Параграф 18. Особенности эксергетического анализа технологических установок различного принципа действия.

Если целью эксергетического расчета установки является оценка потерь эксергии в ней и выявление вызывающих их причин, то нет необходимости определять все эксергетические потоки, а также результаты их взаимодействия. Методика расчета на этом уровне должна дать возможность определить внешние и внутренние эксергетические потери и места их проявления. Полученная при таком расчете информация позволяет установить распределение и характеристику потерь как для установки в целом, так и для отдельных ее элементов. Также возможно оценить эффективность взаимодействия установки с внешними объектами.

На более высоком уровне эксергетического анализа наряду с потерями в элементах установки определяют потоки эксергии всех видов. В этом случае эффективность работы установки оценивают с помощью относительных характеристик ‒ эксергетического КПД, эксергетической производительности (мощности) и т. д. В этом случае методика расчета должна обеспечивать получение оценок всех происходящих в установке эксергетических превращений, что позволит сопоставить различные технические решения и наметить пути совершенствования исследуемой установки.

Наиболее высокий уровень эксергетического анализа связан с получением функциональных зависимостей, позволяющих исследовать влияние параметров процессов на эксергетические показатели работы данной установки. Методика такого расчета и анализа должна учитывать структурные особенности установки и ее экономические характеристики.

Отметим, что при использовании эксергетических показателей для анализа работы установок на всех уровнях отпадает необходимость подбора процессов или установок в качестве эталона. Использование эксергии позволяет непосредственно определить минимальные энергетические затраты, которые необходимы для реализации процессов в предельном случае, т. е. при их полной обратимости. Тем самым масштаб сравнения задается автоматически.

Особенности методики эксергетического анализа установок различного принципа действия рассмотрим на примерах сушильных установок, так как они включают в себя значительную часть типового тепломассообменного оборудования. Рассмотренные ниже особенности служат основой для эксергетического метода анализа других тепломассообменных установок.

Установки периодического действия.Эксергетический расчет таких установок заключается в определении соответствующих характеристик (потоков и потерь эксергии, эксергетического КПД) для определенных периодов цикла их работы (подготовительного, рабочего, заключительного и т. д.). Следует отметить, что в таких установках интенсивность протекающих в них процессов может изменяться во времени.

В качестве примера рассмотрим сушилку кипящего слоя периодического действия предназначенную для сушки пастообразных продуктов. Она состоит из сушильного шкафа, в который устанавливают сушильную камеру с перфорированным днищем на тележке, в которую загружают пастообразный продукт. После окончания сушки камеру выкатывают для разгрузки, а на ее место устанавливают другую, со следующей порцией продукта. Продукт сушат воздухом, нагреваемым паром, а затем высокотемпературным органическим растворителем с меньшей, чем у пара температурой. Процесс сушки паст из материалов, для которых предназначена установка, состоит из двух периодов: постоянной и падающей скорости.

Для первого периода рассчитывают:

1) эксергию, отданную сушильным агентом;

2) затраты эксергии на испарение влаги из высушиваемого материала (полезно затраченная эксергия в первом периоде);

3) затраты эксергии на нагрев материала;

4) затраты эксергии на нагрев сушильной камеры;

5) потери эксергии вследствие смешения паров влаги с сушильным агентом;

6) потери эксергии вследствие необратимости внутреннего и внешнего теплообмена.

Для второго периода рассчитывают:

1) эксергию, отданную сушильным агентом;

2) затраты эксергии на испарение влаги из высушиваемого материала (полезно затраченная эксергия во втором периоде);

3) затраты эксергии на нагрев материала;

4) эксергию, отданную сушильной камерой, так как при снижении температуры сушильного агента на входе сушильная камера будет остывать, отдавая избыточное тепло, полученное в первом периоде;

5) потери эксергии вследствие смешения паров влаги с сушильным агентом;

6) потери эксергии вследствие необратимости внутреннего и внешнего теплообмена.

Учитывая, что сушильная камера находится внутри установки и омывается сушильным агентом, потери в окружающую среду от нее равны нулю. Потерями через стенки самой сушилки в данном случае можно пренебречь.

На основании проведенных расчетов можно оценить эксергетические затраты на реализацию всего процесса сушки путем суммирования соответствующих статей баланса эксергии по периодам, а также изучить распределение эксергии на разных стадиях процесса.

Установки непрерывного действия. Методика эксергетического расчета таких установок зависит от многих факторов (свойств обрабатываемых материалов, характера протекающих в них тепломассообменных процессов, конструктивных особенностей аппаратов и т. д.). Однако можно выделить общие принципы и приемы, используемые при этом методе анализа таких установок.

В качестве примера рассмотрим конвективную сушильную установку непрерывного действия (рисунок 18.1), в которой в качестве сушильного агента используют воздух, нагреваемый в паровом калорифере.

