Методы термодинамического и технико-экономического анализа в теплоэнергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему:

"методы термодинамического и технико-экономического анализа в теплоэнергетике"

Введение

В настоящее время появление в промышленной теплоэнергетике различных комбинаций технологий требует оценки эффективности энергетических установок непосредственно как источников тепловой и электрической энергии еще до поступления их на рынок и особенно - оценки с единых позиций, что может быть сделано на основе эксергетического анализа.

На современном этапе развития энергетики все большее количество предприятий придерживаются децентрализованного принципа тепло- и электроснабжения. На стадии проектирования мини-ТЭЦ или при реконструкции уже существующих ТЭЦ используются новые технологии, такие как газотурбинные установки с УК, парогазовые установки, паровые турбогенераторы в котельных, детандер-генераторные агрегаты и т.д. Кроме того, идет привлечение низкопотенциальной тепловой энергии и возобновляемых источников энергии, путем комбинирования их с традиционными.

Существуют различные методы оценки эффективности теплоэнергетических технологий на основе различных коэффициентов, показателей и т.д., которые не всегда имеют ясный физический смысл и не сравнимы для технологий разных видов.

Одним из недостатков показателей эффективности является также то, что в них термодинамические потери, которые являются наибольшими, учитываются совместно с потерями механическими, гидро- и аэродинамическими, химическими, потерями через тепловую изоляцию, с затратами энергии на собственные нужды и др.

Эксергетический анализ, метод термодинамическое анализа пром. систем, рассматриваемых во взаимодействие с окружающей средой.

Связи, устанавливаемые при эксергетическом анализе между термодинамическое характеристиками и технико-экономическими показателями анализируемой системы, дают возможность оценить эффективность ее работы, а также определить пути и способы совершенствования. Объективность получаемых при таком анализе оценок обусловлена прежде всего тем, что они основаны на расчете минимально необходимых материальных и энергетических затрат на реализацию исследуемого технологического процесса. В большинстве других методов для этих целей используют некоторые операции сравнения (например, изменения энтропии системы), по отношению к которым и оцениваются показатели изучаемого объекта; результаты подобного анализа, естественно, зависят от удачного выбора операций сравнения. Эксергетический анализ избавляет исследователя от необходимости подбора указанных операций для действующих установок, а для новых (проектируемых) позволяет сразу выявить возможность их внедрения в производство путем сопоставления минимально требуемых затрат с имеющимися в наличии ресурсами. Эксергетический анализ успешно используют в отраслях химически-лесного комплекса (например, в производствах метанола, HNO3), металлургии, криогенной технике и др., причем все шире для повышения экономичности высокоэнергоемких процессов и производств.

Понятие эксергии используется в различных ситуациях для выявления непроизводительного использования природных.

Данные методики могут применяться для анализа любых тепловых систем. Их важным преимуществом является то, что они допускают непосредственное сравнение различных предприятий. Более того, в эксергетическом анализе имеется абсолютная точка отсчета: идеальная система, в которой отсутствуют потери эксергии.

Описанные подходы могут использоваться для анализа характеристик действующего производства на основе данных измерений и сопоставления этих характеристик с проектными значениями. Кроме того, на этапе проектирования эти методики могут использоваться для оценки альтернатив и возможных усовершенствований предлагаемого процесса.

Тем не менее, к настоящему времени концепция эксергии получили лишь ограниченное применение в практике бизнеса. Например, в Нидерландах эта концепция используется инженерными подразделениями таких крупных компаний, как Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL и т.д., а также некоторыми крупными инженерными компаниями. Было проведено несколько исследований, посвященных применению эксергетического анализа в практике компаний. По данным этих исследований, эксергетический анализ позволяет компаниям получить ценную информацию, но требует много времени; кроме того, существует немного доступных данных, с которыми можно было бы сравнивать полученные результаты. Например, недостаток данных затрудняет сравнительный анализ эксергетических КПД. Существует специализированное коммерческое ПО для расчета эксергии, использующее данные о технологических потоках из программного пакета для описания схем технологических процессов и позволяющее значительно ускорить соответствующий анализ. Однако стоимость указанного пакета высока, и его приобретение может быть оправданным лишь для немногих компаний.

Большинство малых и средних компаний не используют подобное ПО в силу его высокой стоимости, недостатка обладающего соответствующей квалификацией персонала, а также степени точности исходных данных, необходимой для работы таких программ. С учетом потребностей малого и среднего бизнеса был разработан альтернативный подход к эксергетическому анализу, который в настоящее время продолжает развиваться.

