌دهند:

• صنعت فولاد: این صنعت با تولید حرارت قابل توجه از فرآیندهایی مانند تولید کک، زینتر و فولادسازی، یکی از مهم‌ترین بخش‌ها برای بازیابی حرارت است.
• صنعت غذا و نوشیدنی: بازیابی حرارت در فرآیندهایی مانند پخت‌وپز، خشک‌کردن و پاستوریزه کردن می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.
• صنعت سرامیک: این صنعت نیز در طول عملیات کوره حرارت قابل توجهی را تولید می‌کند که می‌تواند بازیابی شود.
• صنعت سیمان: صنعت سیمان یکی از منابع بزرگ حرارت اتلافی است. بازیابی حرارت در این صنعت می‌تواند تا ۳۰ درصد مصرف انرژی را کاهش دهد.

چالش‌ها و فرصت‌ها

بازیافت حرارت هدر رفته، به ویژه در دماهای پایین، چالش‌های متعددی را به همراه دارد. این چالش‌ها شامل نیاز به مبدل‌های حرارتی بزرگ به دلیل نرخ پایین انتقال حرارت، خوردگی ناشی از تراکم‌های اسیدی، و سختی در پیدا کردن کاربردهای مناسب برای حرارت درجه پایین است. با این حال، استفاده از مواد و فناوری‌های پیشرفته مانند پمپ‌های حرارتی و واحدهای بازیافت مستقیم تراکم می‌تواند برخی از این چالش‌ها را کاهش دهد و امکان‌پذیری اقتصادی سیستم‌های بازیافت حرارت هدر رفته را بهبود بخشد.

نتیجه‌گیری

بازیابی حرارت اتلافی، فرصت‌های قابل توجهی برای افزایش بهره‌وری انرژی، کاهش مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنایع مختلف فراهم می‌کند. با پذیرش فناوری‌های پیشرفته، صنایع می‌توانند حرارت اتلافی را به طور مؤثر جمع‌آوری و استفاده کرده و آن را به یک منبع ارزشمند انرژی تبدیل کنند. علی‌رغم چالش‌ها، مزایای بالقوه بازیابی حرارت اتلافی بسیار قابل توجه است و آن را به یکی از اجزای مهم در شیوه‌های صنعتی پایدار تبدیل می‌کند. با پیشرفت‌های مستمر فناوری، انتظار می‌رود که سیستم‌های بازیابی حرارت اتلافی کارآمدتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و به‌طور گسترده در تمامی بخش‌ها پیاده‌سازی شوند.