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 G_M— расход материала, кг/ч;G_B— расход воздуха, кг/ч;G_c— расход сухой массы материала, кг/ч;G_BM— количество влаги, удаляемой из материала, кг/ч;L_CB— расход сухой массы воздуха, кг/ч;G_П— 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 С_п, С_г — концентрации водяного пара и сухих газов в 1 м³ газа (воздуха), кг/м³;

М_п, М_г — молярные массы пара и газа, кг/моль;

В — барометрическое давление, Па;

p_н — 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:

L_c_.в1+G_п1+G_c+G_в.м1=L_c_.в2+G_п2+G_c+G_в.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(t^c) и мокрого(t^м)] 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;h_п,h_к,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

Рис. 12.16. Схема процессов, происходящих в сушильной установке, в /г, {/-диаграмме

Тепловой поток, передаваемый сушильным агентом, может быть вычислен с учётом температур:

гдеc₁с₀— удельные теплоёмкости воздуха приt₁d₀иt₀,d_Q,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 с_в,с_п — удельные теплоёмкости абсолютного сухого воздуха и водяного пара; r₀ — скрытая теплота парообразования при 0°С.

Измеренные значения t^cи t^м 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
Q _п _, _в =(h_x-h₀)L₀	Теплота, переданная воздуху в подогревателе
Q_д	Теплота, дополнительно подведённая к воздуху в сушилке
L₀h₀	Теплота, вносимая с воздухом
G _M1 c _M1 t _M1= G _M2 c _M1 t _M1+ Wc _вл t _M1	Теплота, вносимая с влажным материалом, состоящим из сухой массы и влаги
G _тр₁ c _тр₁ t _тр₁	Теплота, вносимая транспортными устройствами
Расходная часть
L₂h₂	Потери теплоты с уходящим воздухом
G _M₂ c _M₂ t _M₂	Потери теплоты с уходящим материалом
G _тр₁ c _тр₁ t _тр₁	Потери теплоты с транспортными устройствами
Q_s	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>t_нвыгодна схема, приведённая на рис. 12.18, а, приt<t_нвыгодна 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 неёt₂на 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(t_x)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, d диаграммы.

Очевидно, что h₁–h₀= АВ • M_h,, а гдеM_h, M_d— 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 термометраt_np= t^M.

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