1. Синтезирование системы Исходные данные: № Расход, кг/с 18 15 48 1 2 3 Горячий теплоноситель (ВЭР) Вид теплоносителя Параметры, ℃ Пар воды ТГ1 = 230, Т𝑠 = 180 Вода ТГ2 = 160 Воздух ТГ3 = 15 Холодный теплоноситель (потребитель) Расход, кг/с Вид теплоносителя Параметры, ℃ Вода 54 ТХ1 = 5 Воздух 68 ТХ2 = −15 Вода 46 ТХ3 = 15 № 1 2 3 1. Определение максимально возможной интегральной величины теплового потока от горячих теплоносителей к холодным 1.1. Определение располагаемого теплового потока при охлаждении всех горячих теплоносителей до -15 ℃: Суммарный тепловой поток при охлаждении пара до линии насыщения, 𝑡𝑠 = 180 ℃, конденсации пара при этой температуре, охлаждении конденсата до 0 ℃: 𝑄Г1 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡Г1 − 𝑡𝑠 ) + 𝐺Г1 ∙ 𝑟 + 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝в ∙ (𝑡𝑠 − 0) 𝑄Г1 = 18 ∙ 2 ∙ (230 − 180) + 18 ∙ 2400 + 18 ∙ 4.19 ∙ (180 − 0) = 58 608 кВт Тепловой поток при охлаждении воды: 𝑄Г2 = 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в ∙ (𝑡Г2 − 0) = 15 ∙ 4.19 ∙ (160 − 0) = 10 056 кВт Тепловой поток при охлаждении воздуха: 𝑄Г3 = 𝐺Г3 ∙ 𝐶𝑝вх ∙ (𝑡Г3 − 0) = 48 ∙ 1 ∙ (15 − 0) = 720 кВт Суммарный тепловой поток при охлаждении всех горячих теплоносителей до 0 ℃: ∑ 𝑄Г = 𝑄Г1 + 𝑄Г2 + 𝑄Г3 = 58 608 + 10 056 + 720 = 69 384 кВт 1.2. Определение суммарных тепловых потоков при охлаждении горячих теплоносителей в соответствующих температурных диапазонах: Точка 1 соответствует координатам 𝑡 = 230 ℃ и 𝑄 = 69 384 кВт. В температурном диапазоне от 230 ℃ до 180 ℃ охлаждается пар: 𝑄1 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡Г1 − 𝑡𝑠 ) = 18 ∙ 2 ∙ (230 − 180) = 1 800 кВт Конденсация пара при 𝑡𝑠 = 180 ℃: 𝑄2 = 𝐺Г1 ∙ 𝑟 = 18 ∙ 2400 = 43 200 кВт 1 В температурном диапазоне от 180 ℃ до 160 ℃ охлаждаются конденсат пара: 𝑄3 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡𝑠 − 𝑡Г2 ) = 18 ∙ 4.19 ∙ (180 − 160) = 1 508 кВт В температурном диапазоне от 160 ℃ до 15 ℃ охлаждается конденсат пара и вода: 𝑄4 = (𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п + 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (𝑡Г2 − 𝑡Г3 ) 𝑄4 = (18 ∙ 4.19 + 15 ∙ 4.19) ∙ (160 − 15) = 20 049 кВт В температурном диапазоне от 15 ℃ до 0 ℃ охлаждается конденсат пара, вода и воздух: 𝑄5 = (𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝в + 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в + 𝐺Г3 ∙ 𝐶𝑝вх ) ∙ (𝑡Г3 − 0) 𝑄5 = (18 ∙ 4.19 + 4.19 ∙ 15 + 1 ∙ 48) ∙ (15 − 0) = 2 827 кВт Таким образом, ∑ 𝑄Г = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5 = 1 800 + 43 200 + 1 508 + +20 049 + 2 827 = 69 384 кВт, что соответствует ранее полученному значению ∑ 𝑄Г . 1.3. Определение суммарных тепловых потоков при нагреве холодных теплоносителей в соответствующих температурных диапазонах: В диапазоне от −15 ℃ до 5 ℃ нагревается только воздух: 𝑄Х1 = 𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх ∙ (𝑡Х1 − 𝑡Х2 ) = 68 ∙ 1 ∙ (5 − (−15)) = 1 360 кВт В диапазоне от 5 ℃ до 15 ℃ нагревается воздух и вода: 𝑄Х2 = (𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх + 𝐺Х1 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (𝑡Х3 − 𝑡Х1 ) = = (68 ∙ 1.0 + 54 ∙ 4.19) ∙ (15 − 5) = 2 943 кВт В диапазоне от 15 ℃ и выше нагреваются все три теплоносителя: От точки 7 (𝑡 = 15 ℃, 𝑄 = 1 360 + 2 943 = 4 303 кВт) проводим через