Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
где
н
o
Па
В
Па
о
(
)
ooo
о
⋅+⋅+=
1
2
2
ϕ
1
2
=
2
2
ϕ
2
2
2
ϕ
1
2
w
w
р
– упругость водяного пара при температуре воздуха
t
,
;
– барометрическое давление,
Энтальпия
h
,
..вкгскДж
:
.
txth
97,12493
. (5.2)
Температура и относительная влажность выбираются по справочным среднегодовым данным для того географического региона, в
котором будет установлена сушилка, для летних и зимних условий.
Температура сушильного агента на входе в сушильную камеру
t
выбирается в зависимости от допустимой температуры сушки для
данного материала по известным производственным либо литературным данным. При отсутствии таких данных определяется путем
опытной сушки материала в условиях, близких к производственным.
Параметры сушильного агента на выходе из сушилки (
t
и
)
обычно при аналитическом методе принимаются либо на основе
практических данных, либо на основе экспериментальных результатов, либо в предположении адиабатного (
ли известна температура
выходящего воздуха
t
, то задаются относительной влажностью
и рассчитывают
теплового баланса сушилки величина
уточняется на основе ряда
hh
) процесса сушки. Ес-
h
и
х
. После составления
последовательных расчетов.
Количество влаги, удаляемой из материала в процессе сушки, W
(
скг
) определяется при заданных расходах влажного
сухого
G
или сухую
скг
материала, показателях влажности
c
, % массу материала:
GW
oo
ww
−
21
G
⋅=
1
−
w
o
2
100−−
GG
⋅=
12
100
⋅=
2
100100 −
o
w
1
. (5.4)
o
w
2
−
oo
ww
21
; (5.3)
o
w
1
G
,
o
, % на общую
скг
или
Возможные потери материала, связанные с уносом его сушильным агентом, учитываются для каждого типа сушилки отдельно.
Кроме того, принято обозначать влажность материала на общую мас-
81
су без индекса, то есть
ww=
v
F
F
⋅
τ
о
1
2
o
. Заметим также, что для последующей
оценки потерь теплоты в окружающую среду на этом этапе расчета
очень часто производят предварительный выбор размеров сушильной
камеры. Для этого используют данные каталогов с учетом опыта работы сушилок или специальные укрупненные показатели. Например,
для барабанных сушилок в справочной литературе можно найти значения напряжения объема (или поверхности) сушильных камер по
влаге
А
, [
t
ϕ
3
смкг ⋅
] (
A
, [
2
смкг ⋅
]) для различных материалов:
W
A
=
v
,
V
⋅
τ
(5.5)
W
A
=
F
Греющий
теплоноситель
К
w,,G
θ
222
t
o
o
x
o
1
h
1
хx
=
.
w,,G
θ
111
t
2
h
2
x
Р и с. 5.1. Расчетная схема воздушной сушилки:
В – вентилятор; К – калорифер; СК – сушильная камера;
-----
____
–
материал;
–
сушильный агент
Имея в виду, что удельный (на 1 кг влаги) расход сушильного
агента определяется
=
1
, то расход воздуха при летних услови-
xxl−
o
2
ях будет больше и определять производительность вентилятора надо
при этих условиях. С другой стороны теплопроизводительность ка-
82
лорифера
(
)
o
к
−⋅=
1
o
⋅
1
θ
⋅
w
1
θ
(
)
1"2
м
(
)
⋅
⋅
⋅
С
С
=
(
)
o
к
−⋅=
1
доп
2
⋅
(
)
2"2
W
hhlq
условий.
Приходные статьи баланса:
должна быть больше для зимних расчетных
1) с сушильным агентом
2) с влагой материала
hl
;
c
(
– температура материала на вхо-
де в сушильную камеру. Обычно задается, так как зависит от условий
предыдущего технологического процесса);
3) с материалом
ходе из сушильной камеры.
θ
⋅⋅мcWG
при заданной влажности на вы-
"
c
– удельная изобарная теплоемкость
материала (определяется по правилу аддитивности);
4) с транспортными устройствами
где
G
– условный расходный показатель транспортного устройства,
тр
скг
;
с
– средняя теплоемкость материала транспортного устройства,
тр
tcWG
,
1тртртр
гркгкДж
;
t
– начальная температура транспортного устройства,
1тр
Тогда
t
– конечная температура, близкая к температуре возду-
2тр
ха в конце сушки,
о
. Если транспортное устройство отсутствует или
о
.