G ‒ расход вещества; E ‒ расход эксергии; N ‒ мощность

В ‒ воздух; П ‒ пар; М ‒ материал; С. А. ‒ сушильный агент; К ‒ калорифер;

ПР ‒ подсос наружного воздуха; ВЛ ‒ влага; О. С. ‒ окружающая среда

1 ‒ вентилятор; 2 ‒ теплообменник (калорифер); 3 ‒ сушильная камера

Рисунок 18.1 ‒ Схема материальных и энергетических потоков

сушильной установки непрерывного действия

Материальный баланс установки

. (18.1)

Эксергетический баланс установки

. (18.2)

Затраты и расходы эксергии (E^W) в сушильных установках обычно рассчитывают на 1 кг испаренной влаги.

Рассмотрим каждый из входящих в установку аппарат.

Вентилятор. Эксергия воздуха, поступающего в вентилятор из окружающей среды, равна нулю. К вентилятору подводится мощность, часть из которой, равная КПД вентилятора, идет на повышение давления воздуха, т. е. на увеличение его эксергии.

Если установить вентилятор после сушилки, то энергия будет тратиться на создание в установке разрежения. Объем прокачиваемого через вентилятор газа при этом будет больше объема воздуха, так как к нему добавится объем водяных паров, выделившихся в процессе сушки материала. Поэтому затраты энергии, а следовательно, и эксергии будут больше. Таким образом, с термодинамической точки зрения, предпочтительней установка вентилятора на входе.

В большинстве случаев при эксергетическом анализе рассматривают только использование энергии, подведенной в форме тепла. В этом случае электроэнергию, подведенную к вентилятору, не учитывают и эксергию воздуха после вентилятора считают равной нулю.

Теплообменник. Для теплообменника определяют эксергию, которую он отдает сушильному агенту.

Сушильная камера. Рассчитывают величины, входящие в состав эксергетического баланса сушильной камеры

, (18.3)

где ΔЕ_М ‒ затраты эксергии на нагрев материала; Е_ПОЛ ‒ затраты эксергии на испарение влаги из высушиваемого материала (полезно затраченная эксергия);

ΔЕ_{О. С.} ‒ потери эксергии в окружающую среду через стенки сушильной камеры; ΔЕ_Г ‒ потери эксергии вследствие гидравлического сопротивления сушильной камеры; ΔЕ_ПР ‒ потери эксергии вследствие подсосов наружного воздуха; ΔЕ_СМ ‒ потери эксергии вследствие смешения паров влаги с сушильным агентом; ΔЕ_Н ‒ потери эксергии вследствие необратимости внутреннего и внешнего теплообмена.

Общий эксергетический КПД сушильной установки при нагреве паром составляет

. (18.4)

Установки с замкнутом циклом.При сушке взрывоопасных продуктов, а также при сушке от органических растворителей применяют установки с замкнутым контуром. В этих установках использованный сушильный агент не выбрасывают в атмосферу, а осушают, нагревают и вновь направляют на сушку. Сушильным агентом в этом случае чаще всего является какой-либо инертный газ.

G ‒ расход вещества; E ‒ расход эксергии

Т. Н. ‒ теплоноситель (греющая среда); М ‒ материал; ВЛ ‒ влага;

Х ‒ хладоагент (охлаждающая среда)

1 ‒ теплообменник; 2 ‒ сушильная камера; 3 ‒ пылеуловитель;

4 ‒ конденсатор; 5 ‒ каплеуловитель; 6 ‒ вентилятор

Рисунок 18.2 ‒ Схема материальных и энергетических потоков

сушильной установки с замкнутом контуром теплоносителя

Для удаления из сушильного контура испаренной из материала влаги в схему установки включают конденсатор и каплеуловитель (иногда они объединены в один аппарат). В качестве конденсатора обычно используют теплообменник рекуперативного типа, а в качестве каплеуловителя ‒ расширительную камеру или циклон. При сушке перегретыми парами конденсация и каплеотделение могут происходить в аппарате смесительного типа.

В качестве примера рассмотрим сушильную установку с замкнутым контуром (рисунок 18.2).

Эксергетический баланс установки

, (18.5)

где Е_{Т. Н.} ‒ эксергия теплоносителя; Е_Х ‒ эксергия хладоагента.

В уравнении отсутствует эксергия сушильного агента, что связано с его циркуляцией по замкнутому контуру. Сумма изменений эксергии сушильного агента с учетом того, что он циркулирует внутри установки

. (18.6)

Такой внешний эксергетический баланс может дать информацию об общем эксергетическом КПД сушилки, но не выявляет источников потерь эксергии. Для их определения необходимо составить эксергетический баланс для каждого аппарата и на его основе подсчитать потери эксергии в этом аппарате. При этом при суммировании всех балансов должно быть соблюдено условие (18.6). Нарушение его свидетельствует об ошибке в расчете.

В результате расчетов по описанной методике определяют все эксергетические потоки в установке, а также потери эксергии, обусловленные внешними и внутренними причинами. На основе этой информации можно разработать мероприятия по уменьшению потерь эксергии и повышению эффективности работы установки.