Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
В технической литературе по воздушным компрессорным стан-
1
вх
i
п
С
п
вв
п
∆−=
2
МПа
вв
∆
МПа
ад
η
циям приводится большое количество информации по всем этим коэффициентам, полученным на основе длительной эксплуатации и
изучения систем воздухоснабжения.
В результате с использованием указанных коэффициентов полезная мощность i-той группы однотипных пневмоинструментов может
быть записана:
n
−
1
−
кк
⋅
1
⋅⋅⋅
ηη
мехад
однзагр
, (4.8)
кк
⋅
утизн
скг
;
где
n
nR
( )
−
Т
п
1
GnN
вхiппi
1
G
– паспортный расход воздуха на пневмоинструмент,
п
– количество однотипных инструментов в группе;
t
– температура воздуха в воздухораспределительном коллекто-
µ
вх
⋅⋅⋅=
n
p
п
⋅⋅
p
о
ре производства,
р
– давление в коллекторе,
р
– потери напора при транспорте воздуха от ресивера ВКС до
коллектора,
о
;
;
ррр
,
;
– КПД проточной рабочей части пневмоинструмента по от-
ношению к изоэнтропному расширению.
Применительно к группе однотипного оборудования:
n
−
1
−
1273
ηη
мехад
к
исп
⋅⋅⋅
⋅
кк
утизн
. (4.9)
n
nR
GnN
вхiппi
µ
вх
⋅⋅⋅=
n
( )
−
1
t
п
p
п
⋅+⋅
p
о
Определенные особенности имеют место при оценке полезной
мощности струйных пневмоприемников (пескоструйных и дробеструйных устройств). Задачей этих устройств является преобразование
в соответствии с законом сохранения энергии в варианте Бернулли
потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потока
воздуха. В результате для адиабатного (изоэнтропного) процесса истечения воздуха через неподвижное сопло переменного сечения (сопло Лаваля) можно записать:
71
(
)
12221
2
1
−
2
1
пс
ад
η
2
wwhh −=−
, (4.10)
где
w
hh
– изменение энтальпии воздуха в сопловом устройстве,
кгДж
;
,
w
– скорость воздуха соответственно на выходе из соплового
элемента и в подводящем воздухопроводе (может быть принята близкой к 0),
При таком подходе полезная мощность струйного устройства
см
.
N
с учетом специфики работы может быть определена по уравнению,
аналогичному уравнению (4.9):
n
−
1
−
η
1273
ад
к
исп
⋅⋅
⋅
кк
утизн
, (4.11)
где
n
nR
GnN
вхiiпсi
µ
вх
⋅⋅⋅=
n
( )
−
1
t
п
p
п
⋅+⋅
p
о
– коэффициент, учитывающий реальный процесс истечения в
сопловом устройстве по отношению к адиабатному (например, потери на трение).
Таким образом, определение показателя энергоэффективности в
форме (4.1) в режиме конструкторского или поверочного расчетов
позволяет выявить большое число влияющих факторов и, главное,
степень влияния каждого из них. Поверочный расчет может дать информацию о целесообразности проведения реконструкции системы
воздухоснабжения в связи с изменением тарифов на электроэнергию
и режимов работы пневмоприемников.
4.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ
РАЗДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Такого рода технические системы (азотно-кислородные станции)
широко представлены в металлургической промышленности, в промышленности по производству минеральных удобрений, в нефтехимических производствах для формирования общезаводских систем инертного газа. Технологическая схема производства кислорода и азота требуемой чистоты состоит из двух взаимосвязанных, но различающихся
72
по протекающим процессам частей: получение жидкого воздуха и его
ч
кВт
⋅
⋅
−
(
)
разделение по принципам ректификации. Потребление электроэнергии
связано с осуществлением первой части технологии. Именно поэтому в
практике анализа энергоэффективности используют показатель – расход электроэнергии (
) на 1кг получаемого жидкого воздуха. Достаточно часто используется также минимальный теоретически возможный удельный расход электроэнергии, получаемый в процессе изотермического сжатия исходного (атмосферного) воздуха до такого
уровня, когда последующее изоэнтропное расширение до давления
окружающей среды позволяет перевести весь воздух в жидкую фазу
при температуре насыщения. В зависимости от температуры окружающего воздуха удельный расход электроэнергии составляет при этом
2,019,0
го сжатия
кгчкВт
. Уровень давления в конце процесса изотермическо-
3
МПа
105045 ⋅÷
(технически недостижимое давление). Сле-
дует отметить также, что в указанных цифрах не учтены энергетические характеристики систем охлаждения, обеспечивающих постоянство
температуры (см. гл. 3). Учет затрат энергии для обеспечения работы
оборотной системы водоснабжения может привести к заметному изменению удельного теоретического расхода электроэнергии.
