Дифференциация эксергетических потерь в теплотехнологических и теплоэнергетических процессах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Зайцев, Егор Александрович

• Зайцев, Егор Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зайцев, Егор Александрович

Введение.

1. Методы эксергетического нализа теплоэнергетических и теплотехнологических установок.

1.1. Методы расчета эксергии в теплоэнергетических и теплотехнологических процессах.

1.2. Методы расчета эффективности теплоэнергетических и теплотехнологических установок.

1.3. Методы расчета эксергетических потерь в теплоэнергетических и теплотехнологических установках.

2. Методы дифференциации эксергетических потерь в теплотехнологических и теплоэнергетических установках.

2.1. Методы расчета эксергетических характеристик.

2.2. Расчет тепловых эффектов химических преобразований на основе различных базовых уровней.

2.3. Теплота образования химических соединений из оксидов при произвольной температуре.

2.4. Тепловой и эксергетический балансы.

2.5. Эксергетические потери при постоянной теплоемкости потоков (балансовый метод).

2.6. Расчет термомеханической эксергии с учетом зависимости теплоемкости от температуры и переменной массы материального потока.

2.7. Эксергетические потери при изменении свойств потоков интегральный метод).

3. Анализ теплотехнологических и теплоэнергетических установок.

3.1. Анализ эксергетических потерь при теплообмене.

3.2. Эксергетический баланс колосникового клинкерного холодильника.

3.3. Эксергетические потери процесса обжига извести.

3.4. Эксергетические потери процесса производства керамзита.

3.5. Анализ конденсатного котла.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дифференциация эксергетических потерь в теплотехнологических и теплоэнергетических процессах»

Теплоэнергетическое и технологическое оборудование широко используется в промышленности, энергетике и коммунальном хозяйстве. На любом предприятии, где для получения продукта используется теплота или энергия, неизменно присутствуют различного вида тепловые потери, которые определяют энергоемкость выпускаемого продукта. Например, тепловой коэффициент полезного действия (КПД) котлов составляет 80-90%, ТЭЦ - 30-40%, вращающихся цементных печей сухого способа производства - 40-50%. Существует несколько способов определения этих потерь, наиболее распространенным из которых является тепловой баланс. Однако существенным недостатком такого способа является невозможность определения качества как теряемой, так и полезно используемой тепловой энергии. Поэтому в 50-ых годах XX века было предложено понятие «эксергии», которое позволяло оценивать качество любого вида используемой энергии, как ее самой, так и ее доли в выпускаемой продукции. Для этой оценки проводится эксергетиче-ский анализ теплоэнергетических и теплотехнологических процессов и оборудования. Разработке теоретических основ и праткическому применению эксергетического анализа посвящены работы 3. Ранта, Я. Шаргута, В.М. Бро-дянского, Б.С. Сажина, А.П. Булекова, Д.А. Боброва, B.C. Степанова, И. Динцера, Ж. Уолла, М.А. Вердияна и др.

Эксергетический анализ является эффективным способом анализа и оптимизации теплоэнергетических и теплотехнологических систем. Степень совершенства необратимых процессов характеризуют эксергетические потери Ае, которые разделяются на два вида - внешние Аеех(, равные эксергии потоков, относящихся к тепловым и материальным потерям, и внутренние Аеш, связанные с необратимостью процессов.

Используемые в настоящее время методы определения эксергетических потерь основаны на расчете баланса эксергии без разделения* потерь на составляющие. Разделение потерь по причинам, их вызывающим, выполнено для отдельных случаев, например для топки котла, холодильных процессов и теплообменников, но универсальных методов расчета не существует. Это не позволяет оценить эффективность теплоиспользования внутри агрегата.

Поэтому настоящая работа, посвященная анализу эксергетических потерь в теплотехнологических процессах, является актуальной.,

Целью работы является разработка методов дифференциации эксергетических потерь в топливных теплотехнологических установках, осуществляющих теплопередачу от потока горячего газа к технологическому материалу или теплоносителю, по причинам, их вызывающим.

Для достижения данной цели, решались следующие задачи:

1. Выделены пять протекающих параллельно типовых процесса, происходящие в теплоэнергетических и теплотехнологических установках: горение топлива; теплообмен между газовым потоком и материалом или теплоносителем; химические (фазовые) превращения; потери в окружающую среду;

- потери от смешения газообразных продуктов реакции с отходящими газами.

2. Разработаны способы формализованного расчета эксергетических потерь выделенных типовых процессов.

3. Полученные результаты применены к теплотехнологическим процессам обжига извести и керамзита, охлаждения цементного клинкера, и теплоэнергетическому процессу получения теплоносителя в конденсатном котле.

Работа выполнялась согласно следующим грантам:

Грант РФФИ 08-08-00980 «Экспериментальное и компьютерное исследование процессов и развитие инженерных методов расчета теплообмена в промышленных вращающихся печах», 2008-2010 г.

