книги / Теоретические основы энерготехнологии химических производств
..pdfдавлении р\ и температуре Т\ (изобарно-изотермическое движение по изобаре Аг А2 вр ,^-диаграмме и по изотерме A0-Aj в Г,5-диаграмме).
Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (двухфазная система), называется влажным насыщенным паром, характеризующимся некоторой степенью сухости - X. По мере подвода теплоты к системе количество пара увеличивается, а количество жидкости - уменьшается. При этом па раметр сухости пара, равный в точке А, нулю, вместе с ростом удельного объема и энтропии системы также будет увеличиваться. В точке А2 испа рится последняя капля жидкой фазы системы, параметр сухости достиг нет значения единицы, а пар из влажного насыщенного состояния перей дет в сухое насыщенное состояние. Термодинамическая система из двух фазной вновь станет однофазной. Количество теплоты, необходимой для полного испарения жидкой фазы и перевода термодинамической системы из точки А] в точку А2,называется теплотой парообразования и равно q2 или г (площадь поля s "2-A2-Ai-5 'i).
При дальнейшем подводе теплоты к однофазной газовой системе процесс будет, идти по изобаре р и а сухой насыщенный пар будет пере греваться. Поэтому пар, параметры которого превышают параметры сухого насыщенного пара, называется перегретым паром, а его свойст ва приближаются к свойствам идеального газа. Количество теплоты, необходимой для перевода системы из точки А2 в точку Аз, равно <у3 (площадь поля 5 "2-А2-А3-53).
Если рассмотреть процесс парообразования при более высоком дав лении (р2)у то можно заметить, что с увеличением давления температура кипения, удельный объем и энтропия жидкости увеличиваются. Напро тив, с увеличением давления уменьшаются удельный объем и энтропия системы, при которой она достигает сухого насыщенного состояния. Точ кой, где отсутствует понятие влажного насыщенного пара, а жидкая фаза напрямую превращается в сухой насыщенный пар, является критическая точка - К. Выше критической точки жидкость сразу превращается в пере гретый пар, минуя насыщенное состояние.
Как видно из диаграммы, линия, отделяющая двухфазную область от однофазных^имеет достаточно сложную форму, поэтому основные термо динамические параметры для этой линии берутся из таблиц теплофизическчх свойств воды и водяного пара. В этих таблицах термодинамические параметры с одним штрихом относятся к жидкости, нагретой до темпера-
туры кипения (h'f s' V’и т.п.), а параметры с двумя штрихами (Л", s", V'' H
т.п.) - к сухому насыщенному пару. Вход в таблицу производится либо по давлению в системе, либо по температуре.
Так как жидкая вода и перегретый водяной пар очень широко приме няются в технике, то их свойства достаточно хорошо изучены и сведены в таблицы. Вход в таблицы осуществляется по температуре и давлению од новременно. Более того, рассчитать термодинамические параметры одно фазной системы (жидкость или пар), как правило, нетрудно, т.к. в первом приближении можно принимать, что свойства однофазной системы при ближаются к свойствам идеальной системы. Например, энтропия и эн тальпия перегретого пара может быть рассчитана по формулам:
„ |
T\c PdT |
(1.108) |
|
5П/П" 5 + J |
* , |
||
|
г , |
_ 1 |
|
|
п |
|
|
^П/П = |
\ СР*Н |
(1.109) |
|
|
Тх |
|
В отличие от однофазной системы, двухфазная система требует осо бого подхода, т.к. процесс испарение является изобарно-изотермическим, т.е. температура и давление остаются постоянными, а изменяется только удельный объем системы.
Так как процесс испарения чистых жидкостей является изобарно изотермическим, то изменение всех термодинамических параметров от степени сухости пара происходит по линейному закону, т.к. параметры, которые в основном создают нелинейности системы (температура и дав л ен и е)^ изменяются. Таким образом, термодинамические параметры для точки Ах или Вху имеющие заданную степень сухости пара (х), можно рассчитать по формулам:
vx = v'+jr(v"-v'),
А, = А’+дс(А"-А’)= Л’+хг,
J , = S’+X(5"-J ') =i4-X— .