Среди технически реализованных промышленных установок для
ожижения воздуха наиболее простой является схема с однократным
дросселированием предварительно сжатого и охлажденного воздуха
(метод Линде). Схема такой установки и изображение процессов на T-
S-диаграмме представлены на рис. 4.2.
На схеме и на T-S-диаграмме указаны соответственные точки,
характеризующие состояние воздуха. Процесс сжатия атмосферного воздуха на T-S-диаграмме условно представлен как изотермический, что обеспечивается развитыми водоохлаждаемыми элементами многоступенчатого компрессорного агрегата и оборотной системой водоснабжения с вентиляторными градирнями. В связи с
этим удельные затраты энергии на сжатие 1 кг исходного воздуха
могут быть записаны:
73
p
из
η
÷
=
из
η
1
2
3
4
5
6
7
1
кр
5
S1
1
о
TR
1
N
сж
уд
=
1
⋅⋅
ln
p
o
где в дополнении к обозначениям (4.2)-(4.9):
– КПД реального компрессорного агрегата по отношению к
, (4.12)
ηηηηµ
⋅⋅⋅⋅
элпермехизвх
теоретическому процессу изотермического сжатия (
II
VI
T
Р
T
2
I
V
IV
III
h=const
3
T
5
4
S
65,055,0
).
Р
Р
кр
1
7
6
S
а б
Р и с. 4.2. Принципиальная схема технической реализации ожижения воздуха
по методу Линде (а) и изображение процессов на T-S-диаграмме (б):
I – компрессорный агрегат с охлаждаемыми элементами; II – вентиляторная градирня
оборотного водоснабжения; III – рекуперативный теплообменник для охлаждения основно-
го потока воздуха; IV – дроссельный вентиль; V – отделитель жидкости; VI – насос обо-
ротного водоснабжения.
Тепловая нагрузка оборотной системы водоснабжения может
быть определена на основе соотношений термодинамики для изотермического процесса сжатия, согласно которым в удельном (на 1 кг
исходного воздуха) выражении:
74
p
η
1
>
−
−
ос
кг
ос
107÷
об
ε
вх
1
ln⋅⋅
p
o
, (4.13)
TR
1
т
q
=
об
µ
или с учетом реальных условий охлаждения элементов компрессорного агрегата:
т
qq
η
⋅=
, (4.14)
ор
обоб
где
– коэффициент (
ор
), учитывающий реальные условия охла-
ждения компрессорного агрегата, в том числе недоохлаждение воды
до теоретического предела.
Количество жидкого воздуха у, получаемого из 1 кг исходного,
может быть рассчитано по уравнению энергетического баланса цикла
(рис. 4.2):
qhh
27
y
=
−
где h – энтальпия воздуха в обозначенных точках,
q
– удельные (на 1
окружающей среды,
Величина
q
зависит от качественных характеристик изоляции
исходного воздуха) теплопритоки из
кгкДж
.
ос
, (4.15)
hh
57
кгкДж
;
аппаратов и трубопроводов технической системы для ожижения воздуха. Может быть принята в пределах (
)
кгкДж
в режиме кон-
структорского расчета или определена исходя из реальных условий в
режиме поверочного расчета.
С учетом уравнений (4.12)-(4.15) удельный расход энергии на получение 1 кг жидкого воздуха запишется (
p
ln
1
o
⋅
1
ηηηηµ
⋅⋅⋅
элпермехизвх
- коэффициент охлаждения для принятой
TR
⋅⋅
1
N
=
уд
В этом уравнении
кгкДж
):
⋅+
ηε
⋅
ороб
−
hhp
57
. (4.16)
qhh
−−
ос
27
системы оборотного водоснабжения (глава 3).
