Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
эксергии
T
∑∑∑
+
=
пот
отв
подв
∑
подв
∑
отв
∑
пот
e
i
∑
η
∑
пол
Е
при постоянной температуре горячего источника опре-
Q
деляется (кВт):
T
o
−⋅=
, (1.20)
T
где
QЕ
1
TQ
Q
i-го мощность потребляемой тепловой энергии от источника
тепла с температурой Т, кВт.
Анализ термодинамической эффективности технических систем в
целом или отдельных их элементов проводят на основе эксергетического баланса:
где
Е
– подведенные к системе эксергии различных видов;
Е
– отведенные от системы эксергии;
Е
– потери эксергии.
Потери эксергии подразделяются на внешние
D
. Внешние потери – неиспользуемая эксергия потоков вещества,
ЕЕЕ
, (1.21)
D
и внутренние
выходящих из системы. Внутренние потери эксергии связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (потери от
гидравлических сопротивлений, неравновесных тепло- и массообмена, процессов горения и так далее).
Показателем, характеризующим термодинамическое совершенство системы, является эксергетический к.п.д.:
Е
∑
Е
пол
, (1.22)
подв
ех
=
где
Е
– сумма эксергий, определяющих полезный эффект си-
стемы.
Полезный эффект в теплотехнологических системах зависит от
технологических особенностей производства и видов вырабатываемой и потребляемой энергии. При энерготехнологическом комбинировании величина
η
комплексно оценивает эффективность техноло-
ех
гического процесса и устройств, обеспечивающих выработку и использование энергии.
21
При выборе оптимального варианта схемы окончательное реше-
ех
η
η
∑∑∑
N
Т
ех
ех
η
∑
=
ние делается, как правило, на основе технико-экономических расчетов. Вместе с тем предварительные данные об энергоэффективности
могут быть получены путем термодинамического анализа с использованием эксергетического к.п.д.
. Для теплотехнологической уста-
новки эксергетический к.п.д. может быть в наиболее общем случае
записан в виде:
стст
++
NЕЕ
Qпр
выр
−+
ЕЕЕ
Q
+
ηη
кэс
ех
−+
NNN
, (1.23)
вырстэту
где
=
ех
∑ ∑
∑
эту
Q
+++
ЕЕЕ
вспТс
ЕЕЕ ,,
– соответственно эксергии потока вырабатыва-
вспспр
ст
Q
кот
ех
емой технологической продукции, потребляемого сырья и вспомогательных материалов;
ст
Е
– эксергия потоков теплоты, получаемой в установке для по-
Q
требления сторонними агрегатами (не входящими в данную систему);
ст
– вырабатываемая мощность электрической (механической)
энергии для потребления сторонними агрегатами;
эту
Q
выр
ЕЕ ,
– эксергии потоков теплоты, потребляемой и выраба-
Q
тываемой в промышленной установке;
вырэту
NN ,
– потребляемая и вырабатываемая мощность электри-
ческой (механической) энергии;
Е
– эксергия потока потребляемого в установке топлива;
кот
кэс
η
,
– эксергетические к.п.д. замещаемых конденсационных
электростанций и котельной.
Сравниваемые варианты схем приводят к одинаковому производственному эффекту. В качестве такового принимают, во-первых, постоянство по количеству и качеству выпускаемой технологической
продукции. Таким образом, для всех сравниваемых схем
пр
const
. Во-вторых, учитывая возможную выработку теплоты и
Е
механической энергии в энерготехнологической установке сверх
22
внутренних потреблений
N
N
N
(
)
(
)
1
ех
η
Е
эту
Q
и
эту
, и отпуск их сопутствующим
технологическим установкам или производствам, в качестве постоянных величин в сравниваемых вариантах принимают эксергии потоков
теплоты для сторонних потребителей
cт
Е
и мощность привода сто-
Q
ронних технологических установок, обеспечиваемую электрической
(механической) энергией энерготехнологической схемы
ст
не обязательно учитываются все потребители сопутствующих
ст
. В
Е
ст
Q
и
технологических установок. Однако обязательны условия
ст
Q
выр
Q
эту
ЕЕЕ −=
Q
max
;
этувырст
NNN −=
, то есть эксергия потреб-
max
ляемой в соответствующих установках теплоты и мощности потребителей механической энергии должны равняться максимально возможному отпуску энергии в одном из сравниваемых вариантов схем.
