Последовательность энергетических превращений в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Научно обоснованный анализ всей последовательности энергетических превращений в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте и в быту существенно важен для успешного проведения активной энергосберегающей политики. Базой для такого анализа служит прежде всего современная термодинамика. В связи с необходимостью решать наиболее компактным и наглядным методом задачи, связанные с энергетическими превращениями в самых различных технических устройствах, в термодинамике начиная с 50-ых годов выделился в самостоятельное направление специальный раздел, связанный с понятием эксергии - свойство термодинамической системы или потока энергии, характеризуемое количеством работы, которая может быть получена внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия (термин «эксергия» был введен З. Рантом в 1956 г., он состоит из двух частей: греческого слова «erg» - работа, сила и приставки «ex», означающей «из», «вне»). В сочетании с элементами системного подхода и экономики он образовал инженерный метод, получивший название эксергетического. Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству; она дает возможность количественно оценить и качественную ее сторону. Эксергия определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях. Таким образом, эксергия представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов.

Сущность эксергетического метода заключается в том, что любые потоки энергоносителей (вода, пар, химические продукты) или энергии (электроэнергия, теплота) оценивают по той максимальной полезной работе, которую они могут произвести. В качестве окружающей среды понимают среду практически неограниченных размеров, характеризующуюся относительно постоянными параметрами - температурой Т₀, давлением р₀ и химическим составом. Энергия, отведенная в окружающую среду в виде теплоты или работы, становится внутренней энергией окружающей среды. Окружающая среда служит аккумулятором энергии, имеющим большие размеры; параметры состояния окружающей среды (температура, давление) несмотря на получение энергии, не меняются. Таким образом, окружающая среда - это источник исходных веществ и приемник продуктов, который обладает минимальной свободной энергией и поэтому не может быть источником работы. Система, находящаяся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, теряет способность совершать полезную работу. Если параметры состояния вещества соответствуют параметрам компонентов окружающей среды, практическая энергетическая пригодность вещества равна нулю. Поэтому состояние термодинамического равновесия его с окружающей средой принимают за нулевой уровень при расчете практической энергетической пригодности этого вещества. Теплота имеет тем меньшую практическую пригодность, чем меньше разница между температурой источника теплоты и температурой окружающей среды. Находящиеся в среде внешние источники массы и энергии (например, химическое сырье, топливо), параметры которых существенно отличаются от параметров среды, рассматриваются отдельно от среды.



1. Принципиальная схема установки и ее описание

Рис.1.1 - кожухотрубчатый многоходовой теплообменник 1 - крышки; 2 - перегородки в крышках; 3 - трубы; 4 - кожух; 5 - трубные решетки; I и II - теплоносители: I - поток контактного газа; II - поток шихты.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рисунке 1.1 показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции. Он состоит из кожуха (4), к которой с двух сторон приварены трубные решетки (5). В трубных решетках плотно закреплены трубы (3). Для ввода и вывода теплоносителей к кожуху и днищам приварены патрубки.

Один из теплоносителей I (контактный газ) протекает по трубам, другой II (шихта) - по межтрубному пространству. Поток контактного газа направляется через патрубок в одну камеру, проходит по трубкам и выходит через патрубок в другой камере. Поток шихты вводится через нижний патрубок на кожухе в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится через верхний патрубок. Теплота от одного теплоносителя передается к другому через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты.

В многоходовом теплообменнике по трубному пространству с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников 1, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое. Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок 2.

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечет за собой увеличение его гидравлического сопротивления и усложнение конструкции теплообменника. В таких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя. Следует отметить, что в многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше 50°С), то трубы и кожух удлиняются существенно неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при разностях температур труб и кожуха более 50°С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата.



2. Определение температуры контактного газа на входе в перегреватель

2.1 Определение массового состава шихты и контактного газа

Определяем массовый состав контактного газа (кг/ч):

где , , - массовые расходы соответственно изопропилбензола, б-метилстирола и водяного пара, входящих в состав контактного газа.

Проверка:

- верно.

Массовый состав шихты (кг/ч) дан:

Массовый состав контактного газа дан:

Определим массовый состав шихты:



где

m_i - массовый расход соответствующего компонента в потоке теплоносителя, кг/ч;

- массовый расход потока теплоносителя, кг/ч.

