Определение эксергетического КПД тепловых процессов, осложненных массообменом
В теплообменниках рекуперативного типа при определении эксергетического к. п. д. определение приращения эксергии нагреваемых и охлаждаемых потоков не представляет труда. Некоторое затруднение вызывает определение приращения эксергии в процессах, осложненных массообменом.
Можно привести тепловой процесс с массообменном к процессу в рекуперативном теплообменнике и идеальном смесителе (разделителе), которые работают последовательно. Эта условная схема (при сохранении материальных и энергетических балансов) позволяет относительно просто рассчитать приращения эксергий материальных потоков в тепловом процессе, осложненном массообменом.
Рассмотрим процессы в типичных теплоиспользующих установках производства целлюлозы и бумаги, где тепловые процессы осложнены массообменом.
Теплообменник смешения. Пусть имеется теплообменник смешения, в котором рабочее тело нагревается теплоносителем (насыщенный пар) - рис. 5.1.
Рис. 5.1. Тепловые схемы теплообменника смешения:
а - структурная; б — эквивалентная.
На рис. 51 приняты следующие обозначения: G1, c1, Т1 — расход, удельная теплоемкость и температура нагреваемого потока на входе в теплообменник; G2, h2, Т2 - расход, энтальпия и температура охлаждаемого потока на входе в теплообменник; G3, c3, Т3 - расход, удельная теплоёмкость и температура потока на выходе из теплообменника; св — удельная теплоемкость воды.
Приведем рассматриваемый процесс теплообмена (рис.5.1 а) к процессу в рекуперативном (поверхностном) теплообменнике. Для этого условно разобьем выходной (нагретый) поток на два: первый - равный по массе нагреваемому потоку, второй - равный по массе охлаждаемому потоку (рис. 5.1 б). При этом для обоих потоков Т3 - idem. Так как при определении приращения эксергии используются балансы массы и энергии потоков, практически удобно, нагретый поток разделить не по массам, а по их водяным эквивалентам.
Эксергетический КПД такого процесса равен:
. (5.14)
Адиабатический самоиспаритель. Другим типичным теплоиспользующим элементом, предназначенным для концентрирования и охлаждения раствора, является адиабатический самоиспаритель (рис.5.2).
Рис. 5.2. Тепловые схемы адиабатического самоиспарителя:
а — структурная; б - эквивалентная.
На рис.5.2 приняты следующие обозначения: G1и ,с1и ,Т1и и G2и,
с2и ,Т2и — соответственно расход, удельная теплоемкость и температура перегретого раствора на входе и выходе из испарителя; G3и , h, Ts′ - соответственно расход, удельная энтальпия и температура пара вскипания раствора.
Процесс в этом элементе относится к процессу дросселирования перегретого раствора с внутренним энергообменом. Эти самоиспарители нашли широкое применение в аппаратурно-технологических схемах варки щепы в производстве целлюлозы, производстве бумаги, в
котельной практике в качестве расширителей непрерывной продувки и других теплоиспользующих процессах.
Для приведения теплопроцесса (рис.5.2 а) к процессу в рекуперативном теплообменнике разобьем (условно) входящий поток на два: один по массе равен нагреваемому потоку (пару), другой - охлаждаемому.
Эксергетический КПД такого процесса равен: 
(5.15)
Выпарной аппарат. Выпарной аппарат является основным теплообменным устройством для концентрирования растворов в производстве целлюлозы. В этом аппарате протекают процессы теплообмена с массообменом. В общем случае удаление воды из раствора происходит за счет как внутреннего энергообмена (адиабатического дросселирования перегретого раствора), так и внешнего - путем теплопередачи энергии пара к раствору через теплообменную поверхность.
Пусть имеем изотермический процесс концентрирования черного щелока, поступающего в выпарной аппарат при температуре кипения в нем (рис. 5.3 а). С целью приведения рассматриваемого теплового процесса к процессу в рекуперативном теплообменнике входной поток разделим на два: один — равный по массе образующемуся вторичному пару, другой — равный по массе концентрированному раствору. Тогда (рис 5.3 б) процесс выпаривания может быть приведен к процессу в рекуперативном теплообменнике.
Так как поток с (G1р— G2р), с1р и Т1р проходит через теплообменник, не претерпевая никаких изменений, то имеют место два потока: один нагреваемый, который превращается из воды с температурой Т1р в водяной пар, другой — охлаждаемый, энергия фазового перехода которого используется для выпаривания раствора.
Рис. 53. Тепловая схема выпарного аппарата:
а — структурная; б - эквивалентная.
На рис.3.4 приняты следующие обозначения: G1р, с1р, Т1р — соответственно расход, удельная теплоемкость и температура черного щелока, поступающего в выпарной аппарат; G2, hпр, Tsр — расход, удельная энтальпия и температура пара испарения; D, Tsг и Tкг — расход, температура насыщения греющего пара и температура конденсата;
св - теплоемкость воды.
Теперь нетрудно определить эксергетический КПД такого процесса:
. (5.16)
Достоинством предложенного метода расчета эксергетического КПД тепловой схемы является не только возможность последующей формулировки термодинамических требований по ее совершенствованию с позиций энергосбережения, но и использование привычных для инженеров теплотехников и технологов понятий: расход рабочего тела, тепловой поток, истинная температура теплоносителя и т.д.
Дата добавления: 2015-10-05; просмотров: 981;