Внимательный анализ уравнения (4.16) позволяет отметить
большое число факторов, прямо или косвенно влияющих на энер-
75
гоэффективность установки по ожижению воздуха. Отметим некото-
1
1
С
50
−
1
МПа
4
()(
)
⋅
К
T
300
=
=
К
T
220
=
=
К
T
160
=
=
К
T
150
=
=
%6040
÷
рые из них. Во-первых, это уровень давления первоначального сжатия воздуха. Конфигурация цикла (рис. 4.2, б) позволяет видеть, что
при определенном значении
р
вообще нельзя получить жидкость.
Во-вторых, это степень недорекуперации в теплообменнике III. При
определенном положении т. 3 на изобаре
р
также нельзя получить
жидкий воздух. Это обстоятельство при технической реализации
процессов ожижения воздуха привело к появлению установок со
встроенными аммиачными холодильными машинами с изотермами
испарения около
ния основного потока воздуха при давлении
о
. Также машины используются для охлажде-
р
между двумя секция-
ми теплообменника III (рис. 4.2). Использование энергоэффективных
холодильных машин позволяет в этом случае существенно уменьшить удельные энергозатраты на получение жидкого воздуха. При
этом следует особо подчеркнуть важность грамотного подхода к
назначению условий работы теплообменников – рекуператоров (типа
III на рис. 4.2, а). Необходимо производить в режиме конструкторского расчета проверку разности температур по всей поверхности, так
как при понижении температуры сжатого воздуха в околокритической по давлению области сильно изменяется его изобарная удельная
теплоемкость. К примеру, изобарная удельная теплоемкость воздуха
при давлении
,
с
р
18,1
составляет
;
гркгкДж
:
,
с
р
59,1
;
,
с
р
,
с
р
95,1
.
10,1
;
Достаточно широкое применение в промышленной практике
для ожижения воздуха получили установки с детандерным расширением части предварительно сжатого и охлажденного воздуха.
Классическим примером подобного решения является установка по
методу Клода. По этому методу предварительно сжатый и частично
охлажденный за счет обратного потока воздух в количестве
от основного потока отбирается на детандер поршневого
типа, где расширяется до состояния, близкого к состоянию точки 6
(рис. 4.2, б) (как правило, по температуре на 2-5 град. выше, чем
76
описывает точка 6). В результате частично компенсируются затра-
<
75,065,
0
÷
<
÷
85,08,
0
÷
9590÷
%
ты энергии на предварительное сжатие воздуха и обеспечивается
более глубокое охлаждение (до
TT
) оставшегося основного по-
кр
тока воздуха. КПД поршневых детандеров по отношению к изоэнтропному расширению составляет величину порядка
. За-
метим также, что доля отбираемого на детандер воздуха и его параметры могут быть оптимизированы по минимуму удельных энергозатрат на 1 кг жидкого воздуха.
Для установок с большой производительностью по выделяемым
компонентам атмосферного воздуха (металлургическая, химическая
отрасли промышленности) применяются варианты ожижения воздуха
по методу академика П. Капицы. Отличительными особенностями
установок по этому методу является применение для предварительного сжатия воздуха турбокомпрессоров и переключаемых теплообменников регенеративного типа (насадочных). Турбокомпрессоры
имеют существенно лучшие показатели энергоэффективности при
большой производительности по воздуху, но обеспечивают меньшую
степень предварительного сжатия (до
8,07,0
рМПа
). В регенера-
кр
тивных теплообменниках достигается меньшая степень недорекуперации холода и возможность вымораживания диоксида углерода и
водяного пара из исходного (атмосферного) воздуха без применения
специальных адсорбционных или абсорбционных устройств (как это
делается в установках ожижения воздуха по методам Линде и Клода).
Важным преимуществом установок для ожижения воздуха по методу
П. Капицы является использование вместо поршневых детандеров
специально разработанных турбодетандеров с КПД по отношению к
изоэнтропному расширению
. Отбор предварительно охла-
жденного воздуха на турбодетандер составляет на промышленных
установках величину
, что связано с необходимостью конденсации оставшегося потока. Вместе с тем, как и в установках по
методу Клода, этот показатель нуждается в оптимизации по минимуму удельных энергозатрат на 1 кг жидкого воздуха при анализе энергоэффективности в режиме конструкторского расчета.
77
ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4
1. Основные направления использования сжатого воздуха как энергоно-
сителя.
2. Схема системы воздухоснабжения предприятия на базе воздушной
компрессорной станции с индивидуальной системой оборотного водоснабжения.
3. Как оценивают эффективность воздушной компрессорной станции?
