Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
аналогичных) изменение режимов работы систем охлаждения приводит к увеличению или уменьшению количества выделяемой жидкой
части головной фракции. Ясно, что технологическая и экономическая
эффективности соответствующей промышленной установки также
будут меняться.
Обобщая вышеприведенную информацию по данным технологиям можно констатировать их основное требование к системам охлаждения: чем ниже температура охлаждающего агента, тем лучше
технологические и экономические показатели производства.
Большая группа технологических производств не предъявляет таких жестких требований к температуре охлаждающих агентов. Речь
идет о промышленных технологических установках с оптимальным
температурным уровнем процессов в пределах 60-400 оС. К ним относятся технологии, в которых системы охлаждения используются для
обеспечения оптимальных температурных условий реакторных
устройств и конденсаторов высококипящих жидкостей. Характерной
особенностью указанных технологий является необходимость отвода
больших количеств теплоты в стабильном по времени режиме. Нарушение режима отвода теплоты приводит, как правило, к нарушениям
технологических процессов в следующих за реакторным устройством
установках выделения, разделения и очистки продуктов реакции. Заметим также, что высокий оптимальный температурный уровень технологического процесса в реакторе позволяет использовать испарительное
охлаждение. Примеров таких решений в производственной практике
технологий органического синтеза достаточно много. Можно назвать
производство нитрила акриловой кислоты (НАК) каталитическим
окислительным аммонолизом пропилена. Оптимальная температура
синтеза находится на уровне 435-440 оС. Реакция синтеза экзотермическая и требует отвода больших количеств теплоты, что возможно на
основе испарительного охлаждения реакторного устройства.
Особую группу технологий с использованием систем охлаждения
представляют металлургические производства и производства неорганической химии. Речь идет в первую очередь о доменных, марте-
41
новских и нагревательных печах черной металлургии, многочисленных по назначению печах цветной металлургии, об обжиговых печах
технологий неорганической химии. Основная задача систем охлаждения элементов печей, работающих в тяжелых условиях, состоит в
предотвращении их прогара, повышении стойкости огнеупорной
кладки и создании стабильного профиля температур. Охлаждение
элементов позволяет поддерживать температуру их стенок в пределах, не допускающих разрушение и повышенный износ материала,
создает температурные условия, необходимые для образования защитных оболочек у стенки соответствующей детали (гарниссаж). Допустимая для длительной эксплуатации температура стенки и футеровки охлаждаемых элементов зависит от свойств материала и изменяется для металлов от 400 до 800 оС (углеродистая сталь 20К – 400
о
С, высокохромистая жаростойкая Х30 – 850 оС; огнеупоры: шамот-
ный кирпич – 1300 оС, магнезитовый – до 1500 оС).
Таким образом, эффективная работа систем охлаждения для
обеспечения высокотемпературных технологий позволяет повысить
надежность функционирования соответствующих агрегатов и
предотвратить нерациональное расходование топливноэнергетических ресурсов. Более того, применение испарительного
охлаждения как альтернативы другим охлаждающим системам позволяет обеспечить существенное повышение экономических показателей производства.
Установки и системы для охлаждения технологических материальных потоков представлены в современной промышленной практике устройствами (аппаратами) воздушного охлаждения, системами
оборотного водоснабжения и холодильными установками парокомпрессионного и абсорбционного типов. Во всех случаях отвод теплоты от технологических потоков производится в окружающую среду и
во всех случаях сопровождается потреблением энергии (электрической или тепловой).
42
3.1. ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ
АВО
В
ТП
АВО
ε
ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Аппарат воздушного охлаждения (АВО) представляет собой
определенным образом скомпонованный пучок труб с наружным
оребрением, оборудованный вентилятором отсасывающего или
нагнетательного типа. Внутри трубок проходит охлаждаемый (конденсируемый) технологический поток. Со стороны оребренной поверхности проходит воздух в количестве, определяемом производительностью вентилятора. Переменные режимы работы вентилятора в
зависимости от параметров окружающего воздуха обеспечиваются
передаточным числом редуктора и переменным углом поворота лопастей. Применяемые в промышленной практике АВО различаются
способами компоновки оребренной поверхности и вентилятора, материалами трубок и оребрения. Необходимую информацию по типовым АВО можно получить из пособия [5].