Экономические аспекты

Эксергетический анализ имеет репутацию дорогостоящей и сложной в применении методологии. Однако при наличии необходимой информации о характеристиках технологических потоков (что имеет место во многих случаях), энергетический и эксергетический анализ могут быть выполнены с незначительными затратами. Существует несколько программных инструментов для этих типов анализа, интегрированных с пакетами для работы со схемами технологических процессов. С помощью этих пакетов анализ может быть выполнен быстро и эффективно. Потери эксергии указывают на участки процесса, обладающие наибольшим потенциалом экономии (материалов, энергии и, как следствие, финансов). Затраты на проведение эксергетического анализа начинаются с уровня 5 тыс. евро. Для небольших проектов анализ может выполняться вручную, однако практическая полезность такого анализа ограничена. В настоящее время разрабатывается новая методология - т.н. эксергетическое сканирование, адаптированная к потребностям малого и среднего бизнеса.

Эксергетический метод термодинамического анализа ЭХТС основан на широком использовании эксергии. В самом общем смысле эксергия вещества есть максимальная работа, которую оно может совершить в обратимом процессе с окружающей средой е качестве источника даровой теплоты, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи переходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды.

Эксергетический метод термодинамического анализа ЗНС основан на широком использовании эксергии. Он является наиболее общим и универсальным способом термодинамического исследования различных процессов преобразования энергии в ЭХТС. Все реально протекающие процессы - необратимые и в каждом случае необратимость является причиной снижения совершенства процесса. Это происходит не из-за потери энергии, а из-за понижения ее качества, т.к. в необратимых процессах энергия не исчезает, а обесценивается. Так, например, дросселирование рабочего тела не изменяет его энергии / sh /, а снижает ее пригодность к совершению паботы или использованию в теплообменниках.

Целью эксергетического метода термодинамического анализа является количественное исследование потенциальных возможностей потоков системы для выбора оптимальной пары потоков при генерации УТ. Во всех опубликованных работах, посвященных эксергетическим исследованиям ХТС, до конца не решается ключевой вопрос: как использовать результаты эксергетического анализа на практике автоматизированного синтеза ТС.

Обоснован и развит эксергетический метод термодинамического анализа для проектирования ресурсосберегающих химико-технологических систем водного хозяйства промышленных предприятий, позволяющий научно обосновать решение технической проблемы разделения-смешения водных технологических потоков. [4]

При оценке эффективности теплотехно-лопических схем и установок с использованием эксергетического метода термодинамического анализа основным показателем степени термодинамического совершенства является эксергетический коэффициент полезного действия тех. Абсолютное значение эксергетического КПД позволяет определить степень термодинамического совершенства процесса.

Согласно термодинамическим способам повышения эффективности синтезируемых ТС, вытекающим из эксергетического метода термодинамического анализа, потери эксергии в каждом из УТ системы минимальны, если обеспечивается максимизация J и минимизация у.

Преимущества комбинированного энергоиспользования перед раздельным производством технологической и энергетической продукции отчетливо выявляются при эксергетическом методе термодинамического анализа, который позволяет определить предельные возможности процессов, источники потерь и пути их устранения, повысить эффективность рассматриваемых ЭТА и ее элементов.

В подобных расчетах принято понятие энергия заменять понятием эксергия, что позволяет значительно упростить расчеты и проводить операции суммирования отдельных компонент потоков энергии (в нашем случае электрической и тепловой), не опасаясь недоразумений, вызванных их различной работоспособностью или природой. Таким образом, эксергетический метод термодинамического анализа позволяет учесть качественные различия энергоресурсов и особенности реальных рабочих процессов.

При исследовании химико-технологической (ХТС) и энерготехнологической схемы (ЭТО хорошие результаты дает применение эксергетического метода термодинамического анализа, который позволяет учитывать как количество, так и качество произведенных и затраченных потоков вещества и энергии. Эксергия, или техническая работоспособность, характеризует максимальную полезную работу (т.е. работу, получаемую в обратимом процессе), которая может быть получена при переходе рабочего тела от параметров системы к параметрам окружающей среды.

Одной из главных целей оптимизации ЭХТС является снижение до возможного минимума потребления энергии при сохранении высокой выработки целевого продукта. Преимущества комбинированного теплоиспользования перед раздельным производством технологической и энергетической продукции отчетливо выявляются при эксергети-ческом анализе. Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет определить предельные возможности процессов, источники потерь и пути их устранения, повысить эффективность рассматриваемых ЭХТС и ее элементов. В настоящее время заложены основы системного подхода к сложным ЭХТС и оценки их совершенства с помощью эксергетического баланса, который учитывает различную ценность энергоресурсов разной физической природы или разного потенциала, в отличие от энергетического баланса, который не учитывает перечисленных факторов и особенностей процессов в связи с различными проявлениями необратимости.

Основные понятия

В основе эксергетического анализа лежит понятие эксергии (от греческого ех- - приставка, означающая здесь высокую степень, и ergon - работа). Существует несколько ее формулировок. По одной из них (3. Рант, 1956) эксергия суть работоспособность - термин, применяемый для обозначения максимальной работы, которую может совершить система при переходе из данного состояния в состояние равновесия со всеми компонентами окружающей среды, рассматриваемой как источник и приемник любых потоков энергоносителей (вода, пар, сырье, например нефть, химический продукты) и энергии (электрическая, тепловая).