его функции осуществляются только внутри сушилки, то эта статья
может быть исключена
5) от источника теплоты в калорифере
6) от дополнительных источников теплоты
tt
.
21 тртр
hhlq
;
q
.
Расходные статьи баланса:
1) с уходящим из камеры сушильным агентом
2) теплота с высушенным материалом
hl
;
θ
⋅⋅мcWG
;
Тогда теплоту, расходуемую на нагрев материала, можно рассчи-
тать по уравнению:
q
G
"
2
c
83
мм
( )
θθ
−⋅⋅=
12
. (5.6)
При сушке в зимних условиях, когда часть влаги может замерз-
W
W
W
(
)
1
1
λ
л
⋅
(
)
⋅
⋅
W
5
W
∆⋅⋅
F
м
t
∆
C
()(
)
θ
⋅−+++−=−⋅
()()(
)
222
oосв
o
+−⋅⋅+⋅=−⋅
нуть, количество теплоты на нагрев материала определяется:
"
W
скг
;
'
wwG
111
,
'
гркгкДж
;
θλθθ
⋅+⋅+−⋅⋅=
c
лмм
кгкДж335
;
, (5.7)
1
где
"
– количество замершей влаги,
q
'
w
– влажность материала, ниже которой влага не замерзает, %;
G
2
W
"
( ) ( )
c
"
=
100 w
12
−⋅
−
– удельная теплота таяния льда,
с
– теплоемкость льда,
09,2
3) теплота с транспортными устройствами:
tcWG
.
2тртртр
Тогда теплоту, расходуемую на нагрев транспортных устройств,
можно рассчитать по уравнению,
кгкДж
:
G
q −⋅⋅=
тр
тр
4) потери теплоты в окружающую среду
( )
ttc
12 тртртр
q
; (5.8)
,
кгкДж
:
tFk
q
=
5
,
где k – коэффициент теплопередачи от сушильного агента в окружающую среду через стенку сушильной камеры с теплоизоляцией,
2
грмВт ⋅
;
– поверхность сушильной камеры, обращенная в окружающую
среду,
2
;
– разность температур при расчетных условиях,
o
.
Приравнивая суммы приходных и расходных статей баланса, по-
лучаем:
Для уравнения (5.9) легко преобразовать:
97,1
84
cqqqhhlhhl
. (5.9)
1521
wтрмoo
httхclhhl
. (5.10)
В результате уравнение (3.9) будет иметь вид:
()()()(
)
+++⋅−+−⋅⋅+⋅=−⋅=
θ
++++=
1
(
)
1
2
θ
⋅
−
w
2
2
w
⋅
2
()(
)
o
о
св
−⋅⋅+⋅
2
св
⋅
1
2
o
η
(
)
θ
η
⋅−⋅
к
97,1 qqqchttxclhhlq
или в окончательном выражении:
где
q
– удельный расход теплоты на испарение влаги из материала с
учетом перегрева,
h
– энтальпия водяного пара в составе сушильного агента (воз-
духа) при температуре
с
– изобарная удельная теплоемкость воды,
q
– удельный расход тепла на нагрев воздуха с влагосодержани-
ем
x
,
o
c
– удельная изобарная теплоемкость сухого воздуха,
гркгкДж
97,1
.
ch
t
,
,
кгкДж
ttхcl
,
;
трмwooсвoк
qqqqqq
, (5.11)
трмк
кгкДж
;
кгкДж
;
521
гркгкДж
;
51221
Исходя из технологического назначения сушильной камеры
характеризует полезное использование подведенной теплоты, а
q
q
определяют как потери теплоты на нагрев транзитного потока воздуха (при
x
). В итоге тепловая эффективность сушильной камеры:
ск
==
q
q
q
11
трмк
. (5.12)
qqqqq
++++
521
В другом выражении:
chW
w
12
, (5.13)
где
Q
– количество теплоты, подведенной к сушильному агенту в
ск
=
Q
к
калорифере или каким-либо другим способом.