Недовыработка тепловой или механической энергии для других
вариантов схем компенсируется подводом теплоты от производственной котельной или ТЭЦ и электроэнергии от конденсационной
электростанции энергосистемы. Из уравнения (1.23) видно, что недовыработка учитывается подведенной к системе эксергии (в знаменателе) на основе эксергетического к.п.д. соответствующей замещаемой
энергогенерирующей установки. Последнее обстоятельство нуждается в особом пояснении. В работе [3] высказано соображение о неэквивалентности величин эксергии в установках, связанных с многостадийностью технологических процессов. Действительно, для i-й
стадии многоступенчатого последовательного технологического про-
цесса с полезной эксергией
i
Е
количество приводной эксергии в го-
пол
ловной установке составит:
i
=
E
i
∏
пол
, (1.24)
i
η
ex
где
i
– эксергетический к.п.д. стадий технологического процесса от
E
'
пр
первого до i-го.
23
Для
1+i
полiпол
1
ex
η
1
+
i
ex
NNN+=
η
0
=
N
η
NN=
стадии при
будет больше и составит:
E
+1
"
пр
=
i
EE =
количество приводной эксергии
i
E
i
ex
пол
i
+
1
⋅
∏
, (1.25)
i
ηη
ex
где
1+i
– эксергетический к.п.д.
стадии процесса.
Таким образом, количество приводной эксергии возрастет в
11+i
η
раза. Следовательно, при системном термодинамическом ана-
лизе энерготехнологических производств учет эксергии входящих
потоков энергии должен проводиться по эксергии первичного топлива, то есть на основе эксергетичесого к.п.д. предшествующих стадий
превращений.
Универсальность эксергетического к.п.д. в записанном виде
(1.23) применительно к анализу вариантов схем подтверждается также предельно возможными случаями их построения и работы:
1.
;
выр
Q
ст
Q
этуствыр
эту
ЕЕЕ +=
, то есть выработка энер-
Q
гии в схеме является максимально возможной и обеспечивает нужды
энерготехнологической установки и сторонних технологических производств. В этом случае
стст
++
ех
=
∑
Qпр
∑ ∑
NЕЕ
. (1.26)
++
EEЕ
вспTc
2. В рассматриваемой установке вторичные энергоресурсы ис-
пользуются только для получения теплоты
выр
. Мощность потребителей механической энергии обеспечивается за счет получения
электроэнергии от замещаемой конденсационной электростанции:
стст
++
=
ех
∑ ∑
EEЕ
вспTc
∑
NЕЕ
Qпр
+
+++
η
кэс
ех
. (1.27)
стэту
NN
3. Внутренние источники схемы обеспечивают нагрузку потре-
бителей тепловой и механической энергии только для энерготехнологической установки, то есть
выр
Q
эту
ЕЕ =
,
Q
этувыр
:
24
стст
η
0
=
N
ех
ех
η
ех
η
(
)
η
++
=
ех
∑ ∑
EEЕ
вспTc
∑
NЕЕ
Qпр
ст
Е
Q
кот
ех
N
++++
ηη
. (1.28)
ст
кэс
ех
4. Внутренние источники энергии технологической установки
полезно не используются, то есть
∑
=
ех
∑ ∑
Tc
пр
+++
EEЕ
всп
Е
Q
эту
Q
выр
Q
++
+
кот
0=
NЕЕ
ст
NЕ
Q
Таким образом, приведенное выражение (1.23) для
выр
,
стст
:
. (1.29)
стэту
+
+
NN
кэс
ηη
позволяет до-
статочно убедительно обосновать наивыгоднейшую с позиций термодинамического анализа схему энерготехнологической установки. Вместе с
тем выбор наилучшей по данному показателю схемы может быть объективно сделан только при сопоставлении вариантов, обеспечиваемых внутри каждого из них оптимальными условиями работы. Другими словами,
сравниваться могут варианты схемы, имеющие оптимальные показатели.
В связи с этим задача выбора схемы должна органически сочетаться с задачами оптимизации рабочих параметров технологических и энергетических процессов, а также с нахождением оптимальных конструктивных характеристик основного технологического и энергетического оборудования. Практически такие задачи могут быть решены двумя методами.
