56.2. Побудова складених кривих енергетичних потоків

магниевый скраб beletage

Потоки в технологічних системах можна розділити на гарячі,котрі потрібно остудити і холодні, котрі потрібно нагріти (рис. 56.1 тарис. 56.2).

Гарячі потоки в технологічних системах можна зобразити в сис-темі координат «ентальпія -температура», вони зображуються у виглядіпрямих спрямованих ліній справа наліво, показуючи зменшення енталь-пії. Холодні потоки - у системі координат «ентальпія - температура» зо-бражуються у виді ліній спрямо-ваних зліва направо, показуючизбільшення ентальпії.

Відмітимо, що зміни ен-тальпії технологічного потоку взалежності від зміни його тем-ператури відобразити прямоюлінією можливо тільки для по-токів, теплоємність яких у ме-жах зміни температури потокуможна вважати постійною ве-личиною (рис. 56.3).

Перед тим, як приступа-ти до безпосереднього викладуматеріалу, згадаємо поняття ентальпії і питомої теплоємності.

У дійсності, зв'язок між зміною температури потоку і його те-пломісткості - ентальпією у загальному випадку буде виражатися не-лінійною функцією прирощення ентальпії потоку при зміні темпера-тури і визначається таким способом:

d Н = cpmd      (56.1)

де cp - питома теплоємність речовини технологічного потокупри постійному тиску, Дж/(кг- К); m - масовий розхід речовини пото-ку, кг/с; Т - температура, °С ; Н - тепломісткість потоку, Вт.

Загальна зміна тепломісткості технологічного потоку в межахзміни його температури може бути обчислена за допомогою виразу:

ДЯ = mCp^T,  (56.2)

а потокова теплоємність може бути обчислена за допомогою

виразу:

CP = mcp =Д#/ДГ

Розглянемо теплообмінник, на вході в який технологічний по-тік має температуру 20 °С, а на виході 50 °С (рис. 56.4).

Якщо теплоємність речовини потоку в межах зміни темпера-тури [T1, T2] залишається постійною, то:

ДЯ = mcp(T2 - 71)      (56.3)

Добуток питомої теплоємності ср і розхіду m прийнято назива-ти теплоємністю потоку або потоковою теплоємністю і позначати іде-нтифікатором CP

CP = cpm        (56.4)

Розмірність потокової теплоємності визначається як [CP] =Дж/(К- с).

Відмітимо, що при роботі з методами пінч-анализу необхіднодуже чітко представляти розходження між питомими величинами іпотоковими величинами. Потокова теплоємність CP визначає кіль-кість енергії, яку необхідно підвести до потоку, щоб підвищити тем-пературу речовини, що проходить через поперечний переріз потоку заодну секунду на один градус. Формально визначити потокову тепло-ємність можна, розглянувши потік, що нагрівається в теплообмінномупристрої (рис. 56.4.).

Потокову теплоємність можна такожвизначати як відношення потужності, спо-живаної технологічним потоком до різниційого кінцевої і початкової температур,СР=АН /(Т2-Ті), що буває корисно при шви-дкій оцінці потенціалу енергозбереженнядіючих підприємств.

З виражень (56.2.) та (56.3.) вихо-дить, що зміна ентальпії потоку АН визна-чає кількість енергії, яку необхідно підвести до потоку, щоб змінититемпературу речовини, що проходить за 1 секунду через поперечнийпереріз потоку від значення Т1 до значення Т2 (50.2.). Звідси видно, щофактично АН представляє потужність, яку необхідно підводити до по-току, щоб задовольнити проектним вимогам.

Рисунок 56.5. Схема для визначення мінімальної різницітемператур між теплоносіями в теплообмінних апаратах

Наприклад, поставлено задачу для мінімальної різниці темпе-ратур ДГшіп=20 °С у технологічних системах. Визначимо, який з теп-лообмінників (рис. 56.5) порушує вимоги ДГшіп=20 °С. Припускаємо,що в технологічній системі обидва теплообмінники протитокові.

Оскільки зміна тепломісткості по абсолютній величині одна-кова для холодного і гарячого потоку, ми легко визначаємо ЛГШ;п. Пе-рший теплообмінник має мінімальну температурну різницю між теп-лоносіями 10 °С, а другий - 20 °С (рис. 56.6).

При зображенні даних енергопотоків на ентальпійній діаграмів системі координат температура - ентальпія, можна легко знайтиякий з теплообмінників порушує задане значення АТШ;п. Це теплооб-мінник № 1.

Розглянемо збалансований протиточний теплообмінник(рис. 56.7), для якого:

0=|А#|=СРАГ=0,3-40=0,4-30; тобто Q=12 Мвт.

н

Рисунок 56.7. Температурно-ентальпійні діаграми для теплообмінника

Коли мова йде про збалансований протиточний теплообмін-ник, мають на увазі, що теплота, споживана холодним потоком і теп-лота, що віддається гарячим, рівні по величині. Нехай у технологічнійсистемі знаходиться по одному гарячому й одному холодному потоку(рис. 56.8).

Різниця температур -рушійна сила процесу теплопередачі втехнологічних системах. Це добре видно на графіку ентальпія - тем-пература (рис. 56.8). Задавши значення ATmin, ми можемо визначити,скільки тепла потрібно додати в систему.

Ті частини енергопотоків, що перекриваються, показують, скі-льки тепла можна рекуперувати, іншими словами, яку кількість холо-дного потоку можна нагріти за допомогою гарячого, і яку кількістьгарячого потоку можна остудити за допомогою холодного. Ті відрізки,що не перекриваються, показують яку кількість енергії потрібно під-вести ззовні або відвести зовні, щоб необхідний теплообмін відбувсяпри заданій ATmin.

Таким чином, для системи з одним гарячим і одним холоднимпотоком і заданій ATmin, визначення кількості додаткового тепла, щопідводиться і відводиться, досить очевидно.

Розглянемо схему простого технологічного процесу, що маєдва реактори, систему розподілу і рецикл.

Система теплообміну має чотири теплообмінних апарати, дварекуперативних теплообмінники, один теплообмінник, що підігріваєпотік рециклу за допомогою конденсації пари й один теплообмінник,у якому охолоджується продукт, що виходить з установки. У тепло-обміннику для охолодження використовується технічна вода. Введемов систему кілька гарячих і холодних потоків (рис. 56.9).

У вш

с

Аналіз технологічної схеми технологічної системи починаєть-ся з визначення джерел теплоти (гарячі потоки) і стоків теплоти (хо-лодні потоки). Технологічна схема має два гарячих і два холодних по-токи, що можуть брати участь у теплообміні. У пінч-анализі початковітемператури технологічних потоків звичайно називають температура-ми постачання і позначаються Ts, а кінцеві температури потоків зви-чайно іменуються цільовими температурами і позначаються Tt.Постачальні і цільові температури потоків зазначені на технологічнійсхемі, там же зазначені теплові навантаження, тобто ми в даному ви-падку можемо визначити потокову теплоємність потоків як відношен-ня і записати отримані дані в таблицю 56.1

AH

CP =

T - T

(56.5)

Таблиця 56.1. Потокові дані для процесу на рис. 56.9

Температурапостачання

№ по-току ітипа

Ts, °С

Цільоватемпера-тура Ти °С

ПотоковатеплоємністьCP, кВт/°С

Тепловенаванта-ження А Н,квт

180

80

20

2000

1 гар.

130

40

40

3600

2 гар.

3 хол.

60

100

80

-3200

4 хол.

30

120

36

-3240

Використовують допоміжні теплоносії (утиліти) - пар при те-мпературі 200 °С и охолоджуюча вода 25 °С^30 °С. Процес споживаєвід зовнішніх джерел енергію потужністю 1200 кВт а потужність, щовідводиться від процесу до охолоджуючої води 360 кВт.

