Построение составных кривых технологических потоков и определение энергетических целей

1. Построение составных кривых технологических потоков и определение энергетических целей

Рисунок 9.11 – Представление технологических потоков на температурно-энтальпийной плоскости: а– представление горячих потоков: 1– конденсация; 2 – охлаждение; б– холодные потоки: 1– нагревание; 2– испарение

Все технологические потоки ХТС можно разделить на две группы. В одну из них войдут те потоки, которые требуют охлаждения перед дальнейшей их обработкой. Мы будем называть такие потоки –горячими потоками. Во вторую группу потоков войдут те потоки, которые необходимо нагреть –холодные потоки.

Изменение теплосодержания технологических потоков удобно анализировать на температурно-энтальпийной диаграмме (рис. 9.11). Горячие технологические потоки принято обозначать вектором, направленным справа налево в температурно-энтальпийных координатах. Это связано с тем, что у горячих тепловых потоков происходит уменьшение их теплосодержания – энтальпии, как при охлаждении, так и при изменении их фазового состояния (рис. 9.11, а).

Аналогично у холодных технологических потоков ХТС при нагревании или изменении их фазового состояния теплосодержание возрастает, и поэтому в координатной плоскости температура – энтальпия такие потоки будут изображаться векторной линией, направленной слева направо.

Следовательно, общее изменение теплосодержания технологического потока в пределах изменения его температуры может быть вычислено с помощью выражения:

. (9.1)

Если теплоемкость вещества потока в пределах изменения температуры [Т₁, Т₂]остается постоянной, то уравнение (9.1) примет вид:

. (9.2)

Произведение удельной теплоемкостис_ри расходаМпринято называть потоковой теплоемкостью и обозначать идентификатором СР:

. (9.3)

Размерность потоковой теплоемкости определяется как [CP] = = Дж/(К× с).

Рисунок 9.12 – Энтальпийная диаграмма потоков 1 и 2

Рассмотрим систему из двух тепловых потоков. На рис. 9.12 представлена энтальпийная диаграмма этих технологических потоков – потоки изображены отрезками прямых в системе координат .

Первый поток (CP₁= 3 кВт/°C) требуется охладить от 100°Cдо 60°C, а второй поток (CP₂= 4 кВт/°C) – нагреть от 50°Cдо 80°C. Используя зависимость (9.3), определим количество теплоты, требуемое для нагрева потока 2:

С другой стороны поток 1 обладает избытком энергии:

Разность между конечной температурой потока 1 и начальной температурой потока 2 равна 10 °C.

Свяжем потоки 1 и 2 противоточным теплообменником, который реализует минимальную температурную разность 10 °C, при этом вся избыточная энергия потока 1 передается потоку 2 (рис. 9.13, а, б). Отрезки прямых, соответствующих тепловым потокам на энтальпийной диаграмме, расположены так, что их проекции на осьНполностью перекрывают друг друга.

Рисунок 9.13 – Полная и частичная рекуперация энергии при наличии двух тепловых потоков

Если выбрать теплообменник таким образом, чтобы минимальная температурная разность потоков в нем была 20 °C, то количество тепла, переданного от потока 1 к потоку 2, уменьшится до 90 кВт. При этом потребуется охлаждение потока 1 на 30 кВт с помощью внешнего хладагента и нагрев потока 1 на 30 кВт с помощью внешнего источника энергии (рис. 9.13в, г). Отрезки, изображающие потоки, смещены друг относительно друга так, что минимальное расстояние между ними по осиТравно 20°C. При этом участок осиН, который является общим для проекций обоих отрезков, представляет собой энергию рекуперации.

Анализ двухпотоковой технологической схемы позволяет сделать следующие выводы.

Во-первых: совместное построение температурно-энтальпийных графиков технологических потоков позволяет определить минимально необходимые значения горячих энергоносителей и холодных энергоносителей для каждого заданного значения , т.е. существует корреляция между значениями и , . Здесь стоит отметить, что значение не может быть больше разности начальных температур горячего и холодного потока.