В качестве показателя энергоэффективности АВО может быть
использован коэффициент охлаждения ε по аналогии с холодильным
коэффициентом установок, в которых получают энергоносители с
температурой ниже температуры окружающей среды (холодильные
установки). При этом коэффициент охлаждения для АВО может быть
записан:
АВО
NNQ+
, (3.1)
ТПВ
где
Q
– полезный теплоотвод от технологического потока, кВт;
N
– потребляемая мощность вентилятором АВО, кВт;
N
– мощность, затрачиваемая на преодоление гидравлического
ε
АВО
=
сопротивления по тракту технологического потока АВО, кВт.
Коэффициент охлаждения
может быть использован при вы-
боре наиболее энергоэффективного АВО, а также при анализе систем
комбинированного охлаждения (конденсации) технологических потоков для выявления энергетически целесообразных температурных
интервалов работы отдельных охлаждающих систем в условиях пе-
43
ременных параметров окружающей среды. Составляющие выражение
(
)
⋅−⋅
=
C
+
=
п
м
1
α
α
(
)
м
ст
δ
ст
λ
(
)
⋅
(
)
1
α
(3.1) могут быть определены на основе конструкторских теплового и
гидрогазодинамического расчетов АВО или в режиме поверочных
расчетов при принятых конструктивных характеристиках охлаждающего устройства. Наибольшее внимание при этом должно быть уделено расчету показателей со стороны оребренной части теплообменной поверхности АВО.
В соответствии с общим уравнением теплопередачи применительно к оребренной поверхности можно записать:
FttkQ
, (3.2)
рсffрсАВО
21
где kpc – коэффициент теплопередачи через оребренную с внешней
стороны поверхность:
где
t
– средние температуры теплоносителей,
f
FFF
площади ребер
F
2
,
;
,
– соответственно коэффициент теплоотдачи с гладкой
пр
2
k
=
рс
α
– площадь ребристой поверхности стенки, равная
пррс
F
и площади стенки в промежутках между ребрами
р
δ
ст
R
++
1
ст
1
, (3.3)
F
рс
..
внзагр
F
11
R
++⋅
αλ
2
прc
o
;
загр
.
стороны и приведенное значение со стороны ребристой поверхности,
2
грмВт ⋅
;
F
– площадь гладкой поверхности стенки,
с
,
– толщина и коэффициент теплопроводности материала
стенки (без ребер), соответственно, м,
R
ны ребристой и внутренней поверхности,
загр
,
R
.
– термическое сопротивление загрязнения со сторо-
..
внзагр
2
Определение значения коэффициента теплоотдачи
2
;
грмВт
;
⋅
Втгрм
.
обычно не
вызывает затруднений и зависит от правильного понимания физиче-
44
ских процессов, протекающих при охлаждении (конденсации) техно-
2
α
2
b
α
⋅
⋅
b
d
h
w
λ
ν
1
δ
1
σ
м
логических потоков в АВО.
Для определения
(в неприведенном значении) используются
критериальные уравнения различных авторов.
Расчет коэффициента теплоотдачи
α
в пучках трубок с круглы-
ми и квадратными ребрами, обтекаемыми поперечным потоком газа,
d
в области значений
f
43
102103Re ⋅÷⋅=
и
3,43 ÷=
может быть про-
изведен по критериальному уравнению, полученному во Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ):
14,054,0
−−
h
⋅
b
, (3.4)
где
Nu
b
2
=
f
λ
;
f
cNu
Re
m
⋅⋅=
ff
b
d
bw
ν
;
f
=Re
f
– шаг ребер, м;
– наружный диаметр трубок, м;
– высота ребра, м;
– скорость воздуха в узком сечении пучка при средней темпе-
ратуре, м/с;
,
f
– коэффициенты теплопроводности и кинематической
f
вязкости воздуха при средней температуре.
Для определения скорости воздуха рассчитывается площадь
наиболее узкого сечения теплообменной секции АВО σ:
δ
⋅⋅
σ
⋅
, (3.5)
1
⋅
bS
где
S
– поперечный шаг трубок в пучке, м;
σ
1
S
2
d
h
+−=
11
– средняя толщина ребра, м;
– полное расчетное сечение газохода без учета перекрытия ча-
сти оребренными трубками,
2
.
