Проектування теплової мережі з максимальною рекупераціею енергії

Розглянемо як приклад процес, схема якого має два гарячих потоки (джерела теплоти) і два холодних потоки (стоку теплоти), інформація про які подана в табл. 9.2

Таблиця 9.2 - Дані до технологічної схеми реакторного відділення

		Початкова	Цільова	АЯ-КН, кВт	Витратна теп­
Потік	Тип	температу­	темпера	лоємність CP.
		ра, °С	тура, °С	кВт/°С
1. Реактор 1 (живлення)	Хол			32,0
2. Реактор 1 (продукт)	Гар			-31,5
3. Реактор 2 (живлення)	Хол			27,0
4, Реактор 2 (продукт)	Гар			-30,0

Припустимо, що економічно оптимальне значення =10°С.

У цьому випаду діаграма складових кривих має вигляд, зображе­ний на рис. 9.29.

Область пе­рекриття кривих уздовж осі абсцис визначає кількість теплоти, що може бути рекуперована у досліджуваному процесі. У розгля­нутій задачі, для =10 °С, максимальна рекуперація тепла = 51,5 МВт.

В області на ентальпійній осі, де «холодна» складова розташову­ється за початком «гарячої» складової кривої, рекуперація тепла не­можлива, й енергія до холодного потоку повинна надходити від гаря­чих зовнішніх теплоносіїв, наприклад, пари. Ця область на енталь­пійній осі визначає цільові значення гарячих теплоносіїв і для даної задачі = 7500 кВт.

В ентальшйній області, де «гаряча» складова крива розташову­ється перед початком «холодної» складової кривої, рекуперація тепла також неможлива, і гарячі потоки повинні віддати свою енергію зов­нішнім холодним теплоносіям. Ця область визначає цільові значення для холодних теплоносіїв =10000 кВт.

В області пінча має місце мінімальна різниця температур між теплоносіями, і це найбільш стиснута область для можливих розмі­щень рекуперативних теплообмінників. Якщо розміщення теплооб­мінників починати з холодного або гарячого краю сіткової діаграми, то може виявитися, що в районі пінча неможливо забезпечити виконан­ня критерію без порушення пінч-правил. Тому розміщення теп­лообмінних апаратів необхідно починати від пінча, щоб зменшити ймовірність появи труднощів при подальшому проектуванні.

Сіткова діаграма цього процесу з зазначенням технологічних да­них і цільових енергетичних значень подана на рис. 9.30.

Розглянемо підсистему, яка розташовується під пінчем (рис. 9.31), і спробуємо розташувати теплообмінник на гарячому потоці № 4 і холо­дному потоці № 1. Потокова теплоємність гарячого потоку у цьому ви­падку є більшою, ніж потокова теплоємність холодного потоку.

На рис. 9.31, б зображені температурні профілі потоків на температурно-ентальпійній діаграмі (тут необхідно пам'ятати, що напрямки потоків на сітковій та температурно-ентальпійній діаграмах протиле­жні). Оскільки потокова теплоємність холодного потоку ( = 200 кВт) менша, ніж гарячого ( = 205 кВт), то при зміні температури гарячого і холодного потоків на однакове за модулем значення, до холодного потоку буде потрібно підвести менше енергії, ніж відвести від гарячого потоку. Через це нахил температур­ного профілю холодного по­току буде крутішим, ніж га­рячого. Тому при русі від пінча по ентальпійній осі (рис. 9.31, б) різниця темпе­ратур між теплоносіями в теплообміннику буде змен­шуватися й стане меншою, ніж , що неприйнятно.

Проаналізуємо розмі­щення теплообмінника на тому ж гарячому потоці 4 і холодному потоці 3. У цьому випадку холодний потік має потокову теплоємність = 300 кВт, тобто більшу, ніж у гарячого потоку, де = 205 кВт. У цьому ж випадку температурний профіль холодного потоку буде більш пологим, ніж гарячого, і при розміщенні теплообмінника в районі пінча з різницею температур на холодному кінці, що обов'язково дорівнює , різниця температур між тепло­носіями у напрямку від холодного кінця теплообмінника до гарячого буде тільки збільшуватися. Отже, таке розташування теплообмінника на обраних потоках можливе.

Для того щоб різниця температур між теплоносіями в теплооб­мінниках, розміщених поблизу пінча і вище нього, не зменшувалася, необхідне виконання умови

(вище пінча). (9.4)

З цього правила випливають досить прості правила вибору пото­ків для початку розміщення теплообмінних апаратів. З рис. 9.31 вид­но, що для гарячого потоку 2 можливе об'єднання з кожним із холод­них потоків, оскільки він має мінімальну потокову теплоємність (CP = 150 кВт), і співвідношення (9.4) буде виконане завжди. Для на­ступного гарячого потоку вибір холодного партнера для теплообміну вже менший, і в цьому випадку для потоку 4 теплообмін можливий тільки з потоком 3. Тому при виборі розміщення теплообмінників на пінчі в підсистемі вище пінча ми повинні почати з гарячого потоку, що має максимальну потокову теплоємність CP, знайти йому партнера для теплообміну серед холодних потоків так, щоб виконувалася умова (9.4). Потім переходимо до розгляду гарячого потоку, що має наступну (меншу) потокову теплоємність 1 т. д.

Якщо проаналізувати розміщення теплообмінних апаратів нижче пінча, то одержимо умову

(нижче пінча). (9.5)

Отримані співвідношення можна коротко сформулювати в такий спосіб. Розміщення теплообмінника на пінчі можливе тільки для тих потоків, у яких потокова теплоємність, що входить у пінч потоку, не перевищує потокової теплоємності потоку, що виходить з пінча:

(9.6)

Почати розміщення теплообмінників ми повинні з розгляду можливості теплообміну для потоку, що має найбільше значення , і підібрати йому партнера з вихідних потоків. Потім перейти до розгляду потоку з наступним за величиною значенням і т. д.

Послідовне застосування викладеного методу дозволяє одержати проект теплообмінної мережі процесу (рис. 9.32).

Список літератури до глави 9

/ 1. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л.JI., Капустенко H.A., Ульев Л.М. Основы интеграции тепловых процессов. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. - 457 с.

1 Smith R/ Chemical Process Design. N.Y.: McGraw - Hill, 1995. - P. 460.

2 Товажнянский Л.Л., Капустенко H.A., Ульев Л.М. Определе­ние энергосберегающего потенциала промышленных предприятий с помощью построения составных кривых технологических потоков //Інтегровані технології та енергозбереження. - 1999. - Nol.— С. 14 - 27.