Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения. Эксергетический анализ теплообменных аппаратов. (90

Расхождения в определении эксергетического КПД в первом и втором методах расчета составляет 0,24%, что можно объяснить округлением некоторых величин при расчетах.

Существенную помощь при эксергетическом анализе энерго- химико-технологических систем (ЭХТС) и отдельных аппаратов оказывает предложенная Грассманом и Шаргутом диаграмма потоков и потерь эксергии. На этой диаграмме каждый поток эксергии анализируемой системы изображается полосой, ширина которой пропорциональна величине эксергии. Рассмотрим диаграмму на примере последней задачи при расчете эффективности работы парогенератора.

Рис. 3.3. Эксергетическая диаграмма По энергетическому балансу η = 92%, т.е. парогенератор явля-

ется высокоэффективной установкой. Как следует из эксергетического анализа (см. расчет и диаграмму Грассмана-Шаргута) такой вывод не соответствует действительности, т.к. ηЭКС = 40%. Установку можно усовершенствовать путем уменьшения потерь эксергии при высвобождении ее из топлива и при передаче теплоты к пару.

30

Глава 4. Задачи для самостоятельного решения Задача 1.

При тепловом расчете теплообменника для нагревания газа А жидкостью Б был выбран теплообменник труба в трубе, в котором греющий жидкий теплоноситель проходит по трубам, а газ движется в кольцевом пространстве противотоком. Массовый расход греющего теплоносителя G1, кг/с, его начальная температура t'1, конечная t''1. Газ нагревается от температуры t'2 до t''2. Давление газа на входе в аппарат Р'2, а на выходе Р''2. Потери теплоты жидкостью составляют П1 %, а газом П2 % от полезно затраченной теплоты. Температура окружающей среды t0. Определить какое количество газа G2 можно нагреть в теплообменнике до заданной температуры. Найти численное значение эксергетического КПД. Произвести анализ влияния потерь эксергии на значение эксергетического КПД. Характеристика теплообменного аппарата: теплообменник состоит из n элементов, соединенных калачами (рис. 4.1.); длина рабочей части элемента – L, м; d x δ – диаметр внутренней трубы, мм; D x δ – диаметр наружной трубы, мм.

Рис. 4.1. К задаче 1. Теплообменник труба в трубе.

Данные для решения задачи взять из таблицы 1 приложения.

31

Задача 2.

В двухтрубном теплообменнике горячей водой нагревается смесь, состоящая из двух газов (состав смеси в массовых – g или в объемных – r долях представлен в таблице 4.2). Газовая смесь движется в кольцевом пространстве аппарата в количестве G2, она нагревается от температуры t'2 до t''2. Начальное давление смеси газов Р'2 – 1,08·105 Па, конечное давление Р''2 = 1,00·105 Па. Вода подается внутрь оребренной трубки с диаметром d x δ. Длина трубки L, сумма коэффициентов местных сопротивлений равна ∑ξМС. Начальная температура воды t'1, конечная t''1. Потери теплоты у воды П1 = 5%, у смеси газов П2 = 2 % от полезно затраченной теплоты. Температура окружающей среды t0. Определить расход греющего теплоносителя и эксергетический КПД теплообменника.

Данные для решения задачи взять из таблицы 2 приложения.

Задача 3.

Заводская котельная вырабатывает сухой насыщенный пар с давлением Р1. Для обеспечения работы цеха необходимо Q кДж/ч теплоты при давлении Р2, с целью снижения давления пара производят его дросселирование. Определить необходимый массовый расход пара, потерю эксергии при дросселировании и его конечное давление Р3, если возвращающийся в котельную конденсат имеет температуру tКОНД. Температура окружающей среды t0, атмосферное давление Р0. Найти уменьшение работоспособности пара в результате дросселирования. Задачу решить с использованием i – s- диаграммы.

Данные для решения задачи взять из таблицы 3 приложения.

32

Задача 4.