45
Значение постоянных величин с и т в уравнение (3.4):
72,0
=
т
104
,
0
=
с
1,0
=
с
65,0
=
т
223
,
0
=
с
205
,
0
=
с
2
111
α
⋅
d
678
,
0
=
m
614
,
0
=
A
– для коридорных пучков труб
бер и
– для квадратных ребер;
– для шахматных пучков труб
бер и
– для квадратных ребер.
Во ВНИИнефтемаше для определения
;
;
α
в пучках оребренных
для круглых ре-
для круглых ре-
труб рекомендуется другое критериальное уравнение:
33,0
PrRe ⋅⋅=mANu
, (3.6)
где
Nu⋅=
1
2
λ
d
;
Re
=
1
1
ν
dw
;
1
– наружный диаметр трубок, м.
Индекс «1» показывает, что соответствующая теплофизическая
величина берется для воздуха при температуре на входе. В качестве
такой температуры для АВО может приниматься средняя температура 13 часов или средняя месячная самого жаркого месяца года. В результате будут различными допускаемые продолжительности необеспечения расчетной конечной температуры технологического потока. Влияние этого негативного момента на эффективность работы
АВО может быть уменьшена при оборудовании соответствующих
установок коллекторами для впрыска воды в поток воздуха перед
теплообменной оребренной поверхностью. При этом температура
воздуха понижается до значения, близкого к температуре мокрого
термометра. Такой прием особенно эффективен для географических
районов с низкой относительной влажностью воздуха в летний период. Ясно, что впрыскиваемая в поток воздуха вода должна быть соответствующим образом подготовлена во избежание отложения солей
карбонатной жесткости на элементах оребренной поверхности.
Для уравнения (3.6):
– для стальных трубок и алюминиевых ребер
46
,
;
– для алюминиевых трубок и алюминиевых ребер
76,0=m
276
,
0=A
1
α
0
θ
1
θ
θ
2
(
)
+⋅=
Nu
Gr
.
,
Скорость воздуха для расчета
Re
относится к наиболее узкому
сечению теплообменного блока в соответствии с уравнением (3.5).
Приведенный коэффициент теплоотдачи
для уравнения (3.3)
пр2
и относящийся к внешней ребристой поверхности учитывает неравномерность теплообмена по поверхности ребер. Определяется по соотношению:
F
F
п
, (3.7)
рс
– разность
пр
αα
⋅=
22
F
F
p
pc
θ
⋅
0
+
⋅
θ
1
где в дополнение к обозначениям уравнений (3.2), (3.3)
между температурой поверхности ребер и воздуха;
– разность между температурой основной поверхности труб и
воздуха на входе в аппарат.
Отношение
0
может быть найдено с использованием геометри-
θ
1
ческих характеристик оребренной трубы с учетом значения коэффициента теплопроводности материала ребер.
В зависимости от температуры окружающего воздуха АВО может работать в безвентиляторном режиме. В этом случае для определения
α
могут быть использованы критериальные уравнения, опи-
сывающие интенсивность теплоотдачи при естественной (свободной)
конвекции в следующем виде:
25,0
Pr
Pr
m
ст
. (3.8)
n
( )
GrcNu
Pr
⋅⋅⋅=
mmm
В этом уравнении индекс «m» обозначает определяющую температуру
5,0
ttt
, необходимую для определения теплофизиче-
стfm
ских свойств воздуха. В качестве определяющего размера при расчете
и
принимается наружный диаметр трубок оребренного труб-
47
ного пучка. Значения коэффициента «c» и показателя степени «n»
m
m
⋅
<
0,5,0
=
=
n
c
10510⋅÷
125
,0,18,
1
=
=
n
c
102105⋅÷⋅
25,0,54,0
=
=
n
c
102⋅
>
333
,0,
135
,
0
=
=
n
c
2
α
вi
∆
⋅
вi
ρ
i
η
вi
Eu
h, b, d
являются функцией комплекса
−
Полученное значение
7
-
Gr Pr
310−
-
23
-
72
-
:
;
;
;
.
приводится к условиям ребристой по-
верхности по уравнению (3.7).
Затраты мощности
N
на преодоление сопротивления оребрен-
ного трубного пучка АВО по воздуху определяются по известному
соотношению при различных режимах эксплуатации:
pG
N
=
вi
1000
iвi
, (3.9)
ηρ
⋅⋅
iвi
где
– плотность воздуха в обозначенном режиме эксплуатации,
3
мкг
;
– общее значение КПД вентилятора и привода;
G
– производительность вентилятора,
скг
.
