Энергоаудит теплотехнологической установки
Для анализа энергетических затрат и выявления среди них доли непроизводительных затрат на отдельной теплотехнологической установке, как правило, требуются не только штатные измерительные приборы, но и дополнительные измерения, определяемые спецификой установки.
Рассмотрим методологию углублённого энергоаудита теплотехнологической установки на примере непрерывно действующей ленточной конвективной установки, предназначенной для сушки волокнистых (дисперсных) материалов.
Рис. 12.14. Принципиальная схема сушильной установки:
I— паровой калорифер; II— сушильная камера; III— камера кондиционирования материала
Ленточная сушилка состоит из n однотипных секций, включающих в себя газопроницаемый конвейер, нагнетатель с электроприводом, паровой калорифер. При работе в каждой секции наблюдается неравномерное поле скоростей воздуха, приводящее к неравномерному по ширине конвейера высыханию материала. Для выравнивания влагосодержания материала осуществляют его кондиционирование в дополнительном аппарате вследствие впрыска воды ΔW.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 12.14.
Инструментальный энергоаудит должен дать исходную информацию для составления материального и теплового балансов не только всей установки в целом, но и отдельных ее частей: калорифера (подогревателя), сушильной камеры, камеры кондиционирования материала.
Материальный баланс сушильной установки. Считается, что сушимый материал и нагретый воздух состоят из сухой массы и влаги. Расходы материала и воздуха определяются по формулам:
где GM— расход материала, кг/ч;GB— расход воздуха, кг/ч;Gc— расход сухой массы материала, кг/ч;GBM— количество влаги, удаляемой из материала, кг/ч;LCB— расход сухой массы воздуха, кг/ч;GП— количество паров влаги, удаляемых с воздухом, кг/ч.
Приведём соотношения, используемые при расчете параметров материала и сушильного агента в процессе сушки: влагосодержание воздуха, кг/кг,
где Сп, Сг — концентрации водяного пара и сухих газов в 1 м3 газа (воздуха), кг/м3;
Мп, Мг — молярные массы пара и газа, кг/моль;
В — барометрическое давление, Па;
pн — парциальное давление насыщенного пара, Па;
влажность материала, %, в расчете на сухую массу
влажность материала, %, в расчете на общую массу
формулы для пересчёта влажности материала, кг/кг, имеют вид:
количество испарённой влаги, кг/ч,
Для конвективной сушильной установки материальный баланс, кг/ч, имеет следующий вид:
Lc.в1+Gп1+Gc+Gв.м1=Lc.в2+Gп2+Gc+Gв.м2
где индексы 1 и 2 соответствуют параметрам воздуха и материала на входе в сушильную камеру и выходе из неё.
Количество влаги, кг/ч, испарённой из материала в сушильной камере, будет составлять:
Таким образом, для составления и проверки материального баланса сушильной установки необходимы измерения следующих величин: влагосодержаний и расходов материала на входе в установку и выходе из неё; влагосодержаний воздуха на входе в сушильную камеруd1и выходе из неёd2, а также расхода сушильного агента через сушилку. Поскольку при испарении влаги изменяется расход сушильного агента, то оценки материального и теплового балансов проводят с учётом расхода абсолютно сухого воздуха, который вычисляется по формуле
При этом
Для экспериментального определения влагосодержаний сушильного агентаd1, d2используют показания двух термометров [сухого(tc) и мокрого(tм)] на входе в сушильную установку и выходе из неё. По этим показаниям наh,d-диаграмме находятd1, d2(рис. 12.15).
Тепловой баланс калорифера составляют как по пару, так и по воздуху. В первом случае
гдеD, k, П — общие расходы соответственно пара, конденсата и пролётного (несконденсировавшегося в калорифере) пара;hп,hк,h'п— энтальпии соответственно пара, конденсата и пролётного пара. Очевидно, что k + П = D.
Значения энтальпий берут из таблиц водяного пара, однако для этого необходимы измерения давления и температуры:
Рис. 12.15. Определение влагосодержания сушильного агента по показаниям сухого и мокрого термометров
![]() |
Тепловой поток, передаваемый сушильным агентом, может быть вычислен с учётом температур:
гдеc1с0— удельные теплоёмкости воздуха приt1d0иt0,dQ,или с учётом энтальпий:
гдеh1 ,h0— энтальпии влажного воздуха на выходе из калорифера и входе в него, отнесённые к 1 кг сухого воздуха, энтальпии определяются по формуле
здесь св,сп — удельные теплоёмкости абсолютного сухого воздуха и водяного пара; r0 — скрытая теплота парообразования при 0°С.
Измеренные значения tcи tм на входе в калорифер и выходе из него (см. рис. 12.16) позволяют установить герметичность калорифера с помощью h,d-диаграммы: приd0= d1перетечки пара в воздушное пространство отсутствуют, а приd1>d0калорифер негерметичен.
