Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
'
1'1
1'1
5
η
1
1
1
m
m
р
,
∑∑
нjвхj
р
⋅⋅
QBQB
– подведенная и отведенная энергия в виде
нjвыхj
первичного топлива или горючих вторичных энергоресурсов, кВт;
,
BB
– расход первичного топлива или горючих вторичных
'
выхjвхj
энергоресурсов, кг/с;
р
р
QQ',
нj
– удельная теплота сгорания первичного топлива или го-
нj
рючих вторичных энергоресурсов, кДж/кг;
Q
– экзо- (+) или эндотермический (-) эффект технологического
эф
процесса, кВт;
'
γγ
вх
фмк
,
вых
QQ
∑∑
– подведенная и отведенная физическая теплота
фмк
исходных материалов и получаемых продуктов (включая неполезные), кВт;
Q
– потери тепла в природную окружающую среду, кВт.
Оценка полезного энергоиспользования в анализируемой технической системе может быть выполнена на основе коэффициента полезного энергоиспользования:
γ
Q
∑
потk
1
−==
1
m
Q
∑
1
, (1.5)
вхj
где
n
∑
∑
n
Q
∑
полi
Q
m
– полезное использование энергии в системе, кВт;
полi
Q
– подведенная в систему энергия (приходная часть уравне-
вхj
пэ
1
m
∑
1
Q
вхj
ния (1.4)), кВт;
γ
∑
Q
– потери энергии в окружающую среду и с выходящими
потk
потоками, определяемыми группой «потери» в уравнении (1.2), кВт.
Уравнения (1.4, 1.5) позволяют сделать, по крайней мере, два
важных вывода. Первый вывод: рассчитать составляющие уравнения
энергетического (теплового) баланса возможно только на основе пра-
11
вильно составленного уравнения материального баланса. Второй вы-
1
пэ
η
полi
+−=
тп
тш
(
)
1
θ
⋅−⋅
=
w
пол
к
1
θ
С
n
вод: нельзя однозначно определить значение
∑
Q
(и, соответ-
полi
ственно,
) в общей постановке задачи. Полезное использование
энергии в теплотехнологической и промышленной теплоэнергетической системах зависит от технологических особенностей процессов,
происходящих в основном (головном) элементе системы (выпаривание – сушка – высокотемпературный нагрев изделий – ректификация
– абсорбция – разделение воздуха – получение хладоносителей и так
далее). Если для некоторых процессов определенность в расчете
Q
существует, то в большинстве случаев такие расчеты носят очень
субъективный характер, зависящий от уровня понимания процессов и
их описания.
В высокотемпературных теплотехнологических процессах, связанных с нагревом изделий или плавлением исходной шихты (сырьевые и вспомогательные материалы) полезно использованное тепло
(энергия)
где
Q
Q
Q
Q
определяется:
пол
QQQQ
, (1.6)
эфтштппол
– теплосодержание технологического продукта, кВт;
– теплосодержание технологической шихты, кВт;
– тепло эндотермических реакций в шихте, кВт.
эф
Для процессов сушки принято полезно использованную энергию
определять по выражению:
chWQ
, (1.7)
где W – количество влаги, удаляемое из материала для обеспечения
заданной конечной влажности
W
0
, кг/с;
h – энтальпия водяного пара в составе отходящего из сушильной
камеры сушильного агента (при парциальном давлении этого пара и
температуре сушильного агента), кДж/с;
с
– удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·гр);
w
– температура материала на входе в сушильную камеру,
12
о
.
Такое представление о полезно использованной энергии выте-
⋅
=
изв
изв
пол
⋅
=
изв
вт
пол
⋅
=
вт
кает из технологической сущности процесса сушки – удаления
определенного (W) количества влаги из материала. Аналогично
рассуждая, получим:
– для процесса ректификации
– для процесса «абсорбция – десорбция»
где
G
– количество полученного ректификата (целевой продукт
р
hGQ
; (1.8)
ррпол
hGQ
, (1.9)
процесса ректификации) или необходимое количество выделяемого
из исходной смеси летучего компонента для обеспечения заданного
состава целевой кубовой жидкости, кг/с;
G
– количество извлекаемого компонента из исходной газовой
смеси в процессе «абсорбция – десорбция», кг/с;
hh ,
– энтальпии ректификата и извлекаемого компонента по-
извр
сле десорбции в парообразном (газообразном) состоянии, кг/с;
– для процесса выпаривания растворов
hWQ
, (1.10)
где W – количество удаляемого из раствора растворителя, необходимое для заданного увеличения концентрации растворенного (нелетучего) вещества, кг/с;
h
– энтальпия растворителя в парообразном состоянии, кДж/кг.
