بازیافت حرارت (WHR) به مجموعه‌ای از روش‌ها و فناوری‌ها گفته می‌شود که در آن حرارتی که طی فرآیندهای مختلف صنعتی تولید شده اما بلااستفاده رها می‌شود، دوباره جمع‌آوری و به انرژی قابل استفاده تبدیل می‌گردد. در بسیاری از خطوط تولید، این حرارت بدون هیچ بهره‌ای به محیط منتقل می‌شود؛ موضوعی که علاوه بر هدررفتن انرژی، سهم قابل توجهی در افزایش آلاینده‌ها و گازهای گلخانه‌ای دارد.
با توجه به رشد چشمگیر هزینه‌های انرژی و افزایش نگرانی‌های جهانی درباره تغییرات اقلیمی، اهمیت بهره‌گیری از فناوری‌های مختلف بازیافت حرارت بیش از پیش مطرح شده است. این فناوری‌ها حرارت تلف‌شده را دوباره به چرخه مصرف بازمی‌گردانند و می‌توان از آن برای گرمایش، تولید بخار، پیش‌گرم‌کردن سیالات و حتی سرمایش فرآیندی استفاده کرد.
بزرگ‌ترین بخش اتلاف انرژی در صنایع، معمولا به جریان‌های داغ خروجی مربوط می‌شود. این جریان‌ها شامل دودکش‌ها، گازهای حاصل از احتراق، پساب‌های گرم و هوای خروجی خطوط تولید هستند که انرژی قابل توجهی را بدون استفاده به محیط منتقل می‌کنند. این هدررفت انرژی علاوه بر افزایش هزینه‌های سوخت، اثرات زیست‌محیطی (انتشار گازهای گلخانه‌ای) دارد.
برای طراحی و انتخاب یک سیستم بازیافت حرارت موثر، ابتدا باید محل اتلاف حرارت شناسایی شود و سپس پتانسیل صرفه‌جویی انرژی برآورد گردد. این فرآیند تحلیل اولیه کمک می‌کند تا بهترین فناوری و تجهیزات متناسب با فرآیند صنعتی انتخاب شوند و هزینه سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری بهینه گردد.
دو عامل اصلی که همیشه در تحلیل اولیه باید مورد بررسی قرار گیرند عبارتند از:
• درجه حرارت جریان خروجی: هرچه دمای جریان بیشتر باشد، مقدار انرژی قابل بازیافت نیز بیشتر است.
• نرخ جریان خروجی: حجم بالای جریان داغ، پتانسیل بیشتری برای انتقال حرارت و استفاده مجدد فراهم می‌کند.
بنابراین، جریان‌هایی که هم داغ و هم پرحجم هستند، بهترین منابع برای بازیافت حرارت به شمار می‌روند. با شناسایی این منابع و بهره‌گیری از فناوری‌های مناسب، صنایع می‌توانند هم در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنند و هم اثرات زیست‌محیطی خود را کاهش دهند.
برای مطالعه بیشتر: ۱۱ راهکار صرفه جویی انرژی در سیستم‌های هوای فشرده صنعتی
صنایع مختلف منابع ارزشمندی از حرارت اتلافی دارند که امکان بازیابی و استفاده مجدد از آن‌ها وجود دارد؛ در این بخش شما را با
کاربردهای بازیابی حرارت اتلافی آشنا خواهیم کرد:
• صنعت فولاد: فرآیندهای تولید کک، زینتر و فولادسازی مقدار زیادی حرارت تولید می‌کنند و این حرارت می‌تواند مجددا به کار گرفته شود، بنابراین فولاد یکی از بخش‌های اصلی برای بهره‌برداری از سیستم‌های بازیافت حرارت به شمار می‌رود.
• صنعت غذا و نوشیدنی: در فعالیت‌هایی مانند پخت، خشک کردن و پاستوریزه کردن، حرارت زیادی مصرف می‌شود؛ بازیابی این انرژی می‌تواند مصرف سوخت و هزینه‌ها را به طور چشمگیری کاهش دهد.
• صنعت سرامیک: کوره‌های حرارتی این صنعت انرژی زیادی تولید می‌کنند که امکان استفاده مجدد از آن برای گرم کردن بخش‌های دیگر فرآیند یا تولید انرژی وجود دارد.
• صنعت سیمان: سیمان یکی از بزرگ‌ترین منابع حرارت اتلافی را دارد و با استفاده از فناوری‌های بازیافت حرارت می‌توان تا حدود 30 درصد از مصرف انرژی این صنعت را کاهش داد.