Тепловой баланс сушильной установки [19]. В общем виде тепловой баланс сушильной установки можно записать следующим образом:
где индексы 0, 1, 2 относятся к параметрам соответственно перед подогревателем, после него (перед сушильной камерой) и на выходе из сушилки.
Составляющие теплового баланса сушильной установки, приведены в табл. 12.7.
Принимается, что
Если отнести все составляющие теплового баланса к количеству испарённой влаги W, то можно записать
Важными характеристиками сушильной установки являются удельные расходы сушильного агента, кг/кг, и теплоты, кДж/кг, приходящиеся на единицу массы испарённой влаги:
Таким образом, для опытной проверки материального и теплового балансов сушильной установки необходима инструментальная диагностика (рис. 12.17 и табл. 12.8).
Кроме указанных в табл. 12.8 измеряемых величин при энергоаудите используются данные предприятия о температуре, влажности и расходе высушенного материала (см. поз. 22—24 на рис. 12.17).
Таблица 12.7
Составляющие теплового баланса сушильной установки, Вт
Обозначение | Характеристика |
Приходная часть | |
Qп,в=(hx-h0)L0 | Теплота, переданная воздуху в подогревателе |
Qд | Теплота, дополнительно подведённая к воздуху в сушилке |
L0h0 | Теплота, вносимая с воздухом |
GM1cM1tM1= GM2cM1tM1+WcвлtM1 | Теплота, вносимая с влажным материалом, состоящим из сухой массы и влаги |
Gтр1cтр1tтр1 | Теплота, вносимая транспортными устройствами |
Расходная часть | |
L2h2 | Потери теплоты с уходящим воздухом |
GM2cM2tM2 | Потери теплоты с уходящим материалом |
Gтр1cтр1tтр1 | Потери теплоты с транспортными устройствами |
Qs | Потери теплоты в окружающую среду через ограждения |
Рис. 12.17. Схема подключения измерительных приборов к сушильной установке:
ТО — калорифер; СК — сушильная камера; КК— камера кондиционирования; КО — конден- сатоотводчик; ЭП — электропривод; СА — сушильный агент; СМ — сушимый материал; ВМ— высушенный материал
Таблица 12.8
Измерительное оборудование, применяемое при инструментальном энергоаудите
сушильной установки
Номер позиции на рис. 12.17 | Измеряемая величина и диапазон измеренных значений | Измерительный прибор |
1 | Температура (100 — 300 °С) | Контактный термометр |
2, 5, 21 | Давление | Манометр |
3 | Расход пара | Вихревой расходомер |
4 | Температура (100—120 °С) | Контактный термометр |
6 | Температура (0—30 °С) | Контактный термометр |
7 | Относительная влажность (30 — 60 %) | Измеритель влажности |
8 | Расход (скорость) воздуха (1 —10 м3/с) | Анемометр |
9 | Температура (80—150 °С) | Контактный термометр |
10, 12, 15, 23 | Относительная влажность | Измеритель влажности |
11, 14, 19, 22 | Температура | Контактный термометр |
13, 16, 24 | Расход вещества (масса) | Расходомер |
17 | Частота вращения электропривода | Тахометр |
18 | Параметры электропривода | Регистратор-анализатор |
20 | Расход воды | Ультразвуковой расходомер |
Проведённая инструментальная диагностика позволяет не только предложить энергосберегающие мероприятия, но и достаточно точно определить энергетический потенциал от их реализации.
В качестве примеров рассмотрим некоторые из возможных мероприятий.
Рациональное снижение давления греющего пара. Давление и температура греющего пара, подаваемого в калорифер, как правило, выше требуемых по технологии. Использование для рационального снижения давления пара для отдельной технологической установки противодавленческих турбин типа Р не оправдано экономически. Появившиеся также противодавлен-ческие паровые роторно-объёмные машины (ПРОМ) имеют ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с турбинами типа Р, но в настоящее время конструктивно недоработаны.
Для снижения давления целесообразно применять пароструйные эжекторы. Их использование более эффективно, чем применение редукционно-охладительных (РОУ) и тем более редукционных (РУ) установок. Достигаемая при этом экономия энергии определяется уменьшением на 10—20 % расхода основного греющего пара, восполняемого паром вторичного вскипания конденсата, снижением температуры возвращаемого конденсата (при повышении температуры конденсата и отсутствии баков сбора требуется дополнительное его захолаживание).
Рециркуляция сушильного агента. Наиболее очевидное энергосберегающее мероприятие в конвективных сушильных установках связано с возвратом части уходящего сушильного агента в контур его циркуляции (рециркуляция сушильного агента). Возможные схемы таких установок приведены на рис. 12.18.