Поясним данное определение. Во-первых, макс. работу можно получить только в обратимом (равновесном) процессе, который теоретически возможен при бесконечно малой движущей силе (например, разности температур, давлений, химический потенциалов). Все реальные процессы происходят с возрастанием энтропии (см., например, Второе начало термодинамики) при конечной разности температур и, следовательно, необратимы. Поэтому полученная в них работа всегда будет меньше максимально возможной; для оценки этой работы ее надо сравнивать с максимально возможной в данном процессе, т. е. с эксергией. Во-вторых, макс. работа может быть получена только при взаимодействии системы с окружающей средой. Например, для получения эксергии топлива его сжигают в определенном кол-ве О2, взятом из окружающей среды; при использовании для горения чистого кислорода будет получено больше теплоты, но суммарная эксергия окажется меньше, т. к. для получения О2 из воздуха необходимо затратить некоторую работу, а значит, эксергию. Аналогично при нагревании к.-л. тела теплоту нужно подводить только для повышения его температуры выше температуры окружающей среды, а до этой температуры подогрев происходит за счет теплоты, отбираемой от среды.

В основе одной из иных формулировок эксергии (З. Рант, 1962) лежит (для случаев, когда начальная температура тела выше температуры окружающей среды) допущение о том, что энергию тела можно представить суммой двух составляющих: Э = Е + А. В соответствии с этим равенством эксергия Е определяется как часть энергии, которая в данных условиях окружающей среды может быть превращена в любую др. ее форму (см. ниже). Вторую составляющую А, называют анергией (от греческого "а" - отрицат. частица и ergon - работа), ни в какую иную форму энергии, включая механические работу, превратить нельзя; между анергией и энтропией существует связь: анергия - энергия полностью неорганизов. движения молекул, энтропия - мера этого движения.

Наиболее наглядно эксергию (и анергию) можно представить графически. На рис. 1 изображен произвольный процесс 1-2, в котором теплота сообщается некоторому рабочему телу. Эксергия теплоты Ет измеряется заштрихованной площадью. Неработоспособной части теплоты, т. е. анергии, отвечает площадь под линией Т0 = const, равная произведению T0(S1- S2), где Т0 - температура окружающей среды; Sl и S2 - энтропия системы в начале и конце процесса.

Эксергия измеряется в тех же единицах, что и энергия и работа,- в Дж, эксергия потока вещества - в Вт, потока теплоты - в Дж/с. Таким образом, эксергия, характеризуя качество энергии пром. системы, т. е. способность быть превращенной в полезную работу, является универсальной мерой энергетических ресурсов.



Рис. 1. Графическое изображение эксергии.

Параметры окружающей среды не зависят от параметров рассматриваемой системы, обычно предполагаются постоянными и, согласно указанному определению эксергии, должны находиться в термодинамическое равновесии с параметрами системы. Однако, строго говоря, это условие невыполнимо, поскольку в среде всегда существуют градиенты температур, давлений и химический потенциалов (что в практическое расчетах можно не учитывать). Для полной характеристики среды достаточно знать не более трех параметров (как правило, температуру, давление, химический состав). До тех пор пока все параметры системы не сравняются с соответствующими параметрами среды, равновесие не будет достигнуто и система может производить определенную работу, т. е. обладает эксергией. При ЭКСЕРГЕТЙЧЕСКИЙ АНАЛИЗ а. работы пром. установок в качестве окружающей среды принимают атм. воздух. Из самого понятия "эксергия" следует, что эксергия окружающей среды равна нулю.

эксергия термодинамический холодильный теплоэнергетический

Виды и составляющие эксергии

Различают два главных ее вида: эксергию таких форм энергии, которые не определяются энтропией, и эксергию потоков вещества и энергии, характеризуемых энтропией. К первым относятся механические, электрич., электромагн. и иные виды энергии; в данном случае эксергия равна энергии системы и никаких спец. расчетов для определения Е не требуется. Ко вторым принадлежат формы энергии (например, внутр. энергия в-ва, энергия химических связей, теплового потока), для каждой из которых эксергию вычисляют индивидуально в зависимости от наличия и вида ее материального носителя -различные тел [эксергия вещества (массы) в объеме либо потоке] или объектов, не связанных с массой в количествах, подлежащих учету (эксергия теплового потока). Эксергия потока вещества включает термомеханические и химический составляющие, обусловленные различием термодинамически и механические параметров вещества и окружающей среды и соответствующих химический состава и химический потенциалов.

Расчет эксергии

Эксергия вещества в замкнутом объеме с термодинамическое параметрами U, S, Т, р и V определяется соотношением:

где eV - удельная (на единицу массы) эксергия вещества; Uc, S0, T0, p0, V0 - внутр. энергия, энтропия, температура, давление и объем в-ва при полном равновесии анализируемой системы с окружающей средой. Ф-ла (1) выражает эксергию вещества в замкнутом объеме в процессе, завершающимся выравниванием соответствующих параметров системы и среды. При расчетах эксергии рабочего тела (носителя эксергии) в замкнутой системе в двух разных состояниях уравение (1) приводится к виду:

где - изменения параметров вещества при переходе из одного состояния в другое.