Для определения сопротивления трубного пучка АВО могут быть
использованы критериальные соотношения с определением критерия
Эйлера
[6]:
– для шахматного расположения труб:
72,0
∆
ρ
p
⋅⋅=
2
⋅
w
f
g
Eu
=
f
−
b
Re99,0
d
⋅
24,0
−
; (3.10)
f
– для коридорного расположения труб:
58,03,0
∆
ρ
p
2
⋅
w
f
Eu
=
f
h
⋅⋅=
g
d
⋅
−
b
Re085,0
d
⋅
08,0
−
. (3.11)
ст
В уравнениях (3.10) и (3.11): g– число рядов труб вдоль потока
воздуха;
– в соответствии с пояснениями к уравнению (3.4);
определяющий размер в критерии Рейнольдса – d.
48
3.2. ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ
об
ε
техн
кВт
вд
кВт
во
вд
во
во
НА ОСНОВЕ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Вода используется практически во всех промышленных технологиях. Водопотребление для охлаждения технологических потоков
имеет масштабы, значительно превосходящие все остальные направления использования воды. В соответствии с Водным кодексом РФ
использование воды для охлаждения технологических потоков может
быть организовано на промпредприятиях только на основе оборотных
систем водоснабжения.
В наиболее общем случае коэффициент охлаждения для таких
систем
где
Q
N
пр
будет иметь вид:
Q
=
ε
об
техн
, (3.12)
NNN
++
вовдпр
– полезный теплоотвод от технологических потоков,
,
N
– затраты мощности на преодоление сопротивления
;
технологической водоохлаждаемой аппаратуры соответственно по
тракту технологического потока (в случае необходимости) и воды,
;
N
– дополнительные затраты энергии, связанные с работой вы-
бранного типа водоохлаждающего устройства.
Определение
N
пр
и
N
для выражения (3.12) обычно не вызыва-
ет сложности и выполняется по методикам гидравлического расчета
теплообменной аппаратуры. В обстоятельном обсуждении нуждается
определение
N
как и выявление факторов, влияющих на его значе-
ние. Отметим, что применяемые в промышленной практике водоохлаждающие устройства характеризуются большим разнообразием.
В большинстве учебных и научно-технических изданий представлена
подробная классификация таких устройств и даны характеристики
отдельных типов. В соответствии с особенностями устройства водоохладителей и их принципом действия меняются соотношения фак-
N
торов, влияющих на общее значение
49
.
Во-первых, при определении
во
во
во
2
(
)
1
2
1
τ
С
1812−
N
должно быть учтено располо-
жение водоохлаждающего устройства на промплощадке и его удаленность от основных технологических потребителей воды. Особенно это касается централизованных систем оборотного водоснабжения
и прудов-охладителей в качестве основного водоохлаждающего
устройства. Пруды-охладители, как правило, находятся на значительном удалении от основной промплощадки и трубопроводный транспорт воды связан с существенными затратами энергии.
Во-вторых, при определении
N
необходимо учитывать допол-
нительный напор воды перед сопловыми устройствами водоохладителей брызгального типа (брызгальные бассейны, открытые брызгальные градирни, брызгальные башенные и вентиляторные градирни). При этом нужно иметь в виду, что величина создаваемого напора
в значительной мере определяет охладительный эффект соответствующего устройства (температуру охлажденной воды).
В-третьих, в водоохладителях безнапорного распределения воды
с оросительными устройствами капельного и пленочного типов при
определении
N
необходимо учитывать дополнительный подъем во-
ды до уровня водораспределительного устройства. Для современных
башенных и вентиляторных градирен отметка водораспределителей
соответствует величина 20-25 метров над нулевым уровнем. При
большой гидравлической нагрузке градирен доля этого фактора становится весьма ощутимой.
Особый интерес для исследования по показателю энергоэффективности (3.12) представляют оборотные системы водоснабжения с
вентиляторными градирнями. Несомненное преимущество вентиляторных градирен состоит в обеспечении при больших объемах охлаждаемой воды температуры воды
t
, незначительно отличающейся от
теоретического предела охлаждения для расчетных условий окружающего воздуха -
τ
o
Ct
64
÷=−
, где
– температура мокрого тер-
мометра воздуха. Для сравнения это недоохлаждение для башенных
о
градирен составляет при различных размерах
50
. Вместе с тем
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]