Первый метод основан на установлении аналитических зависимостей между величинами, характеризующими термодинамическую
эффективность установки или ее отдельной части, и параметрами, которые могут меняться внутри определенного варианта схемы. По полученному развернутому выражению эксергетического к.п.д. известными математическими методами находят комплекс параметров,
определяющих
ех
. Указанный путь представляется весьма за-
max
манчивым, однако практически он может быть реализован только для
простых систем или в случае малого числа характеристик, определяющих термодинамическую эффективность системы (несущественные
переменные не учитываются).
25
Второй метод основан на вариантах, когда некоторые связи между термодинамическими характеристиками и общие закономерности
утрачиваются. На основании многочисленных расчетов на ЭВМ по
специальному алгоритму удается применительно к конкретному варианту схемы найти более или менее удовлетворительное решение.
При этом, как правило, находят оптимальные значения только очевидных параметров, влияние которых на термодинамическую эффективность следует из качественного анализа схемы.
ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1
1. Что такое техническая система в теплоэнергетике и теплотехнике? В
чем отличие системы от установки?
2. Материальный и тепловой баланс технической системы и технической
установки.
3. Коэффициент полезного использования материала. Потери материаль-
ных потоков.
4. Уравнение энергетического баланса технической системы и установки.
Коэффициент полезного энергоиспользования.
5. Покажите взаимосвязь уравнения материального и энергетического ба-
лансов. Почему ошибка, допущенная в уравнении материального баланса, приводит к неверному результату в уравнении энергетического баланса?
6. Как определить полезно использованную энергию в процессах сушки,
ректификации, «абсорбция-десорбция», выпаривания и др.?
7. Выбор показателя эффективности энергоиспользования для внутри-
производственных систем получения и распределения конечных для данной
технологии энергоносителей.
8. Основные недостатки применения коэффициентов полезного использо-
вания материальных и энергетических потоков и их следствия.
9. Что такое топливный эквивалент электрической и тепловой энергии? В
чем их физический смыл?
10. Эксергетический баланс. Что такое эксергия?
11. Физическая и химическая эксергия.
12. Расчет химической эксергии. Методика Шаргута и ее основные положения.
13. Понятие эксергии теплового потока и основные уравнения эксергии.
14. Потери эксергии: внешние и внутренние.
15. Эксергетический КПД и термодинамическое совершенство системы.
26
16. Как осуществить выбор оптимального варианта системы?
17. Что такое технико-экономический анализ?
18. В чем заключается универсальность эксергетического КПД?
Глава 2. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ
ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ В РЕКУПЕРАТИВНЫХ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
Теплообменный аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементов энергетических и технологических установок. На теплообменные аппараты приходится значительная доля
капиталовложений. Так на современных предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности капиталовложения в теплообменные
аппараты достигают 40-50 %, на газобензиновых заводах – 40 %, на
предприятиях химической промышленности – 18-20 % от общих капиталовложений в оборудование. На теплообменные аппараты приходится также значительная доля эксплуатационных расходов технологических установок. Амортизационные отчисления, расходы на обслуживание и ремонт теплообменных аппаратов часто выше, чем для
других категорий оборудования.
Теплообменные аппараты, как и другие элементы технологических установок, работают в условиях переменного режима. Однако
эксплуатационные характеристики теплообменных аппаратов зависят
не только от изменения расходных режимов и технологических параметров потоков, но и от таких временных факторов, как накопление
загрязнений, накипи, сажи, смолы на теплопередающих поверхностях, появление коррозионных разрушений элементов аппарата.
Общие принципы, которыми обычно руководствуются при выборе формы поверхности и типа аппарата можно определить следующим образом:
1. Необходимо тщательно выявить и оценить условия и требования,
предъявляемые к теплообменному аппарату технологической схемой:
вид и качество теплоносителей, расходы теплоносителей и их параметры
27
(температура и давление), токсичность и коррозионные свойства тепло-
носителей и возможность их смешения, необходимость и возможность
очистки поверхностей теплопередачи, потери напора теплоносителей,
способ установки теплообменника, ориентировочные габариты аппарата, масса единицы поверхности и так далее.
2. Необходимо найти возможные формы поверхности теплопере-
дачи и конструктивные решения, учитывающие технологические требования.