Грант РФФИ 10-08-05037 «Инструментальное и программное обеспечение исследования промышленных теплотехнологических и химико-технологических процессов», 2010 г. г/б НИР № 1.02.06 от 01.01.2006 г. «Теоретические основы энерготехнологического анализа, интенсификации и оптимизации процессов технологии многокомпонентных силикатных строительных материалов», № гос. регистрации 01200609271, 2006-2010 г.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Зайцев, Егор Александрович

Выводы

1. Разработаны методы расчета величины эксергетических потерь в элементарных процессах, составляющих теплотехнологические процессы в промышленных печах. Выделены элементарные процессы теплообмена, ма-сообмена, химических превращений, а также потери теплоты в окружающую среду через ограждающие стенки. Получены уравнения для определения эксергетических потерь в элементарных процессах для:

- теплообмена в теплоэнергетических и теплотехнических установках при условии постоянства теплоемкости потоков и при зависимости теплоемкости от температуры;

- протекания изотермической реакции за счет передачи теплоты от печных газов;

- совместного нагрева материала и протекании в нем изотермической реакции.

2. Получены уравнения для расчета эксергетических характеристик с использованием уравнений зависимости истинной теплоемкости от температуры. Получены уравнения для расчета теплоты образования химических соединений из оксидов при заданной температуре, используемой для определения теплового эффекта реакции при произвольной температуре.

3. Разработана методика расчета эксергетического баланса и эксергетических потерь при обжиге извести и керамзита во вращающихся печах. Особенность методики заключается в разбиении процесса в теплотехнологиче-ском агрегате на ряд зон и определение потерь в каждой зоне на основании ее эксергетического баланса и сравнении эффективности каждой зоны.

4. Разработана методика эксергетической оценки тепловой работы клинкерного колосникового холодильника, учитывающая диверсификацию полезных и хвостовых продуктов.

5. Произведен эксергетический анализ конденсатных водогрейных котлов. Установлено, что до 90% эксергетических потерь происходят в высокотемпературной части котла, что требует оптимальной организации теплотехнических процессов именно в ней. С точки зрения эффективности использования теплоты конденсатные котлы выгодны при выработке высокопотенциального теплоносителя. Выработка воды с низкой температурой приводит к значительному снижению эксергетического КПД. Поэтому двухконтурный конденсационный котел более эффективен, чем одноконтурный.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зайцев, Егор Александрович, 2011 год

1. Волошко А. А., Гуляева С. Н., Смолянинов И.В. Эксергетический метод анализа эффективности тепловых установок // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. 2003. Т 2. С. 353-354.

2. Alberty R.A. Use of legendre transforms in chemical thermodynamics (IUPAC Technical Report) // Appl. Chem. 2001. - Vol. 73, No. 8. - pp. 13491380.

3. Бродянский B.M:, Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В. М. Бродянского. — М.: Энергоатомиздат, 1988. -288 с.

4. Сажин Б.С. Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. М.: Химия, 1992. - 208 с.

5. Cornelissen R.L. ExerCom. The software routine to calculate exergy in Aspen and Pro/II. 3 p. (http://www.exergie.nl/EXERCOM3.doc).

6. Трубаев П. А., Беседин П. В., Зайцев Е. А. Термодинамический и эксергетический анализ теплотехнологических систем / П. А. Трубаев, П. В. Беседин, Е. А. Зайцев. уч. пос. - Белгород: (БГТУ) им. В.Г.Шухова, 2010. — 104 с.

7. Шевинский Я. С., Бобров Д. А. Разработка автоматизированной системы эксертетического расчета и оптимизации ХТС // Программные продукты и системы. 1997. -N 1. - С.11-15.

8. Морозюк Т. В., Тсатсаронис Д. Углубленный эксергетический анализ современная потребность оптимизации энергопреобразующих систем // Промышленная теплотехника. 2005. Т 27, № 2. С. 88-92.

9. Gyftopoulos Е.Р., Beretta G.P. Thermodynamics: Foundations and Applications.- New York: Macmillan Publishing Company.- 1991,- 536 p.

10. Костенко Г. H. Термодинамически объективная оценка эффективности тепловых процессов // Пром. теплотехника. 1983. - Т.4., № 5. - С. 7075.

11. Adavbiele A.S., Amiebenomon S.O. Optimization of the Performance of a Super-Cruise Engine with Isothermal Combustion Inside the Turbine Using Exer-gy Method // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2008. - No 3 (4). -pp. 357-362.

12. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. М.: Энергия, 1968. - 280 с.

13. Новое направление в повышении энергетической эффективности цементного производства /М. А. Вердиян, В. Б. Хлусов, О. Е. Адаменко, В. Н. Третьяков // Цемент. 1994. - № 5/6. - С. 27-29.

14. Новые принципы организации процессов приготовления и обжига комбинированной сырьевой смеси / М. А. Вердиян, В. Б. Хлусов, О. Е. Адаменко, В. Н. Третьяков Цемент. 1995. - № 2. - С. 20-23.