برای مطالعه بیشتر: 8 روش جامع بهینه‌سازی مصرف انرژی موتورخانه
برای بازیافت حرارت، تجهیزات و فناوری‌های مختلفی توسعه یافته‌اند. انتخاب سیستم مناسب به عواملی مانند دمای جریان داغ، فشار، نوع سیال، محدودیت‌های فضای نصب، راندمان موردنیاز و هزینه سرمایه‌گذاری بستگی دارد. مهم‌ترین سیستم‌های بازیافت حرارت عبارتند از:
• بویلرهای بازیاب حرارت
• لوله‌های حرارتی
• رکوپراتورها
• اکونومایزرها
• بازیافت‌های متناوب حرارت (Regenerators)
بویلرهای بازیاب حرارت، که با نام HRSG نیز شناخته می‌شوند، یکی از پرکاربردترین تجهیزات در بازیابی حرارت اتلافی صنعتی هستند. عملکرد این بویلرها به گونه‌ای طراحی شده است که گازهای داغ حاصل از احتراق، پیش از خروج از دودکش، از میان تعداد زیادی لوله موازی عبور می‌کنند. آب موجود در این لوله‌ها با جذب حرارت گازها تبخیر شده و بخار تولید می‌شود. این بخار پس از جمع شدن در مخزن مخصوص، به‌عنوان منبع انرژی برای فرآیندهای صنعتی مختلف مانند گرمایش فرآیندها، تولید برق یا تامین بخار برای توربین‌ها استفاده می‌گردد.
ظرفیت عبور گاز: این بویلرها قادرند جریان گازهای خروجی با حجم 0.5 تا 500 متر مکعب بر ثانیه را مدیریت کنند.
فشار و میزان بخار: تولید بخار وابسته به دمای گازهای خروجی و نرخ جریان آن‌ها است.
امکان استفاده از مشعل کمکی: در صورتی که حرارت گازهای خروجی برای تولید بخار کافی نباشد، می‌توان از مشعل کمکی بهره برد.
کاهش مصرف سوخت، زیرا نیازی به سوخت اضافی برای تولید بخار نیست.
هزینه ساخت کمتر نسبت به بویلرهای سنتی و معمولی.
حجم بزرگ این بویلرها می‌تواند نصب و جایگذاری آن‌ها در واحدهای صنعتی موجود را دشوار کند.
مقاله‌ای که شما را شوکه خواهد کرد: نیروگاه تولید همزمان برق و حرارت
لوله‌های حرارتی یکی از پرکاربردترین مبدل‌های حرارتی با راندمان بالا در بازیابی حرارت اتلافی هستند. در این سیستم‌ها انتقال حرارت به‌صورت موثر از طریق بخارشدن و چگالش سیال داخل لوله انجام می‌شود. وقتی جریان داغ با لوله تماس پیدا می‌کند، سیال داخل لوله تبخیر می‌شود و بخار تولیدشده به سمت قسمت سرد حرکت می‌کند. در بخش سرد، بخار دوباره چگالیده شده و حرارت نهان خود را به جریان سرد منتقل می‌کند. این فرآیند به صورت طبیعی و بدون نیاز به نیروی خارجی انجام می‌شود و بازدهی بسیار بالایی دارد.
راندمان حرارتی: بین 60 تا 80 درصد
ظرفیت جریان: مناسب برای جریان‌هایی با نرخ 0.25 تا2 متر مکعب بر ثانیه
ابعاد و طراحی: کوچک و فشرده، با راندمان بالا
قیمت نسبتا بالای تجهیزات، که ممکن است در پروژه‌های محدودیت بودجه چالش ایجاد کند
رکوپراتورها نیز مبدل‌های حرارتی هستند که حرارت گازهای داغ حاصل از احتراق را به هوای سرد تبدیل می‌کنند. هوای گرم شده معمولا برای فرآیند احتراق یا گرمایش محیط استفاده می‌شود.
رکوپراتورها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:
تشعشعی: شامل دو استوانه هم‌مرکز است که گازهای داغ در استوانه داخلی و هوای سرد در استوانه خارجی جریان دارند. حرارت از طریق دیواره استوانه داخلی به هوا منتقل می‌شود و راندمان حدود 30٪ دارد.
جابجایی: گازهای داغ از میان مجموعه‌ای از لوله‌های کوچک درون یک پوسته بزرگ عبور می‌کنند و هوای سرد بر روی این لوله‌ها جریان می‌یابد. این طراحی باعث بازیابی بیشتر حرارت و راندمان 50 تا 60٪ می‌شود.
نسخه‌های پیشرفته ترکیبی از دو مکانیزم تشعشعی و جابجایی، راندمانی تا 70٪ دارند. رکوپراتورهای جابجایی نسبت به نوع تشعشعی گران‌تر هستند، اما راندمان بالاتر و ابعاد کوچکتری دارند.
اکونومایزرها مبدل‌های حرارتی هستند که تبادل حرارت بین آب و هوا را انجام می‌دهند. کاربرد اصلی آن‌ها پیش‌گرم کردن آب تغذیه بویلر است، اما برای گرمایش آب فرآیندی یا تولید آب گرم مصرفی نیز استفاده می‌شوند.