Как следует из уравнений (1.6)-(1.10), величина полезно используемой энергии определяется технологически необходимым минимумом. Вместе с тем коэффициент полезного энергоиспользования (1.5)
зависит в конкретном варианте теплотехнологической установки от
схемных решений и принятых расчетных рабочих параметров. Это
обстоятельство, безусловно, умаляет значимость этого коэффициента
при решении задач повышения энергоэффективности теплотехнологических установок. В ряде случаев (например, для выпарных установок) его значение может вступить в противоречие с общепринятым
представлением о коэффициенте полезного действия как величине
меньшей единицы. Напомним, что расход первичных энергоносителей для осуществления процесса выпаривания определяющим образом зависит от числа ступеней выпарной установки.
13
Более сложными рассуждениями сопровождается выбор показа-
η
о
i
теля эффективности энергоиспользования для внутрипроизводственных систем получения и распределения конечных для данной технологии энергоносителей. Речь идет о системах оборотного водоснабжения и холодильных установках (организация отвода тепла от технологических продуктов в окружающую среду), системах воздухоснабжения, снабжения кислородом, азотом и специальными технологическими газами. Основанный на уравнении энергетического (теплового) баланса показатель эффективности энергоиспользования
также применяется при анализе работы таких установок. Применительно к системам оборотного водоснабжения и холодильным установкам любого типа, с помощью которых осуществляется отвод тепла от технологических продуктов в природную окружающую среду;
он выражается следующим образом:
Q
+
о
, (1.11)
QN
ji
где
пэ
=
n m
∑ ∑
1 1
Q
– теплота, отводимая в природную окружающую среду, кВт;
N
– подведенная электрическая энергия, кВт;
Q
– подведенная тепловая энергия, кВт.
j
При этом затраты электрической энергии связаны с необходимостью прокачки охлаждаемой (охлаждающей) воды, воздуха через
теплообменную (тепломассообменную) поверхность водоохлаждающего устройства, хладоагента и хладоносителя. Затраты тепловой
энергии имеют смысл в случае абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин.
Особый интерес представляют технологии преобразования энергоносителей (получения конечных энергоносителей требуемого вида
и качества), в которых одним из процессов системы является сжатие
газа, находящегося в равновесии с природной окружающей средой.
По таким технологиям работают системы воздухоснабжения и снабжения потребителей продуктами разделения воздуха. В последнем
случае в единой системе объединяются процесс ожижения воздуха и
разделение его методами ректификации.
14
Существенным недостатком уравнений (1.4), (1.5), (1.11) является
вх
пэ
η
ээ
[
]
⋅
тэ
[
]
о
l
использование качественно различных потоков энергии при суммировании приходных и расходных статей балансов. Ясно, что такая
унификация может привести к неверным выводам по способам повышения энергоэффективности теплотехнологических и промышленных теплоэнергетических установок. Так в соответствии с уравнением (1.5) величина коэффициента полезного энергоиспользования
определяется в значительной степени суммой приходной части уравнения (1.4), в которой на равных правах фигурируют подведенные в
систему потоки электрической и тепловой энергии. Формально замена части
приведет к изменению
N
численно равной частью прихода тепловой энергии не
по уравнению (1.5), что принципиально не
верно. Именно поэтому в практике сопоставления промышленных
энергетических установок по энергоэффективности появились так
называемые топливные эквиваленты электрической (
и тепловой энергии
b
ГДжткгу ..
). К примеру, на этой базе могут
b
..
чкВтткгу
быть сопоставлены холодильные коэффициенты ε парокомпрессионной и водоаммиачной абсорбционной холодильных установок в следующих выражениях (при одинаковых параметрах вырабатываемых
хладоносителей):
– для парокомпрессионной холодильной установки этот коэффициент равен
=
ε
к
o
; (1.12)
blq⋅
ээ
– для водоаммиачной абсорбционной холодильной установки коэффициент равен
=
ε
к
o
. (1.13)
bqq⋅
тэг
В уравнениях (1.12), (1.13):
q
– удельная (на 1 кг хладоагента) холодопроизводительность,
кгкДж
;
– удельная работа в цикле парокомпрессионной холодильной
установки,
кгкДж
;
15
г
q
к
ε
а
ε
ээ
⋅
=
тэ
=
T
– удельное теплопотребление в генераторе водоаммиачной аб-
сорбционной холодильной установки,
кгкДж
.
