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 теплоемкости с_р и расхода М принято 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 °C до 60 °C, а второй поток (CP₂ = 4 кВт/°C) – нагреть от 50 °C до 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 ось Н полностью 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. 9.13 в, г). Отрезки, изображающие потоки, смещены друг относительно друга так, что минимальное расстояние между ними по оси Т равно 20 °C. При этом участок оси Н, 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.

Во-вторых: если к процессу подводить бóльшую мощность, то и отводить от него необходимо бóльшую мощность, т.е.

.

Кратко это можно сформулировать следующим образом: «Больше вошло, больше вышло».