Алгоритм табличной задачи.

Метод, с помощью которого можно без построения графиков вычислять целевые энергетические значения.

Интервал температур, в котором происходят изменения температуртехнологических потоков проектируемого процесса или ХТС, сначала раз-деляется на меньшие интервалы так, как это мы делали при построении со-ставных кривых, т.е. границы температурных интервалов будут начальныеи конечные температуры потоков. Невозможно рекуперировать всю теплотугорячих потоков холодными, находящимися в одном температурном ин-тервале потому, что не для всех частей составных кривых в каждом вы-бранном интервале будет существовать необходимый температурный напор (DТmin). Эту проблему можно преодолеть, если исключительно длявозможности конструктивного решения представить, что горячая составнаякривая на DТmin/2 холоднее, чем в действительности, а холодная составнаякривая на DТmin/2 горячее, чем на самом деле. Сдвинутые со-ставные кривые сейчас касаются в точке пинча. В результате такой сдвиж-ки становится возможной теплопередача между потоками, содержащимисяв горячей и холодной составных кривых в пределах каждого температурно-го интервала, как показано на рис. 2.18 Действительно, горячие потоки ре-ально горячее на DТmin/2, а холодные холоднее на DТmin/2, и тогда в преде-лах каждого температурного интервала горячие потоки горячее холодныхкак раз на величину DТmin.

Очень важно отметить здесь, что вертикальное перемещение кривыхне изменяет величины энтальпийного интервала их перекрытия, показы-вающего, как мы уже выяснили, значение максимально возможной реку-перации тепловой энергии в процессе. Поэтому при вертикальной сдвижке

составных кривых не изменяется величина холодной составной кривой, располагающаяся за началом горячей кривой на горячем конце диаграммы.Аналогично остается неизменной величина горячей составной кривой, рас-полагающаяся перед началом холодной составной кривой на холодном

конце диаграммы. Сдвижка составных кривых просто обеспечивает рас-

смотрение возможности теплообмена между горячими и холодными пото-ками, которые содержатся в соответствующих составных кривых в преде-лах каждого температурного интервала.

Техника сдвигания составных кривых позволяет создать метод вы-числения целевых энергетических значений без привлечения графическихсредств построения составных кривых:

1. Устанавливаются сдвинутые температурные интервалы с помо-

щью вычитания величины DТmin/2 от границ температурных ин-тервалов, которые определяются начальными и конечными темпе-ратурами (температурами снабжения и целевыми температурами)

горячих потоков и добавлением DТmin/2 к границам температур-ных интервалов, которые сформированы начальными и конечны-ми температурами холодных потоков (см. рис. 2.18).

2. После определения сдвинутых температурных интервалов в каж-

дом из них вычисляется энергетический баланс:

где DНi – тепловой баланс для iго сдвинутого интервала, DТi – вели-чина iго температурного интервала. Здесь DНi есть ничто иное, как разность междуэнтальпией, которую холодные потоки, содержа-щиеся в холодной составной кривой в iм температурном интервале, должны получить в этом интервале и энтальпией, которую в iм ин-

тервале могут передать горячие потоки холодным. Поэтому, если врассматриваемом интервале температур преобладают холодныепотоки над горячими, температурный интервал имеет нетто-дефицит тепловой энергии, и DНi величина – положительная. Еслиже в температурном интервале горячие потоки преобладают надхолодными, то температурный интервал имеет избыток теплоты, иDНi – отрицательно. Это находится в соответствии со стандартны-ми термодинамическими правилами (например, DН экзотермиче-ской реакции отрицательно).Поскольку при вычислении тепловых балансов в сдвинутыхтемпературных интервалах мы не учитывали тепловую энергию, получаемую холодными потоками от горячих внешних энергоно-сителей, то наши расчеты эквивалентны построению составныхкривых, сдвинутых ・ _: ・ _не только вертикально, но и с дополнительнойсдвижкой холодной составной кривой влево на величину целевогозначения для горячих утилит (рис. 2.19а). 3. Перекрытие составных кривых такое, как на рис. 2.19а означает, что теплообмен в данном случае невозможен. Понятно, что в точ-ке пинча, т.е. в точке, где сдвинутые вертикально составные кри-вые должны были касаться друг друга, сейчас наблюдается мак-симальное расстояние между ними вдоль энтальпийной оси (рис.2.19а).Для того, чтобы откорректировать взаимное расположение получен-ных составных кривых, мы должны учесть значение максимального расхо-ждения между кривыми по оси Н как необходимое значение горячих ути-лит. При этом нам необходимо распределить тепловую энергию, получае-мую от горячих утилит, между интервалами так, чтобы получить значения

