Параграф 26. Рекуперация тепла в сложных ЭХТС. Метод Линхофа.
В любом технологическом процессе высокопотенциальное тепло неизбежно превращается в низкопотенциальное, которое сосредотачивается преимущественно во ВЭР. Таким образом низкопотенциальное тепло всегда имеется в избытке, и приходится искать способы его рационального использования. Однако проблема состоит не просто в экономии энергии, а в сохранении ее качества.
Общие принципы рекуперации тепла (возврата его части для повторного использования в том же технологическом процессе) вытекают из второго закона термодинамики и заключаются в необходимости уменьшения движущих сил во всех точках теплообменников. Однако реальное осуществление этих принципов является сложной задачей, особенно в таких системах, в которых велико число потоков различного потенциала и число вариантов рекуперации энергии.
Одним из действенных приемов, используемых для оценки возможности рекуперации тепловой энергии в сложных ЭХТС, является метод, предложенный Б. Линхофом. Это метод температурного соответствия.
Известно, что при уменьшении движущих сил тепломассообменных процессов не только снижаются эксергетические потери в них, но довольно часто увеличиваются капитальные затраты, связанные с изготовлением аппаратов с большей поверхностью. Тем не менее, возможны и такие варианты реализации теплообменных процессов, при которых одновременно уменьшаются как энергетические, так и капитальные затраты, связанные с аппаратурным оформлением этих процессов. Простейшим примером, иллюстрирующим такую возможность, может служить схема теплообмена трех материальных потоков (рисунок 26.1, а). В рассматриваемом процессе три потока нагреваются от 350 до 450 К паром с температурой 530 К. Одновременно с этим три потока с температурой 600 К охлаждаются до 500 К водой с температурой 300÷310 К. Требуемый результат в рассматриваемом случае можно получить без расхода пара и воды (рисунок 26.1, б).
Рисунок 26.1 ‒ Схемы нагревания и охлаждения технологических потоков
с использованием пара и воды (а) и без их использования (б)
Суть метода Линхофа заключается в следующим. Строят график, характеризующий величину и направление тепловых потоков в анализируемой системе во всех характерных температурных интервалах и анализируют его с целью нахождения участков с самокомпенсирующимися тепловыми потоками. На рисунке 26.2 в координатах температура-энтальпия построены такие графики для системы с тремя материальными потоками. Прямая I соответствует процессу охлаждения потока с начальной температурой 550 К, а прямые II и III ‒ процессу нагревания потоков с начальными температурами 350 и 450 К соответственно. Данная диаграмма является основой для построения общего графика, характеризующего отведение или подведение в системе тепла в каждом интервале изменений температур потоков. Этот график представлен в правой части рисунка 26.2. Его анализ и позволяет выявить возможность экономии тепла в рассматриваемой системе.
Рисунок 26.2 ‒ Диаграмма Линхофа
В данном случае некоторые прямые имеют положительный угол наклона к оси абсцисс. К ним относятся линии DВ и GF, которые соответствуют процессам нагревания. Соответственно линии АВ, DF и GH характеризуют температуру и количество тепла, которое необходимо отвести из системы. Из графика видно, что потребность в тепле на участке DB частично можно покрыть за счет тепла, отводимого с участка АВ (отрезок CB). Этого тепла, имеющего температуру выше, чем температура теплового потока на линии DB, достаточно для удовлетворения потребностей системы в тепле на этом участке. Аналогично, за счет тепла, выделяющегося на участке EF, можно покрыть потребность в тепле на линии GF. Все остальные тепловые потоки в системе невозможно подвести и отвести за счет рекуперации внутреннего тепла. Для этого на линии DC необходимо подводить тепло извне, а также отводить его из системы для ее охлаждения на линиях DE и GH. Тепловые потоки на этих участках соответствуют минимуму тепловых затрат, к которому следует стремиться при проектировании системы (в точках В и F разности температур равны нулю).
Преимуществом метода Линхофа является то, что вид графиков не зависит от схемы рекуперации тепла. Для его применения необходимо знать лишь параметры участвующих в процессе тепловых потоков, позволяющие построить график, характеризующий изменение суммарной тепловой нагрузки во всех температурных интервалах. На графике обязательно есть точка, соответствующая минимуму энтальпии (на рисунке 26.2 это точка D), выше которой требуется подвод, а ниже ‒ отвод тепла. Эта точка получила название «узкое место» или «бутылочное горло». Иначе говоря, это означает, что в любой схеме всегда не хватает высокопотенциального тепла и имеется излишек низкопотенциального тепла. Таким образом, в рассматриваемом случае нецелесообразно передавать тепло с уровня выше 450 К на более низкий уровень, так как при этом потребуется дополнительный подвод тепла извне для компенсации его потерь. Поэтому, если в ходе анализа схемы обнаруживается, что в ней нарушен «запрет перехода через «бутылочное горло», она должна быть заменена на другую, в которой нет такой потери теплового потенциала. В любом случае рекуперацию тепла следует проводить между потоками с близкими температурами.
Существует вариант метода Линхофа, в котором строят не единый суммарный график нагревания и охлаждения, а раздельно общие графики нагревания и охлаждения (рисунок 26.3). При анализе конкретных схем теплообмена с помощью таких графиков в первую очередь необходимо обнаружить и устранить перенос тепла с верхнего уровня вниз через «бутылочное горлышко» (ΔТmin). Далее следует стремиться устранить «диагональный» перенос вблизи «бутылочного горлышка» и, наконец, устранить «диагональные» переносы,
I, II ‒ охлаждаемые потоки; III, IV ‒ нагреваемые потоки
1-2 ‒ суммарный график охлаждения; 3-4 ‒ суммарный график нагрева
ΔТmin ‒ «сужение», минимальная разность температур;
‒ минимальное количество подводимого тепла в нагревателе
при ΔТmin (высокопотенциальное тепло);
‒ минимальное количество тепла, отводимого в холодильнике
(низкопотенциальное тепло)
Рисунок 26.3 ‒ Схема нагревания и охлаждения в сложных системах
рекуперации тепла
переходя в пределе к «вертикальному» переносу. Последнее может быть связано с увеличением числа теплообменников. Определение оптимального числа теплообменников также является предметом анализа.
Описанный метод позволяет рассчитать минимальное количество энергии, до уровня которого можно снизить затраты тепла в теплообменнике. В модернизированных вариантах этот метод используют также и для анализа процессов преобразования энергии других видов.
Б. Линхоф привел примеры практического использования своего метода. Так, для одного из технологических узлов схемы производства аммиака при сохранении неизменной основной технологии только усовершенствование схемы рекуперации тепла позволило снизить расход пара в два раза, полностью отказаться от затрат воды на отвод тепла и уменьшить в 1,5 раза теплообменные поверхности, сократив при этом капитальные затраты в 1,5 раза.
Максимальный эффект применения метода температурного соответствия может быть получен при анализе не отдельного аппарата или установки, а крупных технологических установок и предприятий в целом.