Новые технологические процессы потребовали расширения пределов давления и температуры по сравнению со считавшимися ранее
обычными для теплообменников. В настоящее время теплообменники широко применяются в области как низких температур, когда требуется применение материалов с высокой ударной вязкостью при
низких температурах, так и в области высоких температур, когда
важным фактором становится высокое сопротивления ползучести.
Кожухотрубные теплообменники с U-образными трубками, требующие наименьшего количества прокладочных соединений, широко
применяются в процессах, сопровождающихся высоким давлением и
значительной разностью температур теплоносителей. Теплообменники с плавающей головкой предпочтительны в случаях, когда важно
обеспечить легкость очистки внутренних поверхностей и возможность замены отдельных трубок. Кожухотрубные теплообменники с
жестко закрепленными трубными решетками широко применяются в
химической и нефтехимической промышленности, где перерабатываются относительно чистые продуктовые потоки и важно уменьшить
размеры капиталовложений.
Малые допустимые потери напора создают обычно наибольшие
трудности для проектирования. Для удовлетворении этого требования по межтрубному и трубному пространствам кожухотрубного
теплообменника можно использовать различные варианты конструкции. Если допустимые потери давления не могут быть обеспечены
обычным одноходовым аппаратом, то часто задачу удается решить
разделением потока.
28
Во многих современных процессах перерабатываются потенциально опасные продукты. Трудности усугубляются еще и тем, что в
теплообменнике могут присутствовать два потока, смешение которых
совершенно недопустимо. Примером является теплообменник, в котором осуществляется теплообмен между продуктами, содержащими
кислоту, и водой или водяным паром. Для предотвращения возможности смешения потоков широко используют два способа: переход на
теплообменники с двойными трубными решетками и плотную приварку труб к трубным решеткам. Обычно применяют кожухотрубные
теплообменники с жесткими трубными решетками и U-образные теплообменники, в которых отсутствуют внутренние соединения на прокладках.
Важным требованием, которое часто предъявляется к проектируемому теплообменному аппарату, является масса единицы поверхности теплообмена. Это требование связано как с местом установки аппарата, так и с необходимостью применения дорогостоящих материалов для его изготовления. Указанное условие может быть обеспечено
как применением кожухотрубных теплообменников с минимальным
диаметром труб пучка или оребрением поверхности теплопередачи
(для чистых и некоррозионных продуктов), так и использованием
теплообменников, изготовленных из листа.
Сравнение различных типов рекуперативных теплообменников
обычно производят по следующим показателям [4]:
Возможность изготовления из определенных материалов:
а) из стали, цветных металлов и пластмасс;
б) из чугуна и других материалов.
Гидродинамические условия работы:
а) высокие скорости в трубах и каналах;
б) высокие скорости снаружи труб и каналов;
в) возможность противотока;
г) многоходовость в межтрубном пространстве.
Удобство обслуживания:
а) чистка внутри труб и каналов;
29
б) чистка снаружи труб и каналов;
м
в
о
вс
в) частичная замена поверхности теплообмена;
г) условия ремонта.
Компактность и материалоемкость:
а) поверхность на единицу объема,
б) масса 1
2
поверхности теплопередачи,
32
мм
;
2
мкг
.
В том же издании [4] приведены массогабаритные характеристики основных форм поверхностей теплопередачи.
3. Устанавливается относительная стоимость каждого из решений, обеспечивающих требования теплотехнологической или теплоэнергетической установки предприятия.
Как видно из содержания п. 1, 2, 3, процедура выбора формы поверхности теплопередачи рекуперативного теплообменника является
достаточно длительной. Её результат во многом определяется субъективными моментами, зависящими от квалификации и опыта проектировщика. В связи с этим на стадии выбора формы поверхности
теплопередачи могут быть рекомендованы достаточно объективные и
легко определяемые показатели, в том числе термодинамические.
Часто под к.п.д. теплообменного аппарата понимают отношение
количества теплоты, воспринятой теплоносителем низкого теплового
потенциала, к количеству теплоты, отданному теплоносителем высокого потенциала:
где
Q
Q
в
о
Q
– количество воспринятой теплоты;
Q
– количество отданной теплоты;
Q
– потери теплоты в окружающую среду.
ε
1
, (2.1)
Q
вс
+==1
Q
в
С этой точки зрения всякий аппарат, имеющий хорошую изоляцию, имеет высокий к.п.д. Такой к.п.д. не учитывает основных энергетических потерь процесса теплообмена. В результате принято
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]