Для изопропилбензола:

Для водяного пара:

Таблица 2.1- Массовый состав шихты и контактного газа [2]

Потоки	Массовая доля	Компоненты потоков
		Изопропил-бензол	Водяной пар	б-метилстирол
Шихта	Х	0,75	0,25	-
Контактный газ	Х	0,13	0,75	0,12

2.2 Определение состояния водяного пара в шихте и в контактном газе

Определение температуры насыщения:

Р_ш = 1,8 ат = 180 кПа Т_ш.нас. = 116,93⁰С = 389,93 К

Р_к.г. = 1 ат = 100 кПа Т_{к.г.нас.} = 99,63⁰С =372,63 К

Температура водяного пара превышает температуру насыщения (кипения) при данном давлении, поэтому пар является перегретым. Значения параметров пара будем находить по таблицам перегретого водяного пара по заданным температуре и давлению, а при температуре окружающей среды по таблице насыщенного пара.



2.3 Тепловой баланс перегревателя (без учета потерь)

, (2.1)

где - расход контактного газа, кг/с;

- расход шихты, кг/с;

- энтальпия (теплосодержание) контактного газа на входе в перегреватель, кДж/кг;

- энтальпия контактного газа на выходе из перегревателя, кДж/кг;

- энтальпия шихты на входе в перегреватель, кДж/кг;

- энтальпия шихты на выходе из перегревателя, кДж/кг;

и вычисляются по формулам:

, (2.2)

, (2.3)

где , , - энтальпия соответственно изопропилбензола, б-метилстирола, водяного пара, кДж/кг;

, , - массовая доля соответственно изопропилбензола, б-метилстирола, водяного пара.

- Примем давление контактного газа

Температура контактного газа на выходе из перегревателя:



[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]

- Давление паров шихты составляет

Температура шихты на входе в перегреватель:

[2, прил.Д]

[5]

- Температура шихты на выходе из перегревателя:

[2, прил.Д]

[5]



Таблица 2.2 - Значение энтальпии и энтропии компонентов шихты [2, 5]

Температура	0С	К	Изопропилбензол	Водяной пар
			hиз, кДж/кг	Sиз, кДж/кг.К	hвп, кДж/кг	Sвп, кДж/кг.К
Т0 (окр.сред.)	25	298	212,56	3,2344	2546,8	8,5583
Тш1 (вход)	150	423	404,54	3,7594	2770,5	7,3321
Тш2 (выход)	490	763	1172,83	5,0651	3465,7	8,5347

Таблица 2.3 - Значения энтальпии и энтропии компонентов контактного газа [2, 5]

Температура	0С	К	Изопропил- бензол	Метилстирол	Водяной пар
			hиз,	Sиз,	hм,	Sм,	hвп,	Sвп,
Т0 (окр. сред.)	25	298	212,56	3,2344	214,53	3,2443	2546,8	8,5583
Ткг1 (вход)	543,5	816,5	1317,92	5,2509	1251,63	5,1456	3581,36	8,9520
Ткг2 (выход)	432	705	1020,77	4,8599	975,37	4,7848	3344,48	8,6404

2.4 Определение величины энтальпии контактного газа на входе в перегреватель

Из полученного баланса выражаем величину энтальпии контактного газа на входе в перегреватель:

(2.4)

Для определения температуры контактного газа на входе в перегреватель вычисляем значения теплосодержаний при нескольких температурах:



·

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]

·

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]

·

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]

·

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]

Результаты расчетов сводим в таблицу 2.4.

Таблица 2.4 - Теплосодержание (энтальпия) контактного газа [2]

Температура, 0С	430	450	470	490
Температура, К	703	723	743	763
Теплосодержание, кДж/кг	2753,675	2797,83	2842,1	2886,65

На основании рассчитанных данных строим график зависимости теплосодержания контактного газа от температуры h = f(T).

Т_{к.г.нач.} = 543,5⁰С = 816,5 К



Рис.2.1 - Зависимость энтальпии от температуры

Температура контактного газа на входе в перегреватель:

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[5]



3. Определение эксергетического КПД перегревателя шихты

3.1 Значения энтропии для контактного газа и шихты

Энтропия контактного газа при температуре входа в перегреватель:

Т_{к.г.нач.} = 543,5⁰С = 816,5 К, р = 1 ат

, где (3.1)

энтропия контактного газа при температуре входа в перегреватель, кДж/кг;

, , энтропия соответственно изопропилбензола, б-метилстирола, водяного пара, кДж/кг;

, , - массовая доля соответственно изопропилбензола, б-метилстирола, массовая доля водяного пара (см.таблицу 2.1).