Полученные в результате расчетов по уравнениям (1.12) и (1.13)
показатели энергоэффективности холодильных установок
имеют размерность
..ткгукДж
На момент подготовки данного изда-
и
ния для топливных эквивалентов приняты следующие значения:
..32,0
чкВтткгуb
;
ГДжткгуb
..8,56
. Вместе с тем понятно,
что эти значения зависят от преобладающих в электроэнергетике
энергогенерирующих установок и вида используемого топлива.
Вследствие этого говорить об объективности результатов использования топливных эквивалентов при оценке энергоэффективности различного рода технических систем не приходится.
В связи с этим в практике анализа комбинированных процессов и
установок широкое применение получил метод, основанный на составлении эксергетических балансов с оценкой потерь от необратимости и определением показателей эксергетической эффективности
[2, 3]. Под эксергией понимается максимальная работа, которую может произвести система при обратимом переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей (чаще всего природной)
средой.
В соответствии с [2, 3] эксергия подразделяется на два основных
вида. Первый вид определяется как энергия, не характеризуемая энтропией (неограниченно преобразуемая энергия). К этому виду относят механическую и электрическую энергию и в соответствующие
статьи эксергетического баланса вносят количественные значения
энергии. Второй вид эксергии характеризуется энтропией (эксергия
вещества в замкнутом объеме и эксергия потока вещества).
Среди различных видов эксергии чаще других при анализе и оптимизации теплотехнологических и промышленных теплоэнергетических систем используют химическую и физическую эксергии вещества, а также эксергию теплового потока. Физическая эксергия
является результатом отличия температуры (
16
) и давления (p) рас-
E
ф
сматриваемого вещества от температуры (
о
о
х
Т
+
=
(
)
⋅
⋅
(
)
⋅
⋅
(
)
ooo
−⋅−−=
o
o
⋅
T
) и давления (
p
) окру-
жающей среды. Физическая эксергия определяется количеством работы, которое может быть получено в обратимом процессе установления равновесия вещества с окружающей средой путем только энергетического воздействия. Химическая эксергия
E
является результа-
том отличия химического состава или концентрации вещества, находящегося при параметрах окружающей среды, от распространенных в
природе веществ или от вещества, принятого за начало отсчета. В
практических расчетах физическая эксергия определяется через две
составляющие: изотермическую
и изобарную
E
, являющуюся следствием отличия температуры ве-
р
E
, связанную с отличием давления,
щества от состояния окружающей среды:
ЕЕE
. (1.14)
рТф
Изотермическая составляющая физической эксергии для идеальных газов определяют по уравнению [в кДж/(кг·моль)]:
Т
TRЕ ln⋅⋅=
o
p
, (1.15)
p
o
где R – универсальная газовая постоянная,
КмолькгкДж
.
Изобарная составляющая физической эксергии [кДж/(кг·моль)]:
где
с
– среднее значение в процессе мольной изобарной теплоемко-
p
сти,
КмолькгкДж
.
В более общем случае удельная эксергия [
⋅−−⋅=
TTTcE ln
oopp
T
, (1.16)
T
o
кгкДж
] потока веще-
ства может быть определена по уравнению:
SSThhe
, (1.17)
где
hh
,
– удельные энтальпии потока вещества соответственно при
начальном состоянии системы и при расчетных параметрах окружающей среды,
кгкДж
;
SS
,
– аналогичные удельные показатели по энтропии,
КкгкДж
.