Ts
Следует отметить, что абсолютные значения hx и sx не являются ис тинными (могут отличаться для различных справочных данных), а рас считываются относительно некоторой начальной точки. Это связано с
Если необходимо рассчитать количество тепла, требуемое для дос тижения параметров влажного пара (точки Ах), то:
=Я,+Чг |
(1.118) |
Qx = |
(1.119) |
c f m d T t |
( 1 . 120) |
То |
|
Я2 =ГХ- |
( 1 .1 2 1 ) |
Эти уравнения являются основными для проведения расчетов процессов парообразования и конденсации.
/ . / / . Использование низкопотенциальных источников тепла. Эксергия
Известно, что большинство существующих химических технологий яв ляются весьма энергоемкими. Как правило, для проведения технологических процессов в основном используются высокопотенциальные источники энер гии (имеющие высокую температуру), т.к. известно, что с увеличением тем пературы увеличивается движущая сила теплопередачи и соответственно снижается размер теплообменного оборудования. Однако, согласно второму закону термодинамики, при их использовании обязательно будут оставаться “тепловые отходы” в виде относительно низкопотенциальных тепловых по токов. Обычно энерготехнологические схемы производств достаточно со вершенны в плане использования вторичных энергоресурсов, о чем свиде тельствуют относительно низкие температуры “сбросных” тепловых пото ков. Но если учесть величину данных потоков, то количество “тепловых от ходов” бывает достаточно велико. Примером могут быть градирни (кон тактные испарительные теплообменники) химических заводов или ТЭС, ко торые рассеивают в окружающую среду многие мегаватты низкопотенци ального тепла. Однако на химических предприятиях также существуют сбросные тепловые потоки, имеющие относительно высокий потенциал. На пример, печь первичного риформинга в технологии аммиака выбрасывает
дымовые газы с температурой 200-300°С и с расходом 350000-420000 нм3/ч, а в производстве фталевого ангидрида существуют тепловые отходы с тем пературой 300-400°С и расходом до 40000 нм3/ч и т.д. Как видно, темпера тура этих тепловых потоков достаточно высока, и тепловую энергию этих тепловых "отходов" еще можно утилизировать, однако для указанных тех нологий они являются отходами, т.е. на существующем уровне техники (Технологии) их тепловая энергия не утилизируется.
В связи со значительным и регулярным ростом ценена энергоносите ли особенно важно совершенствовать энерготехнологические схемы су ществующих технологий в сторону увеличения степени использования вторичных энергоресурсов (существующих “тепловых отходов"). Однако при утилизации низкопотенциальных энергетических потоков образуются еще более низкопотенциальные тепловые потоки, тепло которых в конце концов должно быть отдано окружающей среде - безграничному источ нику или "стоку" энергии. Таким образом, несмотря на различие техно логических схем и ассортимент производимых продуктов, совершенство вание существующих технологических схем заключается в приближении параметров их выходных потоков к параметрам окружающей среды как по температуре, так и по составу.
Однако при совершенствовании и разработке новых технологиче ских схем может возникнуть вопрос, какую энергию необходимо ис пользовать в первую очередь: тепловую энергию большого потока, имеющего низкую температуру, или тепловую энергию малого потока, имеющего относительно высокую температуру,или избыточное давление потоков, или технологические сдувки? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо в первую очередь количественно сравнить такие различные потери между собой.
Для решения подобных задач можно использовать единый критерий, характеризующий не только количество энергии, но и ее качество - ее потенциал. Этот параметр называется пэксергия,\ В общем смысле
эксергия есть максимальная работа, которую может совершить рабочее тело (вещество) в обратимом процессе с окружающей средой, используемой в качестве источника даровой теплоты, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи переходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды. Физический смысл эксергии проиллюстрирован на рис.1.27.