Определить потерю эксергии в окружающую среду и эксергетический КПД калорифера для нагревания V м3/ч воздуха от начальной температуры t'ВОЗД до конечной t''ВОЗД. Воздух сухой. Потери теплоты в окружающую среду составляют П1 % от полезно используемой теплоты пара. Избыточное давление пара РМ. Температура окружающей среды t0. Такие калориферы часто используют для подогрева теплоносителя при сушке различных материалов.

Данные для решения задачи взять из таблицы 4 приложения.

Задача 5.

Определить удельную эксергию потока воды, входящей в парогенератор, удельную эксергию топлива и пара. Найти, какое количество топлива необходимо сжечь, чтобы получить в парогенераторе G2 т/ч пара с давлением Р2 и температурой t2. Вид топлива указан в таблице 7, температура горения топлива tГОР. Возвращающийся конденсат имеет температуру tКОНД. Температура окружающей среды t0, а давление Р0. Эксергетический КПД парогенератора

ηЭКС %.

Данные для решения задачи взять из таблицы 5 приложения.

33

Список использованной литературы

1.Кириллин, В.А. и др. Техническая термодинамика: учеб. для теплоэнергетических спец. вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин - 4-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с.

2.2. Чечеткин, А.В., Занемонец, Н.А. Теплотехника: учеб. для хим.-технол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 344 с.

3.3. Примеры и задачи по расчету и анализу термодинамических процессов в химической технологии. – М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1983. – 48с.

4.4. Дементьев, А.И. и др. Технологические расчеты печей химической промышленности: учеб. пособие. – М. МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1985. – 58с.

5.5. Павлов, К.Ф., Романков, П.Г., Носков, А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. учеб. пособие для вузов; под ред. П.Г. Романкова – 11-е изд., стериотипное. Перепечатка с изд. 1987 г. -М.: Рус Медиа Консалт, 2004. – 576с.

6.6. Шадрина, Е.М., Волкова, Г.В. Введение в курс «Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения»: метод. указания; под ред. В.Я. Лебедева/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2005. – 32с.

7.Вукалович, М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара: учеб. пособие для вузов. - 5-е изд. -М.: Машгиз, 1955. – 90с.

34

8.Ривкин, С.Л., Александров, А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 80с.

9.Сажин, Б.С., Булеков, А.П. Эксергетический анализ теп- ло-массообменых процессов химической технологии. – М.: МТИ им. А.Н. Косыгина, 1988. – 78с.

10.Шаргут, Я., Петела, Р. Эксергия. Изд. перераб. и доп. / Пер. с польского. – М.: Энергия, 1968. – 280 с.

11.Кручинин, М.И., Шадрина, Е.М., Сокольский, А.И., Ки-

риллов, Д.В. Техническая термодинамика и энерготехнология химических производств. Реальные газы. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок: учеб. пособие / Иван. гос.

хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2005.

– 104с.