Как следует из анализа уравнений (5.12), (5.13), тепловая эффективность сушильной камеры определяет степень совершенства процессов тепло- и массообмена и не зависит от вида сушильного агента
и источника теплоты. При увеличении рассматриваемой системы до
уровня сушильной установки в целом энергетическая эффективность
определяется:
85
(
)
⋅−⋅
ciW
θ
η
к
η
∑
(
)
2
θ
+
≅
w
∑
12
, (5.14)
NQ
су
=
η
+
кк
где
– тепловая эффективность устройства для подвода тепла к су-
шильному агенту;
N
– потребляемая мощность электропривода вентилятора,
дымососа, транспортера материала, подвергаемого сушке, электрофильтра.
При таком определении энергетической эффективности должны
обязательно учитываться дополнительные (к сушильной камере) сопротивления всех элементов по тракту сушильного агента (например,
циклонных устройств). Показатель в виде (5.14) широко применяется
при тепловых испытаниях сушильных установок по программе энергоаудита промышленных предприятий.
Использование в уравнении (5.14) качественно различных форм
энергии делает необходимым для более объективной оценки энергетической эффективности сушильных установок различных типов
применение эксергетических балансов и эксергетического к.п.д. Общие соотношения для оценки эксергии потоков веществ и энергии
представлены в главе 1. Отметим только некоторые моменты расчета
эксергии, характерные для процессов сушки.
Выше было показано, что полезные затраты энергии (а, следовательно, и эксергии) в сушильной камере связаны с удалением влаги.
В связи с этим:
T
ос
, (5.15)
T
где
T
273
, K.
пол
qWЕ
−⋅⋅=
1
1
Значительную долю в расходной части эксергетического баланса
составляют потери от смешения испарившейся из материала влаги и
сушильного агента. В этом необратимом процессе пары влаги, диффундирующиеся в газ, расширяются до парциального давления водяного пара в сушильном агенте без совершения работы.
86
В связи с этим:
смоссм
∆⋅=
∆
см
∆
см
∆
моль
кг
⋅
()(
)
смiiii
см
⋅⋅⋅=∆
∑
i
i
см
где
S
– абсолютное изменение энтропии в процессе смешения.
Для оценки
альных газов (на
где
Mm ,
– массовая доля и молекулярная масса i-го компонента
S
можно воспользоваться соотношением для иде-
смеси):
ln
SТЕ
, (5.16)
MmMMmRS
, (5.17)
смеси;
M
– кажущаяся молекулярная масса смеси.
Потери эксергии от необратимости внешнего теплообмена между
сушильным агентом и материалом, как правило, наиболее существенны в балансе. Конкретные соотношения для оценки этих потерь
могут быть взяты из главы 2 настоящего издания.
ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5
1. Классификация сушилок и типы сушильных установок.
2. На основании каких данных и предположений выбирается
метод сушки?
3. Уравнение материального баланса для процесса сушки.
4. Уравнение энергетического баланса для процесса сушки.
5. Расчетная схема сушильной установки.
6. Тепловая эффективность сушилок.
7. Для чего производится аэродинамический расчет сушильной
установки?
8. Потери эксергии от необратимости внешнего теплообмена
при сушке.
9. Эксергетический КПД сушки.
10. Эксергетический баланс сушильной установки.
87
Глава 6. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ
Высокотемпературные теплотехнологические установки (ВТТУ)
достаточно хорошо представлены в стратегически важных отраслях
промышленного производства. Необходимо отметить в первую очередь черную металлургию, основными производственными процессами которой являются подготовка железорудных концентратов на
аглофабрике, производство кокса в коксовых печах, доменная плавка
чугуна и передел его в мартеновских печах или кислородных конвекторах, прокат металла, включающий его предварительный нагрев в
различных печах и устройствах. Все производственные процессы сопровождаются высоким температурным уровнем в рабочих камерах,
использованием высококачественного технологического топлива и
большими потерями тепла с отходящими дымовыми газами и в окружающую среду.