Необходимость определения эксергии в замкнутом объеме возникает чаще всего при расчетах периодической процессов и установок периодической действия, в которых рабочее тело не выходит за пределы данной системы. Однако на практике большинство химический-технол. процессов непрерывны, стационарны и сопровождаются перемещениями материальных и энергетич. потоков. Поэтому такие задачи связаны с определением эксергии вещества в потоке. Ее термомеханические составляющую находят по формуле:

q - переносимый веществом удельная тепловой поток; S - энтропия вещества в потоке.

Для идеальных газов термомеханические эксергия определяется выражением:

где Ср - удельная теплоемкость в-ва; р и Т - давление и температура вещества в потоке; R - газовая постоянная.

Химическая составляющую эксергии (химический эксергию), связанную с термодинамическое параметрами химический реакции, рассчитывают, используя различные полуэмпирическая соотношения. Так, для газов и жидкостей установлены соотношения между их химический эксергией и высшей теплотой сгорания например, в процессах выпаривания, ректификации и сушки химический эксергию топлива находят по формуле:

где коэффициент К равен 0,975 (газы) и 0,95 (жидкости), если в молекуле вещества содержится более одного атома С. Для др. веществ, например газов, можно принять следующей значения К: 0,97 (генераторный газ), 0,98 (колошниковый газ), 1,0 (коксовый газ), 1,04 (природные газ).

В случае твердых топлив с учетом влагосодержания W химический эксергию можно с достаточной для практическое целей точностью принять равной их т. е.

Температура топлив обычно близка к температуре окружающей среды, поэтому необходимость принимать во внимание в расчетах их термомеханические эксергию не возникает; исключение составляет тяжелое жидкое топливо (мазут), которое для снижения его вязкости, как правило, подогревают до 70-100 °С.

Эксергия теплового потока

Функционирование ХТС в той или иной степени обусловлено обменом энергией с окружающей средой. При передаче от одного тела к другому и к среде Энергии в форме теплового потока (теплопроводность) вместе с ним сообщается и определенное количество эксергии. Если приемником теплоты служит окружающая среда с температурой T0, удельная эксергия теплового потока, имеющего температуру Т, составляет:

Величина (1 - T0/T) = Тв называют эксергетической температурой. При Т<Т0направления потоков противоположны: тепловой движется от окружающей среды (отрицателен), эксергетический - всегда к среде (положителен).

Во многие химический-технол. системах, особенно высокотемпературных, существ. роль играет обмен энергией в форме излучения с другими объектами и средой. Эксергию излучения находят по формуле:

где - удельная эксергия, приходящаяся на единицу площади излучающей поверхности; и Т - степень ее черноты и температура; Т0 -температура окружающей среды; k - постоянная Больцмана.

Эксергия влажного воздуха. В практическое приложениях ЭКСЕРГЕТЙЧЕСКИЙ АНАЛИЗ а. важное значение имеет вычисление эксергии влажного воздуха, что обусловлено его применением в качестве рабочего тела во многие процессах химический технологии (например, при сушке). В данном случае особенность определения эксергии состоит в том, что началом отсчета служит переменное состояние воздуха в окружающей среде. Для удобства расчетов влажный воздух принято условно рассматривать как смесь 1 кг абсолютно сухого воздуха и X кг водяных паров. Соотв. эксергия такой смеси е1+X, отнесенная к 1 кг абсолютно сухого воздуха, будет равна сумме эксергий воздуха и паров и рассчитывается по формуле:

где Св и RB - теплоемкость и газовая постоянная сухого воздуха; t и t0, Т и Т0 - температуры анализируемого потока и окружающей среды соответственно в °С и К; и р и р0 - относит. влажности воздуха и полные давления в потоке и среде; pнаc(t) и pнаc(t0) - давления насыщенных водяных паров при температурах потока и среды; Iп и Sп, Iп,0 и Sп,0 - энтальпии и энтропии паров при параметрах потока и среды. Изменения состояния окружающей среды влияют на величину зксергии, поэтому, чтобы избежать ошибок в ее расчете, нужно учитывать не фиксированные, а реальные параметры среды.

Расчет по формуле (9) эксергий влажного воздуха при различные параметрах требует значительной затрат времени. Для их сокращения часто применяют графоаналит. способ на основе спец. номограммы. Найденные по ней параметры подставляют в упрощенную формулу:

где дельтаХ= X-- Х0 (Х0 - влагосодержание среды). Расхождение в результатах расчета этим способом и по формуле (9) не превышает 3-5%.