15. Эксергетический анализ при снижении энергозатрат в производстве цемента / М. А. Вердиян, Д. А. Бобров, О. Е. Адаменко и др. // Цемент. —1995.-№5, 6.-С. 35-44.

16. Гохштейн, Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок / Д. П. Гохштейн. М.: Энергия, 1969. - 368 с.

17. Кафаров, В. В. Принципы создания безотходных химических производств / В. В. Кафаров. М.: Химия, 1982. - 288 с.

18. Alebrahim A., Bejan A. Entropy Generation Minimization in a Ram-Air Cross-Flow Heat Exchanger // Int.J. Applied Thermodynamics. 1999. - Vol.2 (№4). - pp. 145-157.

19. Szargut, J. Bilans eksergetyczny procesow hutniczych / J. Szargut // Archiwum Hutnictwa, 6. 1961. - № 1. - pp. 23-60.

20. Албул В. П. Оценка эффективности тепловых процессов и агрегатов // Рациональной использование природного газа и охрана окружающей среды. Сб. науч. статей Москва, 2000. С. 14-26.

21. Андрющенко А. И. Еще раз о показателях совершенства ТЭЦ // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Сб. науч. трудов межд. научно-практич. конф. Самара, 2004. С. 11-16.

22. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М., 1982.

23. Гажур А. А. Метод определения безразмерного критерия энергетической эффективности теплового оборудования // Вестн. РАСХН. 2008. - № 1.-С. 95-96.

24. Atanasova L. Exergy Analysis of the Process of Thermal Decomposition of Phosphogypsum to Lime and Sulfur Dioxide // Int.J. Applied Thermodynamics. 2002. - Vol.5 (№3). - pp.119-126.

25. Sahih A.Z. Importance of Exergy Analysis in Industrial Processes // Proceedings of the Fourth Saudi Technical Conference and Exhibition. — Riyadh, 2006.-vol. III.-pp. 38-43.

26. Ильин A.K. Коэффициент эффективности использования первичной эксергии источников теплоты // Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств: матер, всерос. конф. Пенза: ПГАСА, 2002. - С.43-46.

27. Бродянский В.М., Верхивкер Г.П., Дубовский СВ. Эксергетические расчеты технических систем: Справочное пособие. — Киев: Наукова думка, 1991.-360 с.

28. Ильин А.К. Формулы для эксергии // Российский национальный симпозиум по энергетике: материалы докладов. Том 1.4. 1. Казань: КГЭУ, 2001.-С. 193-196.

29. Ноздренко Г. В., Щинников П. А., Серант Ф. А., Томилов В. Г., Зыкова Н. Г., Коваленко П. Ю., Русских Е.Б. Эксергетический анализ новых котельных технологий в составе энергоблоков ТЭС // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т 16, № 2. С. 70-75.

30. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1988. 528 с.

31. Архаров A.M., Сычев В.В. Основы энтропийно-статистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпературных и высокотемпературных машинах и установках // Холодильная техника. 2005. № 12. С. 1423.

32. Трощенко А. В. Метод определения и анализ составляющих эксерге-тических потерь в теплообменных аппаратах // Технические газы. 2007. № 1. С.57-62.

33. Зайцев Е.А., Тру баев П. А. Изменение термомеханической эксергии при нагреве и охлаждении материального потока переменного расхода // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23. Сб. трудов Межд. науч. конф. - Саратов, 2010.

34. Лисиенко, В. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: Справочное издание. В 2-х книгах. Книга 1 / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев; Под ред. В. Г. Лисиенко. М.: Теплотехник, 2004. - 688 с.

35. Бабушкин, В. И. Термодинамика силикатов / В. И. Бабушкин, Г. М. Матвеев, О. П. Мчедлов-Петросян. М.: Стройиздат, 1986. - 408 с.

36. Карапетьянц, М. X. Химическая термодинамика / М. X. Карапетьянц. -М.: Химия, 1975.-584 с.

37. Зайцев Е.А. Эксергетические потери в типовых теплотехнологиче-ских процессах / Е.А. Зайцев, П.А. Трубаев // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23. Сб. трудов Межд. науч. конф. - Саратов, 2010.-Том 8.-С. 80-83.

38. Кулешов М.И., Губарев A.B., Чефранов И.Э. Перспективы существенного снижения топливопотребления в теплофикации // Промышленная энергетика. 2005. - № 12. - С. 28-30.

39. Дифференциация эксергетических потерь в теплотехнологических и теплоэнергетических процессах", соискатель Е.А. Зайцев

40. Характеристика масштаба внедрения: серийное, для членов СРО.

41. Форма внедрения: комплект документов.

42. Новизна результатов научно—исследовательских работ: качественно новые.

43. Опытно-промыитенная проверка: произведена в период с 1.02.11 г. по 30.06.11 г.

44. Объем внедрения: работа внедрена в полном объеме.

45. Социальный и научно-технический эффект: повышение качество проводимых работ, сокращение времени подготовки технологической и нормативной документации.

46. Директор Белгородского филиала1. М.П.и2011 г.1. В.В. Радченко