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

Энтропия контактного газа при температуре выхода из перегревателя:

Т_{к.г.кон.} = 432⁰С = 705 К, р = 1 ат



(3.2)

[2, прил.А]

[2, прил.A]

[5]

Энтропия шихты при температуре входа в перегреватель:

Т_ш1 = 150⁰С = 423 К, р = 1,8 ат

(3.3)

[2, прил.А]

[5]

Энтропия шихты при температуре выхода из перегревателя:

Т_ш2 = 490⁰С = 763 К, р = 1,8 ат

(3.3)

[2, прил.А]

[5]



Таблица 2.5 - Значение энтальпии и энтропии контактного газа и шихты [2, 5]

Температура	0С	К	Контактный газ	Шихта
			h, кДж/кг	S, кДж/кг.К	h, кДж/кг	S, кДж/кг.К
Ткг1 (вход)	543,5	816,5	3008,1	8,0141	-	-
Ткг2 (выход)	432	705	2758,1	7,6863	-	-
Тш1 (вход)	150	423	-	-	996,025	4,6526
Тш2 (выход)	490	763	-	-	1746,045	5,9325
Т0 (окр.сред.)	25	298	1963,4764	7,2285	796,12	4,5654

3.2 Изменение эксергии контактного газа и шихты

Изменение эксергии контактного газа, кВт:

, где (3.4)

изменение эксергии контактного газа, кВт;

- расход контактного газа, кг/с;

, - энтальпия контактного газа на входе в перегреватель и на выходе из него, кДж/кг;

, энтропия контактного газа на входе в перегреватель и на выходе из него, ;

температура окружающей среды, К.



Изменение эксергии шихты:

, (3.5)

где изменение эксергии шихты, кВт;

- расход шихты, кг/с

, - энтальпия шихты на входе в перегреватель и на выходе из него, ;

, энтропия шихты на входе в перегреватель и на выходе из него, ;

температура окружающей среды, К.

3.3 Эксергетический КПД перегревателя

, (3.6)

где - эксергетический КПД перегревателя;

изменение эксергии контактного газа, кВт;

изменение эксергии шихты, кВт.



4. Эксергия потоков контактного газа и шихты на входе в перегреватель и на выходе из него [2, 5]

4.1 Эксергия потоков контактного газа на входе в перегреватель

, (4.1)

где эксергия контактного газа на входе в перегреватель, кВт;

- расход контактного газа, кг/с;

энтальпия контактного газа на входе в перегреватель, кДж/кг;

энтальпия контактного газа при температуре окружающей среды, кДж/кг;

энтропия контактного газа при температуре входа в перегреватель, ;

энтропия контактного газа при температуре окружающей среды, ;

температура окружающей среды, К.

Энтальпия контактного газа при температуре окружающей среды:

[2, прил.Д]

[2, прил.Г]

[2, прил.В]

Энтропия контактного газа при температуре окружающей среды:

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[2, прил.В]

4.2 Эксергия потоков контактного газа на выходе из перегревателя

, (4.2)

где эксергия контактного газа на выходе из перегревателя, кВт;

расход контактного газа, кг/с;

энтальпия контактного газа на выходе из перегревателя, кДж/кг;

энтальпия контактного газа при температуре окружающей среды, кДж/кг;

энтропия контактного газа при температуре выхода из перегревателя,

энтропия контактного газа при температуре окружающей среды,

температура окружающей среды, К.

4.3 Эксергия потоков шихты на входе в перегреватель

, (4.3)

где эксергия шихты на входе в перегреватель, кВт;

расход шихты, кг/с;

энтальпия шихты на входе в перегреватель, кДж/кг;

энтальпия шихты при температуре окружающей среды, кДж/кг; энтропия шихты при температуре входа в перегреватель, кДж/кг^.К;

энтропия шихты при температуре окружающей среды, кДж/кг^.К;

температура окружающей среды, К.

Энтальпия шихты при температуре окружающей среды:



[2, прил.Д]

[2, прил.В]

Энтропия шихты при температуре окружающей среды:

[2, прил.А]

[2, прил.В]

4.4 Эксергия шихты на выходе из перегревателя

, (4.4)

где эксергия шихты на выходе из перегревателя, кВт;

расход шихты, кг/с;

энтальпия шихты на выходе из перегревателя, кДж/кг;

энтальпия шихты при температуре окружающей среды, кДж/кг;

энтропия шихты при температуре выходе из перегревателя, кДж/кг^.К;

энтропия шихты при температуре окружающей среды, кДж/кг^.К;

температура окружающей среды, К.