Эксергетический баланс

С помощью основных соотношений [формулы (1)-(10)] для определения эксергетич. показателей эффективности работы ХТС составляют их эксергетич. балансы. Для любой реальной системы такой баланс представляет собой сопоставление всех эксергетич. потоков на входе (Е") и выходе (E") из нее с учетом затрат эксергий на компенсацию внутр. и внешний потерь и может быть выражен в виде:

где - потери эксергий в системе.

Внутр. потери обусловлены необратимостью протекающих в ХТС процессах (гидравлич. сопротивления, тепло- и массообмен и др.); внешние - потерями эксергий через тепловую изоляцию, с выходящими из системы потоками (например, нагретая вода, отработанные газы). Если выполненные на основе эксергетич. баланса системы или ее отдельных элементов расчеты показывают отсутствие Eп в них, это свидетельствует об ошибках в определении параметров действующих ХТС либо о невозможности ее реализации для проектируемых производств. Эксергетич. потери находят по формуле Гюи - Стодоли:

где- изменение энтропии системы.

Эксергетические диаграммы

Весьма полезны и достаточно информативны для анализа эффективности функционирования ХТС эксергетич. диаграммы, или диаграммы Грассмана, на которых потоки эксергий в системе изображены в определенном масштабе по "ширине", пропорциональной их численным значениям. Диаграммы наглядно показывают потери эксэргии в системе, места их появления и перераспределения между элементами данного объекта. На рис. 2 приведена такая диаграмма для ХТС с двумя входными материальными потоками, к-рым отвечают эксергий Е"1 и Е"2. В результате взаимодействие этих потоков на выходе из системы получают целевые продукты с эксергиямии и побочный продукт с эксергией . Сумма + меньше суммарной эксергий входных потоков на величину (обусловлены необратимостью тепло- и массообмена в системе) и внешний потерь в окружающую среду.

Рис. 2. Диаграмма Грассмана для ХТС с двумя входными материальными потоками.

Эксергетический кпд системы

Диаграммы Грассмана и непосредственно эксергетич. баланс в форме уравения позволяют найти количеств, показатели эффективности работы анализируемой ХТС. Среди этих показателей наиболее распространен эксергетич. кпд определяемый соотношением:

где - сумма потоков эксергий, отражающая полезный эффект от функционирования системы;

- полные затраты эксергий на достижение заданного эффекта.

Для идеального, полностью обратимого процесса, в котором потери отсутствуют, = 1; если подведенная эксергия полностью теряется в процессе, то = 0. В реальных процессах всегда соблюдается неравенство: 0 << 1; при этом чем выше численное значение тем термодинамически совершеннее система. Из формулы (13) следует также, что разность между эксергиями, обусловливающими полезный эффект и эксергетич. затраты, всегда равна суммарной потере эксергий от необратимости протекающих в системе процессов.

Таким образом, эксергетический кпд носит обобщенный характер. Конкретное выражение для зависит от назначения и особенностей анализируемого процесса и видов взаимодействие потоков. Например, с использованием понятия "транзитной" эксергий Eтр (количественно в системе не изменяется) уравнение для принимает форму:

где ниж. индексы обозначают: i - все виды эксергии, кроме химической; х - химический эксергия; j - компоненты в-ва, одновременно присутствующие во входном и выходном потоках; l - новые вещества, образующиеся в системе; f - вещества, полностью превращающиеся в др. вещества.

Объем, качество и ценность информации, получаемой на основе эксергетич. баланса ХТС, проиллюстрируем двумя примерами из опыта использования ЭКСЕРГЕТЙЧЕСКИЙ АНАЛИЗ а. в химический технологии.

I. Анализ узла синтеза NH3 в технол. схеме его производства показал, что макс. потери эксергий происходят в колонне синтеза и уменьшить их можно: 1) на 15-18% без значительной изменения технол. процесса; 2) с принципиальным изменением режима синтеза NH3 (например, повышением температуры в одной из зон колонны), что позволило бы квалифицированнее использовать теплоту реакции и выдавать на сторону пар более высоких параметров.

II. Для оценки эффективности работы типовой пневматич. сушилки (трубы-сушилки) применительно к сушке конкретного продукта наряду с обычным анализом на основе материального и теплового балансов установки (рис. 3) проведен ее ЭКСЕРГЕТЙЧЕСКИЙ АНАЛИЗ а. В соответствии со схемой материальных (G), тепловых (Q) и эксергетич. (Е)потоков был составлен эксергетич. баланс:

где N - мощность двигателя вентилятора; Еп - эксергия пара; Ек - эксергия образующегося в калорифере конденсата; - эксергия влажного материала на входе в установку и высушенного материала; - эксергия сушильного агента на выходе из установки; Евл - эксергия испаренной влаги; Еп -суммарные потери эксергии в установке. Остальные обозначения эксергетич. потоков на схеме: Ев - эксергия воздуха, поступающего в вентилятор и калорифер; - эксергия сушильного агента на входе в сушилку; Епод - эксергия подсасываемого наружного воздуха; - потери эксергии в окружающую среду с отработанным сушильным агентом.