4. Влияние условий работы промежуточных и концевых охладителей воз-
душной компрессорной станции на её эффективность.
5. Уравнения теплового и материального баланса промежуточного и кон-
цевого холодильника.
6. Как определить получаемую полезную мощность для пневмоприем-
ников?
7. Эмпирические коэффициенты, характеризующие условия работы
пневмоприемников?
8. Азотно-кислородные станции и области их применения.
9. Принципиальная схема технической реализации ожижения воздуха по
методу Линде и изображение процессов на T-S-диаграмме.
10. Определение удельных затрат энергии на сжатие 1 кг исходного
воздуха.
11. Тепловая нагрузка оборотной системы водоснабжения при производ-
стве сжатого воздуха.
12. Как определить количество жидкого воздуха, получаемого из 1 кг ис-
ходного воздуха?
13. Факторы, влияющие на эффективность установки по ожижению
воздуха.
14. Установка ожижения воздуха с детандерным расширением части пред-
варительно сжатого воздуха. Установка по методу Клода.
15. Ожижение воздуха по методу академика П. Капицы.
78
Глава 5. СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ
Сушка – это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за
счет подвода к материалу теплоты. Можно удалять влагу и механическим путем (отжатием), но этот метод используется только для предварительной обработки твердых и пастообразных веществ. Сушка сопровождается значительными затратами тепловой энергии. По данным А.В. Лыкова, на сушку расходуется около 12 % топлива, добываемого в стране.
По технологическим признакам сушилки можно классифицировать следующим образом:
1) по давлению (повышенного давления, атмосферные и ваку-
умные);
2) по периодичности процесса (периодического, полунепрерыв-
ного и непрерывного действия);
3) по способу подвода тепла к материалу (конвективные, кон-
тактные, радиационные и сушилка с нагревом материала токами высокой частоты);
4) по роду сушильного агента (воздушные, газовые сушилки и
сушилки на перегретом или насыщенном паре);
5) по направлению движения материала и теплоносителя (прямо-
точные, противоточные и перекрестного тока);
6) по тепловой схеме (калориферные, с дополнительным внут-
ренним обогревом сушильной камеры, с рециркуляцией части отработанного сушильного агента, со ступенчатым подогревом и комбинированные);
7) по способу нагрева (с паровым, огневым, газовым или элек-
тронагревом);
8) по циркуляции теплоносителя (с естественной, искусственной
циркуляцией, однократной и многократной циркуляцией).
В промышленной практике в отраслевых технологиях используются сушилки различного конструктивного оформления: шкафные,
79
камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцевые
o
C
o
ϕ
о
⋅
⋅
ϕ
(контактные), пневматические, распыливающие, с псевдоожиженным
слоем материала, вибрационные.
Основополагающим моментом конструкторского расчета сушильной установки является выбор метода сушки, удовлетворяющего требованиям и особенностям технологического процесса и материала. Обычно при сушке бумаги, волокна выбирается контактная сушка, при сушке удобрений и других неорганических веществ, а также
гранул пластмасс и руд – конвективная сушка и так далее. Практически всегда при выборе метода сушки приходится решать вопрос и о
сушильном агенте. Так при конвективной сушке может быть использован воздух, продукты сгорания топлива, перегретый водяной пар,
инертный газ. Выбор сушильного агента зависит от требований,
предъявляемых к чистоте материала, от необходимого температурного уровня процесса, от физико-механических свойств материала.
Итогом предыдущих рассуждений является вывод о том, что
определенному набору требований к методу сушки могут удовлетворять несколько решений по схемам сушильных установок. Учитывая
энергоемкость данного технологического процесса, окончательный
выбор должен производиться по показателям энергоэффективности.
При любой формулировке критерия энергоэффективности его
расчету предшествует (глава 1) составление материального и энергетического балансов. Рассмотрим эти процедуры применительно к
простейшему варианту воздушной сушилки с однократным предварительным подогревом сушильного агента.
Для балансовых расчетов сушилки необходимо принять расчетные параметры окружающего воздуха:
t
– температура,
o
и
–
относительная влажность, %. По этим данным могут быть найдены
любые другие параметры.
Влагосодержание
х
,
х
о
622,0
..вкгскг
:
ϕ
р
но
, (5.1)
рВ
⋅⋅−
но
01,0
⋅=
01,0
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]