точку 𝑡 = 100 ℃ прямую: (𝐺Х1 ∙ 𝐶𝑝в +𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх + 𝐺Х3 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (100 − 15) + 4 303 = 45 788 кВт Отрезок между точками начала нагрева холодных теплоносителей и начала охлаждения горячих характеризует максимальный тепловой поток 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 69 384 кВт 2 Рис. 1. Интегральный график охлаждения и нагрева потоков 3 2. Разработка схемы теплообмена между горячими и холодными потоками Используем эвристическое правило 1: горячий и холодный потоки с близкими тепловыми эквивалентами: Горячие потоки: Тепловой эквивалент перегретого пара: 𝑊Г1П = 𝐺Г1 ∙ Срп = 18 ∙ 2 = 36 кВт ℃ кВт Тепловой поток при конденсации пара: 𝑊п = 𝐺Г1 ∙ 𝑟 = 18 ∙ 2400 = 43 200 Тепловой эквивалент конденсата: 𝑊Г1К = 𝐺Г1 ∙ Срв = 18 ∙ 4.19 = 75.6 Тепловой эквивалент горячей воды: 𝑊Г2 = 𝐺Г2 ∙ Срв = 15 ∙ 4.19 = 63 ℃ кВт ℃ кВт ℃ Тепловой эквивалент горячего воздуха: 𝑊Г3 = 𝐺Г3 ∙ Срвх = 48 ∙ 1.0 = 48 кВт ℃ Холодные потоки: Тепловой эквивалент холодной воды: 𝑊Х1 = 𝐺Х1 ∙ Срв = 54 ∙ 4.19 = 226.8 Тепловой эквивалент холодного воздуха: 𝑊Х2 = 𝐺Х2 ∙ Срвх = 68 ∙ 1.0 = 68 Тепловой 192.7 эквивалент холодного кВт ℃ кВт ℃ воздуха:𝑊Х3 = 𝐺Х3 ∙ Срвх = 46 ∙ 4.19 = кВт ℃ По выбранному эвристическому правилу получается следующий взаимообмен между горячими и холодными потоками: Г1 → Х1; Г2 → Х3; Г3 → Х2. В данном случае предполагается использовать три теплообменных аппарата ТА1, ТА2, ТА3. При разработке схемы теплообмена принимается минимальная разность температур между горячим и холодным потоками: ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 5 ℃. 1. В теплообменном аппарате ТА1 перегретый пар охлаждается от 𝑡Г1 = 230 ℃ до 𝑡𝑠 = 180 ℃, передавая холодному теплоносителю тепловой поток 1800 кВт. Конденсируется при 𝑡𝑠 = 180 ℃, выделяя 43 200 кВт тепловой мощности. Холодный поток, поступающий в ТА1, имеет меньший тепловой эквивалент, 𝑊Х1 = 226.8 кВт ℃ . За счет теплового потока при охлаждении пара, холодный поток нагревается на: ∆𝑡 = 𝑄п 1800 = =8℃ 𝑊Х1 226.8 При нагреве холодного теплоносителя тепловым потоком при конденсации пара его температура составит: 𝑡Х = 𝑡𝑆 − ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 180 − 5 = 175 ℃ Далее паром догревается на 8 ℃. В итоге температура холодного потока на выходе из ТА1 составит 175 ℃ + 8 ℃ = 183 ℃. 4 Тепловой поток, переданный в ТА1, составит: 𝑄ТА1 = 𝑊Х1 ∙ (183 − 𝑡Х1 ) = 226.8 ∙ (183 − 5) = 40 370.4 кВт 2. В теплообменный аппарат ТА2 входят теплоносители Г2 и Х3. Меньший тепловой эквивалент у горячего теплоносителя Г2 и равен: 𝑊Г2 = 63.0 Тогда температура горячего теплоносителя на выходе из ТА2 составит: 𝑡Х3 + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 15 + 5 = 20 ℃. кВт ℃ . Тепловой поток, передаваемый в ТА2: 𝑄ТА2 = 𝑊Г2 ∙ (160 − 20) = 63.0 ∙ 140 = 8 820 кВт Температура горячего теплоносителя снизится на: 𝑄ТА2 8 820 ∆𝑡 = = = 45.65 ℃ 𝑊Х3 193.2 Температура горячего теплоносителя на выходе из ТА3: 𝑡Х3 вых = 15 + 45.65 = 60.65 ℃ 3. В теплообменный аппарат ТА3 входят теплоносители Г3 и Х2. Меньший тепловой эквивалент у горячего теплоносителя Г3 и равен: 𝑊Г3 = 48.0 Тогда температура горячего теплоносителя на выходе из ТА3 составит: 𝑡Х2 + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = −15 + 5 = −10 ℃. кВт ℃ . Тепловой