Огнетехнические процессы и, соответственно, ВТТУ в цветной
металлургии широко применяются при производстве тяжелых металлов: меди, свинца, олова, цинка и никеля. Методы и схемы этих производств по сравнению с черной металлургией более разнообразны,
что объясняется существенным различием физико-химических
свойств этих металлов, а также бедностью, разнообразием и комплексностью исходных рудных соединений. Удельный расход технологического топлива составляет при этом 0,2-0,4 т.у.т. /т. продукта.
Различные металлонагревательные и металлоплавильные печи
машиностроительного комплекса в зависимости от их назначения и
тепловой мощности имеют коэффициент производственного использования теплоты в пределах 10-30%. Основные потери связанны с отходящими дымовыми газами (до 60%) и потерями теплоты в окружающую среду (до 20-25%), что является следствием малой тепловой
мощности и в ряде случаев периодичности действия большинства
нагревательных печей.
88
Многообразие технологических схем и применяемых энергоносителей, а также масштабов их потребления является характерным
для производств химической, нефте- и газоперерабатывающей промышленности. Вместе с тем парк ВТТУ этих производств является
значимым потребителем технологического топлива со всеми вытекающими из этого последствиями. Следует отметить производство серной кислоты и фосфорных удобрений с печами псевдоожиженного
слоя и циклонной плавки нефте- газоперерабатывающие предприятия
и производства синтетического каучука с трубчатыми печами различного технологического назначения.
Производства цемента, строительного и огнеупорного кирпича,
извести, стекла относятся к числу крупнотоннажных и весьма топливоемких производственных процессов, которые базируются на высокотемпературном обжиге или плавлении технологической шихты.
Удельный расход условного топлива на 1т. цементного клинкера
0,15-0,18 т. при сухом способе получения сырьевой смеси и доходит
до 0,23-0,25 т. при «мокром» способе. При производстве красного
строительного и огнеупорного кирпича формованные изделия подвергаются обжигу в специальных кольцевых или туннельных печах
при температуре 1700 °С (специальные огнеупоры). При этом удельный расход условного топлива доходит до 0,2 т. на тонну готового
изделия. Более топливоемким является стекольное производство.
Температура расплава в ванных печах находится на уровне 1200-1400
°
С, и удельный расход условного топлива (преимущественно газооб-
разного) составляет 0,5-0,6 т./т. стекольной массы.
Таким образом, ВТТУ, в которых происходит или непосредственное сжигание или термохимическое превращение топлива, имеют важнейшее значение для многих отраслей промышленности,
определяющих экономический потенциал государства. Значительные
удельные расходы высококачественного топлива позволяют рассматривать эти установки как технические системы с большим потенциалом энергосбережения.
89
6.1. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
η
ТП
кВт
ТМ
кВт
кВт
кВт
ХТ
кВт
1
кВт
ээ
В процедуре оценки энергоэффективности ВТТУ принципиально
важным остается показатель (критерий) энергоэффективности. В
начале 60-х годов прошлого столетия в работах кафедры ЭВТ Московского энергетического института (профессор Семененко Н.А.) было предложено определять энергетический КПД производственного
огнетехнического процесса (подчеркнуто нами) по следующему выражению:
+−
n
∑
1
QQQ
ЭНД
, (6.1)
⋅++
qNQQ
ээni
скДж
(
);
где
Q
– теплота технологического продукта,
ПЭ
=
ХТ
ТМТП
ЭКЗ
Q
– теплота исходных технологических материалов,
Q
– теплота эндотермических реакций (относят к
ЭНД
;
технологическому продукту или к исходным технологическим
материалам),
Q
Q
ЭНД
Q
∑
– теплота экзотермических реакций в шихте (аналогично
ЭКЗ
),
;
– химически связанное теплота топлива,
n
⋅
qN
ээni
– суммарное потребление электроэнергии в ВТТУ
;
;
(дымососами, дутьевыми вентиляторами, приводом транспортеров и
т.д.),
q
;
– удельный расход теплоты топлива на единицу электриче-
ской энергии,
кДжкДж
(величина, обратная КПД нетто конденса-
ционной электрической станции).
Более удобным для выявления возможностей и направлений повышения энергоэффективности ВТТУ является выражение энергетического КПД по обратному тепловому балансу:
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]