35

Приложение Таблица 1

№	А	Б	G1,	t'1,	t''1,	t'2,	t''2,	П1,	П2,	t0,	n,	L, м	d x δ,	D x δ,	Р'2·10-5,	Р''2·10-5,
п/п			кг/с	0С	0С	0С	0С	%	%	0С	шт		мм	мм	Па	Па
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
1	Воздух	Азотная	0,94	70	40	15	35	5	2	10	4	6	48х4	80х4	1,08	1,00
		кислота, 100%
2	N2	Анилан	5,27	60	45	20	40	8	2,5	15	3	9	108х5	159х5	1,06	1,00
3	O2	Ацетон	0,75	60	40	25	35	10	3	18	5	6	48х4	80х5	1,10	1,01
4	CO	Метиловый	4,24	80	50	15	30	3	1,5	10	3	12	108х5	159х5	1,06	1,00
		спирт, 100%
5	CO2	Уксусная	0,82	80	60	20	35	4	2	12	4	9	48х4	80х5	1,05	1,00
		кислота, 50%
6	Воздух	Бензол	0,72	60	35	20	30	5	3	14	5	9	48х4	89х6	1,06	1,00
7	CO	Азотная	0,65	80	50	20	35	6	3	15	3	9	48х4	89х4	1,04	1,00
		кислота, 50%
8	Воздух	Этиловый	0,38	80	50	15	30	8	4	10	4	3	48х4	80х4	1,07	1,00
		спирт, 96%
9	N2	Вода	0,84	60	50	15	35	10	3	8	5	6	57х4	89х4	1,08	1,01
10	CO2	Метиловый	3,43	75	50	15	40	3	1,5	10	3	12	108х5	159х5	1.04	1,00
		спирт, 40%
11	O2	Раствор едкого	1,31	70	50	20	40	5	2,5	15	4	6	57х4	95х5	1,06	1,00
		натра, 50%
12	N2	Глицерин, 50%	0,68	80	60	25	45	8	3	20	5	6	46х4	89х6	1,08	1,01
13	CO2	Раствор едкого	1,59	60	45	20	35	3	1,5	15	4	9	57х4	89х6	1,10	1,01
		натра, 30%
14	O2	Вода	0,62	60	50	25	45	6	2,5	20	6	6	48х4	89х4	1,09	1,01
15	CO	Этиловый	0,76	80	60	15	30	9	4	10	3	9	57х4	95х5	1,08	1,01
		спирт, 80%
16	Воздух	Серная	0,82	80	40	15	35	3	1,5	10	5	6	57х4	95х5	1,09	1,00
		кислота, 6%
17	N2	Уксусная	0,65	80	50	20	40	6	2,5	15	4	6	48х4	80х4	1,08	1,01
		кислота, 100%

Окончание таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
18	O2	Раствор едкого	1,25	60	40	25	35	9	4	20	3	9	48х4	80х5	1,06	1,01
		натра, 40%
19	CO	Этиловый	0,72	70	35	10	30	5	3	8	4	9	48х4	89х6	1,08	1.00
		спирт, 60%
20	воздух	Вода	0,64	50	30	15	25	8	3	10	6	6	48х4	89х4	1,10	1,01
21	CO2	Соляная	1,05	60	40	15	35	6	2,5	12	5	6	57х4	89х4	1,09	1,01
		кислота, 20%
22	воздух	Толуол	1,45	65	45	20	40	9	4	15	4	9	57х4	89х4	1,06	1,00
23	O2	Азотная	1,62	70	40	10	30	5	2,5	8	3	9	57х4	95х4	1,05	1,00
		кислота, 50%
24	CO2	Вода	1,09	65	45	15	30	10	3	10	4	6	57х4	89х6	1,06	1,01
25	N2	Этиловый	4,85	70	45	25	40	8	4	20	4	9	108х5	159х5	1,04	1,01
		спирт, 40%
26	воздух	Азотная	5,21	60	40	20	35	6	2,5	15	3	12	108х5	159х5	1,04	1,00
		кислота, 100%
27	N2	Вода	0.82	60	40	15	30	5	2	10	5	6	48х4	89х5	1,08	1.01
28	O2	Гексан	0,62	70	35	10	25	4	1,5	8	4	9	48х4	89х5	1.09	1,01
29	CO2	Бензол	1,04	60	30	15	25	9	3	10	5	6	57х4	89х4	1,10	1.01
30	H2	Анилин	0,96	80	45	25	40	4	2	20	3	9	57х4	89х6	1,04	1,00

Таблица 2

№ п/п			Состав смеси					g или	G2,	t'2, 0С	t''2, 0С	d x δ, мм	L, м	∑ξМС	t'1, 0С	t''1, 0С	t0, 0С
	O2	N2		CO		CO2	H2	r	кг/с
1	0,5	0,5		-		-	-	g	0,28	15	35	20х2	15	15	55	45	10
2	-	0,4		0,6		-	-	r	0,1	20	40	10х1	22	20	60	50	15
3	0,7	-		-		0,3	-	g	0,29	15	40	25х2	25	20	70	55	8
4	-	0,6		-		0,4	-	r	0,25	25	50	22х2	30	25	75	60	20
5	-	-		-		0,5	0.5	g	0,32	20	40	26х2,5	12	15	65	55	15
6	0,7	-		-		-	0,3	r	0,33	15	40	28х2	15	13	70	55	10
7	-	0,8		-		0,2	-	g	0,41	12	35	38х2	20	16	65	45	8
8	0,5	-		0,5		-	-	r	0,16	15	35	10х1	22	18	60	40	10
9	-	-		-		0,6	0,4	g	0,27	20	45	25х2	25	20	60	50	12
10	-	0,7		0,3		-	-	r	0,22	18	40	20х2	20	15	70	55	14
11	0,6	-		-		0,4	-	g	0,27	20	40	26х2,5	30	20	75	60	15
12	-	0,5		0,5		-	-	r	0,14	25	50	10х1	32	25	70	50	18
13	0,4	0,6		-		-	-	g	0,44	25	45	38х2	35	30	75	55	20
14	-	0,5		-		-	0,5	r	0,34	15	40	26х2,5	25	20	65	50	10
15	0,5	-		-		0,5	-	g	0,36	20	45	28х2	30	22	70	55	15
16	0,6	-		-		-	0,4	r	0,12	15	35	10х1	18	16	65	50	10
17	0,5	-		-		0,5	-	g	0,23	15	45	22х2	20	15	65	55	8
18	-	0,5		0,5		-	-	r	0,20	20	50	38х2	22	18	75	65	15
19	0,2	0,8		-		-	-	g	0,25	25	55	20х2	25	20	75	65	20
20	-	0,3		0,7		-	-	r	0,15	20	40	10х1	28	22	70	55	18
21	0,3	-		-		0,7	-	g	0,29	16	35	26х2,5	30	20	65	50	10
22	-	0,8		-		-	0,2	r	0,16	14	45	10х1	33	35	70	55	8
23	-	-		0,7		-	0,3	g	0,42	15	50	38х2	25	20	80	65	10
24	0,4	0,6		-		-	-	r	0,28	16	65	25х2	35	30	85	75	8
25	-	0,3		0,7		-	-	g	0,27	20	45	28х2	30	22	70	55	15
26	0,4	-		-		0,6	-	r	0,17	15	45	10х1	20	15	75	60	10
27	0,4	-		0,5		-	-	g	0,22	25	50	22х2	25	20	70	60	20
28	-	0,3		-		0,7	-	r	0,30	22	45	25х2	35	30	75	60	18
29	0,8	-		0,2		-	-	g	0,45	20	45	38х2	25	20	65	55	15
30	-	0,6		-		-	0,4	r	0,32	15	50	26х2,5	30	20	75	60	10

						Приложение
						Таблица 3
№ п/п	Р1 · 10-6, Па	Р2 · 10-6, Па	Q. кДж/ч	tК, 0С	T0, 0С	Р0, мм рт. ст.
1	0,50	0,10	10	30	8	760
2	1,00	0,50	8	40	10	720
3	1,50	1,00	12	50	12	740
4	0,80	0,10	14	60	14	730
5	0,30	0,07	16	70	16	750
6	1,50	0,30	18	80	18	760
7	0,10	0,05	20	75	20	740
8	2,00	1,00	9	65	11	720
9	0,50	0,04	11	55	13	710
10	0,20	0,04	13	45	15	715
11	0,50	0,03	15	55	17	725
12	2,00	0,40	17	60	19	735
13	3,00	0,60	19	65	20	745
14	1,00	0,30	21	70	10	755
15	2,50	0,50	8	75	15	765
16	1,00	0,70	9	80	20	720
17	0,8	0,20	10	40	16	740
18	1,80	0,60	12	50	18	770
19	2,50	0,5	15	60	14	760
20	2,00	0,80	18	70	10	750
21	2,00	0,70	21	45	12	740
22	2,50	1,00	11	55	14	730
23	1,00	0,30	14	65	16	720
24	2,00	0,70	17	70	18	760
25	3,00	0,50	20	60	8	720
26	2,50	1,00	21	50	10	760
27	1,00	0,35	19	40	12	730
28	2,50	0,40	17	55	15	770
29	2,50	1,20	15	65	18	760
30	1,50	0,80	12	45	20	740