Таблица 2.6 - Эксергия потоков контактного газа и шихты на входе в перегреватель и выходе из него

Эксергия контактного газа, кВт	Эксергия шихты, кВт
на входе	на выходе	на входе	на выходе
Екг1	Екг2	Еш1	Еш2
2698,9983	2191,82	193,05	602,21



5. Составление эксергетического баланса

кожухотрубчатый многоходовой теплообменник перегреватель

, где (5.1)

эксергия контактного газа на входе в перегреватель, кВт;

эксергия контактного газа на выходе из перегревателя, кВт;

эксергия шихты на входе в перегреватель, кВт;

эксергия шихты на выходе из перегревателя, кВт;

потери эксергии, кВт.

193,05 + 2698,9983 = 602,21 + 2191,82 + Д

2892,0483 = 2794,03 + Д



6. Эксергетический КПД перегревателя шихты

, (6.1)

где - эксергетический КПД перегревателя;

эксергия контактного газа на входе в перегреватель, кВт;

эксергия контактного газа на выходе из перегревателя, кВт;

эксергия шихты на входе в перегреватель, кВт;

эксергия шихты на выходе из перегревателя, кВт.

Если эксергию уходящего контактного газа не использовать вторично, то КПД снизится и составит:

, где

- эксергетический КПД перегревателя;

эксергия контактного газа на входе в перегреватель, кВт;

эксергия шихты на входе в перегреватель, кВт;

эксергия шихты на выходе из перегревателя, кВт.



7. Потери эксергии Д

, где

эксергия контактного газа на входе в перегреватель, кВт;

эксергия контактного газа на выходе из перегревателя, кВт;

эксергия шихты на входе в перегреватель, кВт;

эксергия шихты на выходе из перегревателя, кВт;

потери эксергии, кВт.



8. Диаграмма потоков и потерь эксергии (диаграмма Грассмана-Шаргута)

диаграмма Грассмана-Шаргута

Рис.8.1 - Диаграмма потоков и потерь эксергии кожухотрубчатого перегревателя паров шихты

Е_кг1 = 2698,9983 кВт

Е_кг2 = 2191,82 кВт

Е_ш1 = 193,05 кВт

Е_ш2 = 602,21 кВт

Д = 98,02 кВт



9. Расчет поверхности теплообмена [4]

Расчет поверхности теплообмена осуществляется через уравнение теплового баланса и основное уравнение теплопередачи:

, (9.1)

где Q - количество тепла, отдаваемое контактным газом, Вт;

G_кг - расход контактного газа, кг/с;

h_кг1 , h_кг2 - энтальпия контактного газа соответственно на входе и выходе из перегревателя, кДж/кг;

F - площадь поверхности теплообмена, м²;

K - кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость переноса теплоты, Вт/м^2.К;

- средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор) по поверхности теплопередачи, ^oC;

Средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор) по поверхности теплопередачи для противотока:

большая разность температур

меньшая разность температур



(9.2)

Кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи) выбираем по таблице 4.8 [4]. Для случая теплообмена от газа к газу (при невысоких давлениях) при вынужденном движении коэффициент теплопередачи К = 10-40 Вт/м^2.К. В данном случае примем K = 30 Вт/м^2.К. (р_кг = 1 ат; р_ш = 1,8 ат).

,

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м^{2 .} К);

б₁ - коэффициент теплоотдачи для контактного газа, Вт/(м^{2 .} К);

б₂ - коэффициент теплоотдачи для шихты, Вт/(м^{2 .} К);

- сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м^{2 .} К)/Вт.

Коэффициент теплоотдачи для газов мал, т.к. он зависит от физических свойств, таких как плотность, вязкость и др., а величины этих физических свойств для газов малы по сравнению с величинами физических свойств для жидкостей. Следовательно, величина 1/б будет большой. Эта величина стоит в знаменателе формулы, поэтому и сам коэффициент теплопередачи будет маленьким.

Следовательно, поверхность теплообмена определится как:

(9.3)

.