эксергия, характеризуемая энтропией (внутренняя энергия, энергия излучения, термомеханическая, химическая).
В свою очередь эксергию, характеризуемую энтропией, можно разде лить на следующие виды:
эксергия вещества в замкнутом объеме, состоящая из термомеха нической (физической), химической (нулевой) и эксергии излучения;
эксергия потока вещества, состоящая из термомеханической и хи мической эксергии;
эксергия потока энергии, состоящая из эксергии теплового потока^ и эксергии излучения.
Таким образом, если система содержит Н2, который в окружающей среде находится в виде Н20, то к эксергии системы необходимо добавить работу, которую можно получить при переходе Н2 в Н20. Методики более детального расчета эксергии системы приведены в специальной литера туре, например [7].
Таким образом, используя эксергию как универсальный параметр, можно сравнивать такие несравнимые виды потерь, как потери теплоты с потоком дымовых газов или с хладагентом и потери горючих газов со сдувками и т.п. После сравнения значений потерь эксергии для конкрет ной технологии можно будет правильно оценить и выбрать варианты и пути совершенствования этой технологии.
Так как понятие “потенциальности” или "эксергии" потока связано с тем, какую полезную работу еще может совершить данный поток за счет изменения его параметров, то естественно, эта величина будет связана с материалом потока. В настоящее время широко известен способ утилиза ции низкопотенциальных энергетических потоков, заключающийся в пе редаче тепловой энергии в изотермическом процессе к веществам при их кипении. Примером таких установок могут быть холодильные мащины, которые, работая по обратному циклу, повышают потенциал тепла, отня того в морозильной камере при отрицательных температурах, до пара метров, обеспечивающих надежную теплоотдачу в окружающую среду (положительные температуры).
Основные требования к выбору агентов, которые могут позволить утилизировать низкопотенциальное тепло, следующие:
низкое давление конденсации для облегчения конструкции ком прессора, увеличения его механического КПД и др.;
-давление испарения больше 1 атм, но близко к этому значению i целях устранения подсоса наружного воздуха;
-большая удельная хладопроизводительность, малая теплоемкость
жидкости для уменьшения потерь при дросселировании; - малый удельный объем пара при использовании поршневых ком
прессоров или большой удельный объем пара при использовании турбо компрессоров;
-невысокая вязкость для улучшения теплопередачи и снижения гид равлических потерь (очень малая вязкость также нежелательна из-за воз можности утечек);
-при использовании поршневых компрессоров агент и масло не должны взаимно растворяться;
-взрывобезопасное», негорючесть, нетоксичность;
-химическая стабильность и коррозионная пассивность;
-недефицитность и низкая стоимость.
Из большого количества агентов, использующихся в качестве рабочих тел, наибольшее распространение получил большой ряд фреонов и аммиак. Именно эти агенты широко используются в холодильных машинах.
Существуют два основных способа направления использования энер гии, поглощенной жидкостью (хладагентом):
-преобразование ее в механическую энергию (паровые двигатели, турбины);
-повышение ее тепловых параметров для использования в качестве теплоносителя (тепловые насосы).
Первый способ использования энергии является наиболее распро страненным, т.к. на этом принципе основаны практически все паросило вые установки. В зависимости от степени перегретости рабочего тела, ис пользуемого для получения механической энергии, рассматривают цикл на насыщенном паре и цикл на перегретом паре. Данные циклы в виде Г,5-диаграмм представлены на рис. 1.28.
Как видно на рисунке, жидкий агент с параметрами точки 1 подогре вается до точки 2 , после чего начинает кипеть (/>=const) до тех пор, пока не образуется сухой насыщенный пар (точка 5). Затем пар подается в ма шину в качестве рабочего тела. В машине пар частично конденсируется и выходит из нее во влажном виде. Совершивший механическую работу по ток является “тепловым отходом", поэтому, как правило, оставшееся теп