Рис. 3. Схема потоков в сушильной установке: 1 - вентилятор; 2 - калорифер; 3 - сушилка.

Эксергии материальных потоков в составе эксергетич. баланса рассчитаны по представленным ранее формулам. Потери эксергии выражены суммой потерь в отдельных аппаратах и вычислены по формуле Гюи-Стодоли (определение возможно также по разности эксергии материальных и энергетич. потоков на входе и выходе из соответствующих аппаратов, если нет необходимости в детализации этих потерь). Результаты расчетов показали, что полезные затраты эксергии на испарение влаги из материала незначительны по сравнению с располагаемой эксергией греющего пара; основные потери эксергии выявлены в калорифере.

Сопоставлением эксергетич. баланса с тепловым балансом этой установки найдено, что в последнем удельная вес аналогичных статей расхода существенно отличается от полученных при эксергетич. расчете значений. Так, потери в окружающую среду в тепловом балансе составили 60,4%, а в эксергетическом - 15,9% (суммарные потери в калорифере и сушилке, из которых отработанный сушильный агент выбрасывается в атмосферу). Это объясняется низким энергетич. потенциалом уходящих газов, что, естественно, сказалось на численном значении их эксергии. Что касается таких статей расхода, как потери в калорифере, при смешении паров влаги с сушильным агентом, от гидравлич. сопротивления установки и от необратимости тепло- и массообмена, то они вообще не нашли отражения в тепловом балансе. Т. обр., в сопоставлении с ним эксергетич. баланс полнее и объективнее отразил все энергетич. затраты на реализацию сушильного процесса и позволил выявить "узкие" места в нем. В данном случае повышение эффективности работы установки в первую очередь было связано с совершенствованием функционирования калорифера (изменены конструкция и параметры работы, в частности, снижено давление греющего пара).

Структурные коэффициенты

При эксергетическом анализе ХТС существенна связь их общих показателей с характеристиками отдельных элементов (аппаратов). Меру влияния отдельного элемента на эффективность работы системы в целом принято оценивать с помощью так называемой структурного коэффициента . Он представляет собой отношение изменения к.-л. эксергетич. параметра всей системы (кпд, потери, входные и выходные потоки) к его изменению в одном из элементов; при этом все остальные параметры системы считаются неизменными.

Оптим. оценки функционирования ХТС получены при вычислении через эксергетич. кпд. Расчетные соотношения для этого коэффициент зависят от структурных связей в системе, т. е. от наличия последовательно, параллельно или смешанно соединенных между собой ее элементов. Анализ показывает, что в ХТС с последоват. соединением аппаратов одинаковые изменения к.-л. элемента в равной степени отражаются на величине данного коэффициент для всей системы независимо от места расположения в ней аппарата. В то же время изменение потерь эксергии зависит от размещения элемента: чем дальше от входа в систему он находится, тем сильнее влияние указанных потерь на работу системы. Поэтому необходимо обращать особое внимание на уменьшение эксергетич. потерь на заключит. стадиях процесса, протекающего в ХТС с таким соединением элементов.

В системах с параллельным соединением элементов изменение потерь эксергии в любом аппарате вызывает эквивалентные изменения потерь во всей ХТС. Эксергетический анализ с помощью структурных коэффициент реальных пром. систем требует их предварит. преобразования в схемы, состоящие из параллельно соединенных участков, в которых аппараты связаны последовательно.

Оптимизация работы ХТС на основе эксергетического анализа осуществляется с помощью целевых функций (см. Оптимизация); обычно применяют приведенные денежные затраты на единицу эксергии продукта, сумму удельная затрат эксергии. На практике широко используют вторую из перечисленных функций. В общем виде показатель, служащий для нахождения оптим. параметров ХТС на основе данной целевой функции, имеет вид:

где Се,i и Спр - стоимость единицы эксергии сырья и продукции; Ei и Eпрj - их эксергии; К - капитальные затраты; {т} -совокупность параметров, по к-рым оптимизируется работа системы. Выражение (16) конкретизируется в зависимости от особенностей структуры ХТС и условий ее функционирования.

Термодинамический анализ процессов воздухоразделительных установок

Большинство низкотемпературных процессов сжижения и разделения газов осуществляется за счет подвода механической или электрической энергии. При этом уравнение расхода энергии удобно представить в следующем виде:

L = Lmin + УПк (1)

где Lmin - минимальная работа, затрачиваемая на осуществление процесса (при обратимом его протекании); УПк - суммарные потери вследствие необратимости процессов сжатия, расширения, теплообмена, ректификации и т.п.

Пк= T0·ДSк,необр.

где Т0 - температура окружающей среды; ДSк,необр. - возрастание энтропии рабочих тел и окружающей среды вследствие необратимости процессов.

При термодинамическом анализе широко используют понятие эксергии. Под эксергией системы понимают работу, необходимую для перевода системы в заданное состояние из состояния равновесия с окружающей средой.