вычисляемых величин, которые эквивалентны составным кривым, касаю-щимся в точке пинча, хотя реальные кривые будут отдельны друг от другана расстояние DТmin в этой точке (рис.2.19б).

На основании описанных идей проф. Б.Линнхоффом был разработанметод вычисления целевых энергетических значений, получивший назва-ние ² Алгоритм табличной задачи² .

 

Выводы:

Табличный алгоритм задачи состоит из следующих шагов:

1. Корректировка DТmin – правило сдвига.

2. Установка границ новых температурных интервалов.

3. Вычисление температурных балансов в температурных интерва-

лах.

4. Построение теплового каскада без потребления внешней энергии.

5. Построение каскада положительных тепловых потоков.

В результате выполнения этого алгоритма мы устанавливаем значе-

ния QHmin, QCmin и место локализации пинча без рисования графиков.

Сравнивая метод построения составных кривых и табличный алго-

ритм, мы можем сказать, что первый необходим для концептуального по-

нимания процесса, а второй более удобен в практических расчетах.

 

32. Деление системы потоков на тепловой сток и тепловой источник и взаимодействие между ними

Если сблизить кривые (помним, что переноссоставных кривых может осуществляться только горизонтально, вдоль эн-тальпийной оси), то они будут касаться в одной точке, которая называетсяпинчем рекуперации теплоты или коротко пинч-точкой

Составные кривые, построенные для реального процесса, будут находиться в области наибольшегосближения по температурной оси на рас-стоянии DТmin. Поэтому пинч температура горячих потоков будет отличать-ся от пинч температуры холодных потоков (рис. 2.24). Оптимальное значе-

ние DТmin определяется из экономического компромисса между двумя конкурирующими зависимостями – зависимостью стоимости внешних ути-лит от DТmin и зависимостью величины капитальных вложений в проект отDТmin (рис. 2.16). Предположение, что величина экономически корректногоз начения DТmin известна, фиксирует относительное положение составных кривых и позволяет определить целевые энергетические значения QHmin иQCmin. Значением DТmin также определяется возможная рекуперация тепло-вой энергии с помощью сети теплообменных, в которых теплоносителями являются горячие и холодные технологические потоки.Поскольку значение DТmin должно быть минимальной разностью температур в системе, то, очевидно, минимальная разность температур между теплоносителями наотдельных аппаратах не должна быть меньше, чем DТmin между составными кривыми.

Процесс выше пинча по температурной оси находится в тепловом

балансе с минимальным значением горячих утилит QHmin. Здесь холодные

потоки используют всю теплоту горячих потоков и дополнительную теплоту внешних энергоисточников, т.е. процесс выше пинча работает как тепловой сток (рис. 2.25).

Следовательно, мы можем заключить, что пинч делит ХТС илисматриваемый процесс на две энергетически независимые подсистемы, одна из которых, располагающаяся выше пинча является тепловым стоком и

находится в тепловом балансе с минимальным значением горячих утилит QHmin. Вторая, располагающаяся ниже пинча, является тепловым источником и находится в тепловом балансе с минимальным значением холод-

ных утилит QCmin. Тепловой поток между системами равен нулю

Если в сети теплообмена ХТС передается ² ХР² еди-ниц энергии от подсистемы ХТС, находящейся выше пинча, к подсистемениже пинча, то это увеличивает целевые энергетические значения на ² ХР² единиц как для горячих, так и для холодных энергоносителей. Кратко этоможно назвать так:

Реальное потребление = Цели + Передача поперек пинча

Заключение.