Запишемо ентальпійний баланс для розглянутої технологічноїсистеми (рис.56.10). Різниця між потужністю споживаної від гарячихутиліт і потужністю, що відбирається від процесу за допомогою холо-

дних утиліт, дорівнює дисбалансові в ентальпії між гарячими і холод-ними потоками. У нашому випадку вона дорівнює 840 кВт.

Ми підійшли до одного з ключових понять в області інтеграціїпроцесів - складених теплових кривих технологічної системи(рис. 56.11 і рис. 56.12). Розглянемо методику побудови гарячої скла-деної кривої.

Для того щоб скомбінувати два гарячих потоки в одній техно-логічній системі потрібно спочатку їх Тшт і Ткои розташувати в порядкуубування. Таким чином, одержуємо температурні інтервали (у даномувипадку 3 інтервали).

Після цього викреслюються потоки від відповідної Тнач до Гконіз нахилом рівним 1/СР (CP - потокова теплоємність), щоб відобрази-ти відповідну зміну ентальпії. У першому інтервалі існує тільки одинпотік (СР=40). На другому інтервалі цей потік комбінується з іншимгарячим потоком, і CP стає рівної 60. Аналогічна процедура здійснюєть-ся для інших температурних інтервалів. Результуюча крива називаєтьсягарячою складеною кривою.

Аналогічно виходить холодна складена крива технологічноїсистеми шляхом комбінування холодних потоків (рис. 50.12). Поєд-нуючи гарячу і холодну складені криві на одному графіку, ми зводимовсю задачу до «одного гарячого потоку» і «одного холодного потоку»системи (рис. 56.13).

56.3. Визначення енергетичних цілей об'єктів проектування

Перекриваємо ці складені криві (гарячу і холодну) одну надіншою до одержання мінімального інтервалу між ними ATmin. У підсу-мку визначаємо мінімальні потреби в гарячому і холодному енергопо-тоці (рис. 56.14).

Цільове значення потреби в гарячому енергоджерелі дорівнює960 кВт для нашого приклада.

і

 

 

\

V ^ч.

загальна у

|\

"^^вартість

1 \1 \І х.і лі

 

 

іі

іііі

 

^каггвкладення

Рисунок 56.16. Економічнийкомпроміс між конкуруючимикапітальними розходами ірозходами на енергоносії

Для розглянутого приклада при ATmin=10 °С потреба техноло-гічної системи в гарячому енергоджерелі дорівнює 960 кВт, а спожи-ває він 1200 кВт (рис. 56.15).

Можна задавати цільові показники до початку проектування(рис. 56.15 і рис. 56.16). Споживання тепла у вихідній технологічній

системі не обов'язково мінімальне. Уданому випадку 1200 кВт, але в обохвипадках ATmin дорівнює 10 °С. Длявибору оптимального значення ATminтехнологічної системи необхіднопроаналізувати залежність загальноївартості теплообмінної системи, щовключає вартість устаткування і вар-тість зовнішніх утиліт, від величиниAT

min

Як же вибрати оптимальнезначення ATmin для технологічної сис-теми - одне з основних питань дляпроектувальника.

По мірі зближення складенихтеплових кривих кількість можливого рекуперуємого тепла збільшу-ється (тому що область перекривання кривих стає більше), а значеннятеплоти ЩО ПІДВОДИТЬСЯ енергоджерелом Qhmin І відводить холодоносійQcmin зменшуються. І, навпаки, у міру віддалення складених тепловихкривих кількість рекуперуємого тепла зменшується, a Qhmin і Qcmin збі-льшуються (рис. 56.17). Вибір правильного значення Armin ґрунтуєтьсяна економічному компромісі між капітальними розходами і розходамина енергію. Це означає, що в процесі оптимізації потрібно визначититаке ATmin, що приводить до матеріальних витрат, близьких до мініма-льно можливих.