Е = I - I0 = Т0 (S - S0),

где индекс "0" относится к состоянию, характеризующемуся температурой T0 и давлением P0 окружающей среды.

Потери от необратимости называют потерями эксергии, а уравнение (1) - эксергетическим балансом.

Термодинамический КПД является отношением минимальной работы к действительной.

зt = Lmin/L= (L- УПк)/L=I-УЩк (2)

где Щ = Пк/L - коэффициент эксергетических потерь.

Применительно к разделению воздуха нулевая эксергия

E0i=R·T0·ln(P0/Pi),

т.е. нулевая эксергия равна минимальной работе изотермического сжатия компонента от парциального давления до давления смеси.

Минимальная работа перевода рабочего тела из состояния 1 в состояние 2

Lmin = E2 - E1.

Минимальная работа сжижения газа

Lf,min = Ef.

Минимальная работа разделения идеальной газовой смеси на чистые компоненты

Lp,min = Уyi·E0i= T0·Уyi·ДS0i = T0·ДS0 = RT0 Уyi·ln(1/yi);

где ДS0 - изменение энтропии смеси в результате разделения.

При разделении воздуха В не на чистые компоненты, а на кислород с концентрацией yк и азот с концентрацией yа

Lp,min = T0·ДS0 = T0R{[yв·ln(1/yв)+

(1-yв)·ln(1/(1-yв))]- K·[yк·ln(1/yк)+

(1-yк)·ln(1/(1-yк))]- A·[yа·ln(1/yа)+

(1-yа)·ln(1/(1-yа))]}

Минимальная работа разделения при различных концентрациях кислорода и азота

Содержание О2,%:	Выход кислорода К, моль/моль	Lp,min МДж/кмоль
Ук	Уа
100	0	0,209	6,17
100	6,3	0,156	5,07
99,5	2,0	0,194	5,53
95,0	1,0	0,212	5,06

Минимальная работа на производство жидкого кислорода и азота

Компонент	Содержание О2,%:	Минимальная работа, МДж/кмоль:
	в кисло-роде	в азоте	сжи-жения	разде-ления	получения из воздуха
кислород	100	0	20,7	6,17	26,9
кислород	99,5	2	20,9	5,53	26,5
азот	100	0	22,0	1,6	23,6
азот	26	0,5	22,0	0,6	22,6

Минимальная работа получения из воздуха продукта в жидком состоянии складывается из минимальной работы разделения воздуха и минимальной работы сжижения компонента.

Расчеты с применением энтропии к эксергии приводят к одинаковым результатам.

Основные задачи анализа воздухоразделительных установок (ВРУ)

При разработке установок различной производительности, для получения продуктов разделения различной чистоты и под различным давлением, в газообразном и жидком состоянии большое значение имеет выбор наиболее эффективных технологических схем. От построения схемы зависят как технико-экономические показатели установок, так и тип используемых машин и аппаратов.

Целью термодинамического анализа ВРУ являются:

· определение их энергетических показателей (термодинамического КПД);

· оценка потерь от необратимости в отдельных узлах и аппаратах установок, и определение направлений их усовершенствования;

· сравнение различных схем по энергетическим показателям;

· оценка влияния различных факторов на эффективность установок.

На установках большой производительности затраты падают в основном на стоимость энергии (до 10%). Обычно термодинамический КПД современных установок разделения воздуха составляет не более 18%; остальная энергия расходуется на компенсацию потерь в машинах и аппаратах установок, из которых до 40% теряется при сжатии воздуха в компрессоре и 45% приходится на блок разделения, в том числе: на регенераторы 13%, узел ректификации 30%(13% - верхняя колонна, 5,5% - нижняя колонна, 4,5% - конденсаторы).

Полезно проанализировать выражение для определения удельного расхода энергии на производство газообразного кислорода

lO2={[(R·T0·ln(P2/P1))]/[(1-ДВ)· зиз·К].

Как видно, снизить расход энергии можно за счет:

- снижения потерь воздуха при переключениях регенераторов и продувках - ДВ;

- снижения давления сжатия воздуха P2;

- повышения значения зиз;

- увеличения доли получаемого кислорода К;

- повышения давления всасывания P1.

I. Снижение потерь воздуха при переключениях можно обеспечить за счет удлинения времени переключения. Так реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники имеют время между переключениями 20 - 30 мин., вместо 6-8 мин. - для регенераторов с каменной насадкой и 3 мин. - с алюминиевой насадкой. Определенный эффект даст рациональное ведение режима переключений с использованием средств автоматизации.

2. Повышение изотермического КПД зиз ориентирует на использование современных турбомашин для сжатия воздуха.

3. Рабочее давление Р2 можно снизить за счет уменьшения разности температур конденсаторов (использование пластинчато-ребристых конденсаторов), уменьшения сопротивлений аппаратов и коммуникаций как по прямому, так и обратному потокам.

4. Давление перед компрессором P1 можно повысить, уменьшив сопротивление воздухозаборной линии и фильтра перед компрессором.

