Теоретические основы энерготехнологии хивических производств

Так как жидкая вода и  перегретый водяной  пар очень широко применяется в технике, то их свойства достаточно хорошо изучены и сведены в таблицы. Вход в таблицы осуществляется по температуре и давлению одновременно. Более того, рассчитать термодинамические параметры однофазной системы (жидкость или пар), как правило, нетрудно, т.к. в первом приближении можно принимать, что свойства однофазной системы приближаются к свойствам идеальной системы. Например, энтропия и энтальпия перегретого пара может быть рассчитана по формулам:

,    (1.108)

.    (1.109)

В отличие от однофазной системы, двухфазная система требует  особого подхода, т.к. процесс испарения 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 давление) не изменяются. Таким образом, термодинамические параметры для точки А_Х или В_Х, имеющих заданную степень сухости пара (х), можно рассчитать по формулам:

     (1.110)

    (1.111)

.   (1.112)

Следует отметить, что абсолютные значения h_x и s_x не являются истинными (могут отличаться для различных справочных данных), а рассчитываются относительно некоторой начальной точки. Это связано с тем, что обычно требуется рассчитать не абсолютное значение термодинамического параметра, а изменение этого параметра в процессе. Например, рассмотрим порядок расчета количества теплоты (Q), необходимой для получения сухого насыщенного или перегретого пара из жидкости. Величина теплоты (Q) численно будет равна количеству теплоты, выделяющейся при полной или частичной конденсации сухого насыщенного или перегретого пара (обратный процесс). Иллюстрация процесса парообразования представлена на рис.1.26.

Из  рис.1.26 видно, что для того чтобы жидкая вода, имеющая параметры начальной точки А₀, достигла параметров перегретого пара (точка А₃), необходимо:

1. Довести жидкую воду до состояния кипения, сообщив ей удельную теплоту

     (1.113)

2. Полностью испарить жидкую фазу, сообщив ей удельную теплоту

      (1.114)

3. Перегреть сухой насыщенный пар с параметрами точки А₂ до параметров точки А₃, сообщив ему удельную теплоту

     (1.115)

Таким образом

     (1.116)

и

      (1.117)

Если  необходимо рассчитать количество тепла, требуемое для достижения параметров влажного пара (точки А_х), то:

,     (1.118)

и

,     (1.119)

где

,     (1.120)

.      (1.121)

Эти уравнения  являются основными для проведения расчетов процессов парообразования и конденсации.

 

 

11. . Использование низкопотенциальных источников тепла. Эксергия.

Известно, что большинство существующих химических технологий являются весьма энергоемкими. Как правило, для проведения технологических процессов в основном используются высокопотенциальные источники энергии (имеющие высокую температуру), т.к. известно, что с увеличением температуры 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 потоков. Обычно энерготехнологические схемы производств достаточно совершенны в плане использования вторичных энергоресурсов, о чем свидетельствуют относительно низкие температуры “сбросных” тепловых потоков. Но если учесть величину данных потоков, то количество “тепловых отходов” бывает достаточно велико. Примером могут быть градирни (контактные испарительные теплообменники) химических заводов или ТЭС, которые рассеивают в окружающую среду многие мегаватты низкопотенциального тепла. Однако на химических предприятиях также существуют сбросные тепловые потоки, имеющие относительно высокий потенциал. Например, печь первичного риформинга в технологии аммиака выбрасывает дымовые газы с температурой 200-300^ОС и с расходом 350000-420000 нм³/ч, а в производстве фталевого ангидрида существуют тепловые отходы с температурой 300-400^ОС и расходом до 40000 нм³/ч и т.д. Как видно, температура этих тепловых потоков достаточно высока, и тепловую энергию этих тепловых "отходов" еще можно утилизировать, однако для указанных технологий они являются отходами, т.е. на существующем уровне техники (технологии) их тепловая энергия не утилизируется.

В связи со значительным и регулярным ростом цен на энергоносители особенно важно совершенствовать энерготехнологические схемы существующих 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 источнику или "стоку" энергии. Таким образом, не смотря на различие технологических схем и ассортимент производимых продуктов, совершенствование 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 технологических схем может возникнуть вопрос, какую энергию необходимо использовать 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 "эксергия". 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

На представленном рисунке состояние окружающей среды, которое являются "конечным" для определения максимальной работы обратимого процесса, обозначено горизонтальной линией и цифрой 0. Для окружающей среды условно принято считать, что t₀=20^ОС, а Р_О=0,1 МПа, однако t_О для Антарктиды должна быть существенно ниже 20^ОС, а Р_О для высокогорья должно быть меньше 0,1 МПа. Таким образом, эксергия является термодинамической функцией не только самой системы, но и окружающей среды.

Если состояние  системы по некоторым параметрам превышает соответствующие параметры окружающей среды, например по температуре, то система будет служить "горячим" источником (С₁ и С₃), а окружающая среда – "холодным". Если параметры системы ниже соответствующих параметров окружающей среды, например по температуре, то в этом случае в качестве "горячего" источника будет выступать окружающая среда, а в качестве "холодного" – система (С₂ и С_К). Максимальная работа, которая может быть получена в этих случаях будет иметь различные знаки, однако при ее дальнейшем использовании знак не носит существенного значения, а важна лишь абсолютная величина работы (эксергия системы). Таким образом, если система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой по всем параметрам, исключая температуру, то эксергия системы, имеющей температуру +60^ОС будет равна эксергии системы, имеющей температуру -20^ОС. Аналогичный пример можно привести для давления.

Существуют  два основных вида эксергии:

• эксергия, не характеризуемая энтропией (механическая, электрическая и т.п.), равная самой величине энергии;

 

 

• эксергия, характеризуемая энтропией (внутренняя энергия, энергия излучения, термомеханическая, химическая).

В свою очередь  эксергию, характеризуемую энтропией, можно разделить на следующие виды:

• эксергия вещества в замкнутом объеме, состоящая из термомеханической (физической), химической (нулевой) и эксергии излучения;
• эксергия потока вещества, состоящая из термомеханической и химической 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 Н₂О, то к эксергии системы необходимо добавить работу, которую можно получить при переходе Н₂ в Н₂О. Методики более детального расчета эксергии системы приведены в специальной литературе, 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 конкретной 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 утилизации низкопотенциальных энергетических потоков, заключающийся в передачи тепловой энергии в изотермическом процессе к веществам при их кипении. Примером таких установок могут быть холодильные машины, которые,   работая по обратному циклу, повышают потенциал тепла, отнятого в морозильной камере при отрицательных температурах, до параметров, 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 компрессора, увеличения его