10. Изображение изменения состояния контактного газа и шихты на T-S и p-h диаграмме

10.1 Изображение изменения состояния контактного газа на T-S и р-h диаграмме

Для построения Т-S диаграммы необходимо знать значения энтропий при промежуточных температурах между температурами входа и выхода в перегреватель.

· , р = 1ат

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1ат

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1ат

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1 ат

[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1 ат



[2, прил.А]

[2, прил.А]

[5]

Сведем полученные данные в таблицу.

Таблица 2.7 - Зависимость энтропии контактного газа от температуры [2, 5]

Т, К	705	723	743	763	783	803	816,5
S,	7,6863	7,7413	7,80115	7,8606	7,9188	7,97645	8,0141

Т-S диаграмма для контактного газа

Рис.10.1 - Изображение изменения состояния контактного газа 1-2 - изобарный процесс охлаждения контактного газа

р-h диаграмма для контактного газа



Рис.10.2 - Изображение изменения состояния контактного газа шихты на T-S и p-h 1-2 - изобарный процесс охлаждения контактного газа

· , р = 1,8ат

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1,8ат



[2, прил.А]

[5]

· , р = 1,8ат

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1,8ат

[2, прил.А]

[5]

· , р = 1,8ат

[2, прил.А]

[5]

Сведем полученные данные в таблицу.

Таблица 2.8 - Зависимость энтропии шихты от температуры [2, 5]

Т, К	423	463	533	593	643	703	763
S,	4,6526	4,82155	5,1036	5,33445	5,5166	5,7301	5,9325

Т-S диаграмма для шихты

Рис.10.3 - Изображение изменения состояния контактного газа 1-2 - изобарный процесс нагревания шихты

p-h диаграмма для шихты



Рис.10.4 - Изображение изменения состояния контактного газа 1-2 - изобарный процесс нагревания шихты



Вывод

При исследовании энерго-химико-технологической системы (ЭХТС) и ее элементов в первую очередь составляются материальный и тепловой балансы, а затем эксергетический.

Тепловой баланс (без учета потерь):

Из теплового баланса было выражено теплосодержание контактного газа на входе в перегреватель и графически найдена температура, при которой контактный газ входит в перегреватель.

В отличие от теплового баланса эксергетический баланс учитывает потери от необратимости в ЭХТС и тем самым отражает степень приближения системы к идеальной, для которой эксергетический КПД равен 1. Эксергетический баланс:

2892,0483 = 2794,03 + Д

Д = 98,02 кВт - эксергетические потери вследствие необратимости процесса.

Совершенство ЭХТС и ее элементов тем выше, чем меньше потери эксергии, поэтому степень совершенства ЭХТС и ее элементов характеризуют эксергетическим КПД.

В общем случае эксергетический КПД будет определяться отношением:



В включаются потоки эксергии, которые определяют полученный эффект. В включаются потоки эксергии, которые определяют затраты.

В работе рассчитаны три КПД, отражающие различные аспекты термодинамического процесса перегрева:

а) как отношение изменений эксергий теплоносителей:

Это наиболее истинный КПД, отражает степень совершенства перегревателя, показывает какая доля эксергии контактного газа перешла в эксергию шихты.

б) эксергетический КПД перегревателя шихты на основе эксергетического баланса:

= 0,97

имеет значение близкое к 1, так как потери на выходе незначительны.

в) Если теряется в окружающую среду, то значение будет меньше, т.е. не происходит совершение полезного эффекта. Поскольку все эти побочные эффекты, если они не использовались, их нельзя относить к полезным, при расчете КПД они, как правило, не должны включаться в числитель формулы.



Существенную помощь при эксергетическом анализе ЭХТС оказывает диаграмма Грассмана-Шаргута потоков и потерь эксергии (рис.8.1). На этой диаграмме каждый поток эксергии анализируемой ЭХТС изображается полосой, ширина которой пропорциональна значению эксергии.



Библиографический список

1. Бродянский В.М. Эксергетичекий метод и его приложения/ Бродянский В.М., Фрашер В., Михалек К. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Гребенкина З.И. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебное пособие для выполнения курсовой работы. 2-е изд.,перераб. и доп. -Киров: Изд-во ГОУ ВПО «ВятГУ», 2010 - 60 с.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 3-е. В 2-х кн.: Часть 1. М.: Химия, 2002 - 400 с.

4. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005 - 576 с.

5. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара./ Ривкин С.Л., Александров А.А. - М.: Энергия, 1980.

Размещено на Allbest.ru