5. Увеличение доли продукционного кислорода К осуществляется за счет поддержания максимальной концентрации сбросного азота.

В свою очередь на концентрацию азота влияет доля детандерного потока (уменьшение D приводит к росту уа), а долю детандерного потока можно уменьшить за счет снижения теплопритока через изоляцию (улучшение качества изоляции) и уменьшения недорекуперации.

6. Если из установки выводить не один продукционный кислород, а, например, чистый азот, аргон, жидкие продукты и т.д. (комплексное разделение воздуха), то стоимость энергии сжатия воздуха можно уже разложить на несколько продуктов. Отсюда стоимость в отдельности каждого продукта уменьшается.

В установках для получения технологического кислорода имеются значительные резервы для повышения экономичности. Увеличивая детандерный поток и уменьшая необратимые потери можно получать жидких кислорода или азота до 1,5% от количества перерабатываемого воздуха.

При получении на ВРУ технического кислорода увеличение детандерного потока приводит к существенному уменьшению количества получаемого технического кислорода (за счет снижения концентрации сбросного азота).

Поэтому в воздухоразделительных установках для получения технического кислорода особенно важное значение приобретает необходимость совершенствования теплоизоляции блоков, уменьшение недорекуперации в теплообменных аппаратах, а также применение регулируемых турбодетандеров. Совокупность всех мер позволяет значительно снизить (на 7...10%) долю детандерного потока и тем самым довести коэффициент извлечения кислорода до значений, близких к получаемым на установках технологического кислорода.

В ВРУ технического кислорода отбор жидких кислорода и азота неизбежно уменьшает выход газообразных кислорода и аргона. Однако в определенных небольших пределах отбор части жидких продуктов на таких установках может оказаться экономически целесообразным; расчеты показывают, что приведенные затраты оказываются меньшими, чем при получении жидкого кислорода на специализированных жидкостных установках.

Анализ показывает, что наиболее значительные необратимые потери наблюдаются в верхней ректификационной колонне, теплообменной аппаратуре - на гидравлическое сопротивление; в азотных, кислородных регенераторах и конденсаторах - на недорекуперацию.

Уменьшение концентрационных напоров в верхней колонне, например, за счет постановки дополнительных конденсаторов, позволяет снизить удельный расход энергии на 5...7%. Уменьшение гидравлического сопротивления в обратном потоке на 10 кПа и в прямом на 20 кПа снижает удельный расход энергии на 5%. Применение пластинчато-ребристых конденсаторов вместо трубчатых, снижает энергозатраты на 2%.

Снижение недорекуперации в теплообменных аппаратах на 1 град. уменьшает расход энергии на 3%.

Повышение КПД компрессора на 1% дает выигрыш в удельном расходе на 1%, а КПД турбодетандера - на 4% и, соответственно, на 1%.

Эксергетический анализ парокомпрессионной холодильной установки

Эксергетический анализ является относительно новым разделом термодинамики; он основан на применении понятия эксергии для исследования технических процессов. Этот метод находит широкое применение в анализе холодильных установок и различных криогенных систем. Данный метод удобен тем, что характер процессов в анализируемой системе не имеет принципиального значения. В некоторых новых системах термодинамический цикл вообще отсутствует (термоэлементы). Все большее значение приобретает основное качество этого метода -- универсальность. Кроме того другие показатели эффективности не отражают реальность процессов. Например, адиабатный КПД сравнивает действительный процесс с адиабатным, т.е. с теоретическим, который в машине не происходит. В отличие от них эксергетический КПД сравнивает две характеристики действительного процесса, протекающего в машине.

Рассмотрим участок испаритель-компрессор-конденсатор одноступенчатой холодильной установки непосредственного охлаждения, в качестве охлаждающего прибора использовался воздухоохладитель, а конденсатор -- воздушный с принудительной циркуляцией воздуха. Рассматриваемый компрессор 5ВХ-350/5ФС и компрессор сухого сжатия с аналогичными характеристиками.

Средняя температура воздуха, циркулирующего через воздухоохладитель:

Потери эксергии при необратимом переходе теплоты Qохл с уровня, соответствующего температуре охлаждаемого объекта Тохл, на уровень, соответствующий средней температуре охлаждаемого в воздухоохладителе воздуха:

Список литературы

1. В.А. Васютин, В.К. Орлов - Термодинамический анализ процессов воздухоразделительных установок

2. Шаргут Я., Петела Р., Эксергия, пер. с польск., М., 1968;

3. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа --

М.: Изд-во «Энергия». -- 1973. -- С.181-193.

4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К., Эксергетический метод и его приложения, М., 1988;

5. Сажин Б. С., Булеков А. П., Эксергетический анализ в химической технологии, М., 1992.

6. Быков А.В., Гуревич Е.С., Канышев Г.А. Холодильные компрессоры //Справочник -- 1981. -- С.59 - 91.

Размещено на Allbest.ru