در این تجهیزات، حرارت محسوس گازهای داغ به آب درون لوله‌های موجود در دودکش منتقل می‌شود. اکونومایزرها معمولا برای گازهایی با دمای حداکثر حدود 1000 درجه سانتی‌گراد طراحی می‌شوند. کاهش دمای دود خروجی به میزان 4-5 درجه، مصرف سوخت بویلر را تقریباً یک درصد کاهش می‌دهد؛ بنابراین هرچه دمای دود بالاتر باشد، امکان صرفه‌جویی بیشتر است.
بازیاب‌های متناوب حرارتی، مبدل‌هایی با بستر فشرده هستند که انتقال حرارت بین جریان‌های گرم و سرد را به‌صورت دوره‌ای انجام می‌دهند. این تجهیزات به دو دسته تقسیم می‌شوند: بستر ثابت و بستر دورانی.
بستر ثابت: ابتدا جریان گاز داغ وارد بستر شده و حرارت در آن ذخیره می‌شود. سپس جریان گاز قطع شده و هوای سرد وارد می‌شود تا حرارت ذخیره شده را جذب کند.
بستر دورانی (چرخ حرارتی): چرخ‌هایی از مواد با ظرفیت حرارتی بالا به‌طور مداوم بین جریان‌های گرم و سرد می‌چرخند. نیمی از چرخ در جریان گاز داغ و نیمی دیگر در جریان هوای سرد قرار می‌گیرد و حرارت را منتقل می‌کند.
قطر چرخ‌های حرارتی می‌تواند از 1.5 تا بیش از 20 متر باشد و ظرفیت عبور جریان تا 18 متر مکعب در ثانیه می‌رسد. راندمان این تجهیزات بین 70 تا 90 درصد است.
برخی فناوری‌های پیشرفته قادرند انرژی حرارتی هدررفته را مستقیما به برق تبدیل کنند، بدون نیاز به اجزای مکانیکی واسطه:
ژنراتورهای ترموالکتریک: این سیستم‌ها با استفاده از مواد نیمه‌رسانا و اثر سیبک، اختلاف دما را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
تولید برق پیزوالکتریک: انرژی حاصل از ارتعاشات محیطی، مانند تغییرات فشار یا انبساط گاز، به برق تبدیل می‌شود.
ژنراتورهای ترمیک: این دستگاه‌ها با انتشار حرارت و تبدیل مستقیم آن، برق تولید می‌کنند.
ژنراتورهای ترموفوتوولتائیک (TPV): انرژی تابشی حاصل از حرارت اتلافی به صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
این فناوری‌ها به خصوص برای صنایع و واحدهایی که حرارت زیادی تولید می‌کنند، یک منبع انرژی پاک و قابل استفاده فراهم می‌کنند.
نتیجه‌گیری
فناوری‌های بازیافت حرارت نقش مهمی در افزایش راندمان انرژی و کاهش مصرف سوخت در صنایع ایفا می‌کنند. با استفاده از این سیستم‌ها می‌توان تا 90 درصد حرارت تلف‌شده دودکش‌ها را بازیافت نمود و آن را دوباره در فرآیندهای گرمایشی یا تولید بخار به کار گرفت.
انتخاب صحیح سیستم بازیافت حرارت نیازمند بررسی دقیق دما، نرخ جریان، نوع سیال، محدودیت‌های فنی و هزینه سرمایه‌گذاری است. اجرای درست این فناوری‌ها می‌تواند صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌های انرژی و کاهش اثرات زیست‌محیطی به همراه داشته باشد.
باعث کاهش مصرف سوخت، کاهش هزینه‌ها و بهبود راندمان انرژی می‌شود.
فولاد، سیمان، سرامیک، پتروشیمی و صنایع غذایی.
بله، با فناوری‌هایی مانند ORC، پمپ حرارتی و مواد پیشرفته می‌توان آن را استفاده کرد.
بله، با چرخه‌های ORC، کالینا یا ترموالکتریک می‌توان برق تولید کرد.
معمولا بله، اما در بسیاری از پروژه‌ها هزینه در مدت کوتاهی با صرفه‌جویی سوخت جبران می‌شود.
اکونومایزر آب بویلر را گرم می‌کند، پیش‌گرم‌کن هوا هوای ورودی احتراق را گرم می‌کند.
بله، چون نیاز به مصرف سوخت را کاهش می‌دهد و در نتیجه انتشار آلاینده‌ها کم می‌شود.
بسته به سیستم متفاوت است، اما معمولا با حداقل توقف قابل اجراست.
خوردگی، رسوب‌گذاری، هزینه اولیه، و یافتن کاربرد مناسب برای حرارت دمای پایین.
معمولاً بین 10 تا 20 سال و با نگهداری مناسب حتی بیشتر نیز کار می‌کنند.