Существующее явление инверсии интенсивности испарения при конвективной сушке, связанное с тем, что при температуре сушильного агента выше температуры инверсии /и, которая составляет 180—200°С, интенсивность испарения в воздух с повышенным влагосодержанием выше, чем в сухой, приводит к неоднозначным решениям по энергосбережению: приt>tнвыгодна схема, приведённая на рис. 12.18, а, приt<tнвыгодна схема, показанная на рис. 12.18, б.
Устранение неравномерности сушки. К числу наиболее значимых энергосберегающих мероприятий относится, как правило, устранение неравномерности распределения параметров сушильного агента по поперечному сечению сушильной камеры.
Рис. 12.18. Схемы сушильных установок без рекуператора (а) и с рекуператором (б): 1 — подогреватель сушильного агента; 2 — сушильная камера; 3 — линия рециркуляции; 4 — камера смешения; 5 — рекуператор; 6 — подвод сушильного агента
Для оценки потенциала энергосбережения при осуществлении такого мероприятия необходимы специфические дополнительные инструментальные измерения эпюр температур и скорости сушильного агента.
Пример 12.1. Дайте качественную оценку влияния температур воздуха на входе в теоретическую конвективную сушильную установкуt1и выходе из неёt2 на удельный расход теплоты на сушку[q= f(t1)приt2=constиq= f(t2) приt1= const] при однократном использовании сушильного агента.
Решение. Для оценки характера зависимостейq= f(tx)иq= f(t2)можно воспользоватьсяh,d-диаграммой, на которой показаны изменения состояния воздуха в теоретической сушильной установке, для которой энтальпии сушильного агента на входе в сушильную камеруh1и на выходе из неёh2совпадают (рис. 12.19).
Выполнив дополнительные построения (соединим точки А и С и получим угол у;проведём линиюCDпараллельно осиd), докажем, что
определяется позависимостиq= (1 + tgγ)т, где т — отношение масштабов по осямh, dдиаграммы.
Очевидно, чтоh1–h0= АВ • Mh, , а гдеMh, Md— масштабы
по осям энтальпии и влагосодержания.
Поскольку угол наклона линий постоянной энтальпии в h, d-диаграмме составляет 135°, тоBD= CD.
Тогда
Рис. 12.19. Изменение состояния воздуха в теоретической конвективной сушильной установке с однократным использованием сушильного агента:
АВ — процесс подогрева воздуха в рекуперативном подогревателе; ВС — процесс изменения состояния воздуха в сушильной камере
Рис. 12.20. Изменение состояния сушильного агента в сушильной установке:
а — t1 =var,t2 =const;б —t1=const;t2 =var
Рис. 12.21. Влияние параметров режима сушки на удельные энергозатраты в сушильной установке с однократным использованием воздуха
Изменениеt1иt2приведёт к изменению положения линии ВС наh, d-диаграмме и угла наклона γ линии АС (рис. 12.19). Видно, что с ростомt1угол γ уменьшается, а с ростомt2— растёт.
По рис. 12.20 можно определить характер кривыхq= f(t1)иq=f(t2), показанных на рис. 12.21.
Повышение температуры t1ограничивается лишь технологическими возможностями производства и свойствами материала (ограничено для термолабильных материалов), а температураt2имеет предельное значение, которое соответствуеттемпературе мокрого термометраtnp= tM.
Контрольные вопросы
1. Поясните связь между энергоаудитом и энергосбережением.
2. Дайте определения понятиям «энергетическое обследование» и «энергоаудит».
3. Назовите виды энергетических обследований согласно Правилам проведения энергетических обследований организаций и кратко укажите их содержание.
4. Назовите цели, задачи и уровни энергоаудита.
5. Какие работы проводятся при экспресс-обследовании?
6. Какие работы проводятся при углублённом энергоаудите?
7. Поясните возможности установления приоритетности обследования потребления тех или иных энергоресурсов.
8. Покажите возможность пересчёта в условное топливо составляющих топливно- энергетического баланса предприятия, приводимых в натуральных единицах (для природного газа, мазута, теплоты, электроэнергии, сжатого воздуха).
9. Запишите в общем виде энергобаланс промышленного предприятия.
10. Приведите принципиальную схему системы воздухоснабжения предприятия и поясните назначения ее элементов.
11. Укажите ориентировочные значения удельных расходов электроэнергии на выработку 1000 м3 сжатого воздуха.
12. Перечислите возможные направления энергосбережения в системах воздухоснабжения.
13. Запишите материальный и тепловой балансы теоретической конвективной сушильной установки.
14. Поясните определение параметров воздуха (энтальпии, влагосодержания, парциального давления водяного пара и др.) по данным измерений температуры с помощью мокрого и сухого термометров.
15. Поясните необходимость измерения полей скорости и температуры сушильного агента в целях повышения эффективности использования энергии в сушильной установке.
Глава 13