поток, передаваемый в ТА3: 𝑄ТА3 = 𝑊Г3 ∙ (15 + 10) = 48.0 ∙ 25 = 1 200 кВт Температура горячего теплоносителя снизится на: 𝑄ТА3 1 200 ∆𝑡 = = = 17.65 ℃ 𝑊Х2 68 Температура горячего теплоносителя на выходе из ТА2: 𝑡Г3 вых = −15 + 17.65 = 2.65 ℃ Суммарные тепловые аппаратами: потоки, передаваемые тремя теплообменными ∑ 𝑄перед = 𝑄ТА1 + 𝑄ТА2 + 𝑄ТА3 = 40 370.4 + 8 820 + 1 200 = 50 390.4 кВт Коэффициент полезного использования располагаемой тепловой мощности: ∑ 𝑄перед 50 390.4 КПИ = = = 0.726 𝑄𝑚𝑎𝑥 69 384 5 Рис. 2. Схема теплообмена между горячими и холодными потоками 6 1. Горячий и холодный потоки с близкими тепловыми эквивалентами 7 8 9 10 2. Горячий поток с наиболее высокой температурой на входе в ТА и холодный поток с наиболее высокой температурой на выходе 11 3. Горячий и холодный потоки с наиболее высокой температурой на входе в ТА 12 4. Максимальная разница между температурой горячего потока на входе в ТА и температурой холодного на выходе 13 5. Минимальная разница между температурой горячего потока на входе в ТА и на выходе 14 6. Минимальная разница между температурой горячего потока на выходе из ТА и температурой холодного на входе 15 7. Максимальная разница между температурой холодного потока на выходе из ТА и температурой холодного потока на входе 16 8. Минимум из разниц температуры горячего потока на входе в ТА и температуры холодного потока на выходе и температуры горячего потока на входе и температуры холодного потока на входе в ТА 17 9. Минимум из разниц начальной температуры горячего потока и температуры горячего потока на выходе из ТА и начальной температуры холодного потока и температуры холодного потока на входе в ТА 18 10. Максимум теплоты, переданной через ТА 19 11. Максимальный КПД из распределений по предыдущим 10-ти правилам 20 Выводы по синтезу системы теплообмена. Наибольший КПД, полученный при помощи программы OSTO, получается при применении эвристического правила 6, но при этом необходимо установить 6 теплообменников, что является не целесообразным, так как затраты будут высокими, а прирост КПД от установки каждого дополнительного теплообменника будет незначительным. Часов в год → 7500 𝑄теор = 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 69 384 кВт, 1% = 69.384 69.384 Гкал руб Эгод = ∙ 3600 ∙ 7500 = 447.1 = 1 096 646.9 4.19 год год Добавление одного дополнительного теплообменника выгодно, поскольку экономия в год превышает капитальные и эксплуатационные затраты на установку доп. теплообменника. Наиболее оптимальным вариантом синтеза для исследуемой системы теплообмена является синтез по эвристическим правилам №1 «по близким тепловым эквивалентам» и № 10 «по максимуму теплоты, переданной через ТА». Данная схема позволяет получить КПД 96.78 % при применении наименьшего количества теплообменников в размере 4-х штук. Результаты исследования методов синтеза систем теплообмена между горячими и холодными потоками показывают следующее: 1) При использовании даже одного эвристического правила можно получить разные результаты; 2) Величина передаваемого теплового потока зависит от заданной величины минимальной разности температур между горячим и холодным теплоносителем; 3) С уменьшением минимальной разности температур увеличиваются: величина передаваемого теплового потока, площадь теплообменной поверхности и эффективность ТА. 21 22