17
Таблица 1.1
н
хн
2
Энтальпия девальвации и нормальная химическая эксергия
некоторых органических соединений
Химическая
формула
СН
4
НС
62
НС
83
НС
104
НС
125
НС
42
НС
63
НС
84
НС
66
Относи-
тельная
Энтальпия
деваль-
Нормальная
химическая
Сос-
Соединение
молеку-
вации
D ,
эксергия
тояние
лярная
масса
кДж/
(кг·моль)
Е , кДж/
(кг·моль)
Метан Газ 16,042 802320 836510
Этан Газ 30,068 1428780 1504360
Пропан Газ 44,094 2045380 2163190
н-Бутан Газ 58,120 2658830 2818930
н-Пентан Газ 72,146 3274290 3477050
Этилен Газ 28,052 1323870 1366610
Пропилен Газ 42,078 1927730 2010840
Бутилен Газ 56,104 2542940 2668920
Газ
Бензол
78,108
Жид-
78,108
3171630
3137670
3310540
3305350
кость
Газ
НС
87
Метил-бензол
Жид-
92,314
92,314
3774440
3736420
3952550
3940240
кость
Газ
НС
108
Этил-бензол
Жид-
106,160
106,160
4389980
4347700
4610250
4599370
кость
ОСН
Формальдегид
Газ 30,026 519870 541650
Газ
ОНС
62
Жид-
спирт
Этиловый
46,068
46,068
1278230
1235940
1370800
1364560
кость
Жид-
ОНС
Этиленгликоль
262
62,068 1058630 1214210
кость
Для расчета химической эксергии широко используется методика, разработанная Я. Шаргутом и основанная на введенном им поня-
18
тии нормальной химической эксергии. Приняв условные нормальные
−
хн
н
н
−
i
n
k
значения концентрации вещества отсчета в окружающей среде (атмосфере, литосфере или гидросфере) и используя данные термохимических таблиц, Я. Шаргут составил удобные для практических расчетов
нормальной химической эксергии однородных органических и неорганических веществ. Соответствующие данные по ряду органических
веществ представлены в табл. 1.1.
Химическую эксергию индивидуальных веществ [в
кДж/(кг·моль)] определяют по выражению:
ТТ
он
( )
ЕD
хнн
, (1.18)
где
Е
– нормальная химическая эксергия, кДж/(кг·моль);
D
– энтальпия девальвации в условиях нормальной температу-
ЕЕ +⋅
+=
хнх
Т
н
ры, кДж/(кг·моль);
Т
– нормальная температура для определения значения химиче-
ской эксергии (принята в расчетах 298 К).
Химическая эксергия смеси соединений меньше суммы эксергий
ее компонентов вследствие необратимости процесса смешения (сопровождается приращением энтропии). Если считать смесь идеальным раствором, то химическую эксергию можно вычислить по уравнению:
n
nTRЕDn
∑∑∑
o
111
n
i
⋅⋅⋅+−⋅⋅
ln
i
, (1.19)
n
где
k
+⋅=
EnЕ
хн
х
n
– число киломолей i-го компонента;
ii
Т
ТТ
н
k
он
( )
н
ii
хн
i
– общее число киломолей в смеси;
– число компонентов в смеси.
Последний член уравнения определяет уменьшение эксергии в
процессе смешения и оказывает особенно большое влияние на химическую эксергию смеси для сильно забалластированных горючих
отходов.
Приведенные в литературе данные о нормальной химической эксергии индивидуальных органических и неорганических соединений
19
не охватывает всего многообразия веществ. В ряде случаев органиче-
н
хн
×
о
ские соединения (например, топливо) имеют сложную неопределенную химическую структуру. В связи с этим в практических расчетах
используют определение нормальной химической эксергии на основе
корреляционных формул, выражающих зависимость между отноше-
нием нормальной химической эксергии к теплоте сгорания
р
QЕ
и
числами, характеризующими состав вещества. В качестве таких чисел
приняты атомные отношения
СН
,
СО
,
СN
,
СS
. Некоторые кор-
реляционные формулы приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Корреляционные формулы для расчета нормальной химической эксергии
сложных смесей органических веществ
Границы
Органические веще-
применения
ства
формул
Газообразные углево-
1,0344+0,0183·Н/С-0,0694·1/С
дороды
Жидкие углеводороды 1,0406+0,0144·Н/С
Расчетная формула для определе-
ния
р
QЕ
нхн
Жидкие соединения С,
О/С≤1 1,0374+0,0159·Н/С+0,0567·О/С
Н, О
Жидкие соединения С,
Н, О, S
Твердые углеводоро-
О/С≤1 1,0407+0,0154·Н/С+0,0562·О/С+
+0,5904·S/С·(1-0,175·Н/С)
1,0435+0,0159·Н/С
ды
Твердые соединения
С, Н, О
О/С<0,5
О/С≤2
1,0438+0,158·Н/С+0,0813·О/С
[1,0414+0,0177·Н/С-0,3328·О/С×
(1+0,637·Н/С)]/(1-0,4021·О/С)
Под эксергией тепловой энергии, отбираемой от источника с
температурой Т, понимается максимальная полезная работа, которая
может быть получена при условии равновесного взаимодействия с
окружающей средой с температурой
Т
. Как известно, такая работа
определяется на основе обратимого цикла Карно. При этом величина
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]