· Пинч делит ХТС на тепловой сток и тепловой источник.

· При достижении целевых энергетических значений нет передачи

теплоты через пинч:

- от процесса к процессу;

- при неправильном использовании энергоносителей.

33. Конструкционные материалы и требования, предъявляемые к ним

Для изготовления тепломассообменной аппаратуры применяют: углеродистые стали, легированные стали, чугун, цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы.

Материалы выбирают по следующим факторам:

− прочность в условиях высоких давлений и температур;

− пластичность, имеющая большое значение при переменных нагрузках, в том числе резких колебаниях температур;

− склонность к старению;

− отсутствие внутренних дефектов;

− коррозионная стойкость в условиях рабочего давления, температуры и концентрации агрессивных сред;

− технологичность (свариваемость, способность к термической обработке);

− стоимость и доступность;

− в соответствии с назначением в теплообменной аппаратуре требования по

теплоемкости, теплопроводности и другим теплофизическим свойствам.

Стали

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и леги-

рованные. В свою очередь углеродистые стали по назначению на конструкционные, инструментальные и специального назначения.

Конструкционные стали применяются для изготовления сосудов и аппаратов. Они поставляются в виде листового и сортового проката, труб и поковок.

Легированные стали применяются для изготовления реакционной, тепло-

обменной и колонной аппаратуры, работающей при воздействии агрессивных

сред. Высоколегированные стали по стоимости превышают углеродистые в

8…10 раз. Для экономии промышленность выпускает двухслойные (биметал-

лические) листы, состоящие из основного слоя углеродистой с тали и тонкого

защитного слоя легированной стали.

Чугун

Чугун применяется для изготовления литой аппаратуры, деталей трубо-

проводов и машинного оборудования. Если из чугуна изготавливаются сосуды, то существует ограничение по диаметру, определяемое уровнем

избыточного давления.

Температура стенок сосуда из серого чугуна должна находиться в пределах

-15…+250 оС

Цветные металлы

Медь в чистом виде применяется для изготовления специальной теплообменной аппаратуры, работающей при глубоком охлаждении. При высоких температурах медь сильно окисляется, поэтому применять ее для температур свыше 250 оС не рекомендуется. При повышении температуры резко снижаются ее механические свойства.

Латунь (сплав меди и цинка) применяется для прокатки листов, лент, труб, используемых для изготовления теплообменной аппаратуры.

Бронза (сплав меди и олова) применяется для арматуры, работающей с во-

дяным паром при температуре менее 200 оС.

Кроме перечисленных металлов могут применяться никель (и его сплавы), свинец, алюминий, титан. Однако их применение ограничено из-за не доста-

точной прочности или высокой стоимости.

Неметаллические материалы

Неметаллические материалы могут применяться как конструкционные итеплоизоляционные. Как конструкционные (силикатные (керамика, стекло, фарфор, эмали), полимеры) неметаллические материалы применяются для аг-

рессивных сред или в качестве прокладок.

Теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционные материалы характеризуются такими показателями,

как:

− малая плотность (объемная масса) (15…500 кг/м3);

− низкий коэффициент теплопроводности (0, 06…0, 18 Вт/(м⋅ К));

− низкое водопоглащение и др.

Теплоизоляционные материалы по своей структуре разделяются на:

− волокнистые (минераловата, стекловолокно);

− зернистые (перлитовые);

− ячеистые (пенобетон, пеностекло, пенопласты, совелиты).

По нормативам для тепловой изоляции промышленного оборудования и

трубопроводов допускается применять материалы и изделия с объемной массой

не более 400 кг/м3, а для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий – не

более 500 кг/м3.

В конструкцию изоляции входят:

а) основной теплоизоляционный слой;

б) армирующие и крепежные детали;

в) наружный защитный слой;

г) покраска.

Конструкция должна быть прочной, стойкой к воздействию влаги, ветра и

температур во все периоды года.

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: