CC BY
185
УДК 621.1.016
Р. А. Ильин
Астраханский государственный технический университет
МЕТОД АНАЛИЗА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Для оценки эффективности теплообменного оборудования (теплообменных аппаратов -ТОА) применяются различные критерии [1, 5 и др.]. В частности, в [5] приведено сорок таких критериев, что, безусловно, делает эту оценку ТОА недостаточно определенной. Наиболее часто используется критерий
2 = N / QтoА , (1)
где N - мощность нагнетателей для прокачки горячего и холодного теплоносителей, кВт; QтoА -полезная тепловая мощность теплообменного аппарата, кВт.
Очевидна полезность критики этого критерия в литературе в связи с тем, что используется отношение различных видов энергии.
Недостаток этого критерия заключается также в том, что N и QТОА несоизмеримы по величине. Покажем это на примере рекуперативных теплообменных аппаратов большой и средней мощности, используя величины N и QТОА , входящие в выражение (1).
Анализ выполнен для следующих теплообменных аппаратов различных конструкций, назначения, вида рабочих веществ и тепловой мощности (в перечне приняты следующие обозначения: ПСГ - паровой горизонтальный подогреватель сетевой воды; ПСВ - пароводяной вертикальный подогреватель сетевой воды; ПН - пароводяной подогреватель сетевой воды низкого давления; ПП - паровой подогреватель сетевой воды; ПВ - пароводяной подогреватель сетевой воды высокого давления): 1 - ПСГ-5000-2,5-8-1, 2 - ПСГ-5000-3,5-8-1, 3 - ПСГ-5000-3,5-8-11, 4 - ПСГ-2300-2-8-1, 5 - ПСГ-2300-2-8-1, 6 - ПСВ-500-14-23, 7 - ПСВ-315-3-23, 8 - ПСГ-1300-3-8-11, 9 - ПСГ-1300-3-8-1, 10 - ПСВ-500-3-23, 11 - ПСВ-315-14-23, 12 - ПСВ-200-14-23, 13 - ПСВ-200-3-23, 14 - ПСВ-200-7-15, 15 - ПСВ-200-14-23, 16 - ПСГ-1300-3-8-1, 17 - ПСВ-200-3-23, 18 - ПН-400-26-8-У, 19 - ПН-350-16-7-1, 20 - ПСВ-125-7-15, 21 - ПСВ-125-7-15, 22 -1111 1-108-7-111, 23 - ПН-400-26-7-1, 24 - М15-БР08 - пластинчатый «Альфа-Лаваль» для систем теплоснабжения, 25 - ПСВ-90-7-15, 26 - ПН-400-26-2-1У, 27 - ПП 1-108-7-1У, 28 - ПП 1-76-7-11, 29 - ТО ОПК - охладитель пресной воды, 30 - ПН-200-16-7-1, 31 - ПН-250-16-7-11св, 32 - М10-ББО, 33 - ПСВ-63-7-15, 34 - ПСВ-63-7-15, 35 - ПП 1-76-7-1У, 36 - ПП 1-53-7-11, 37 - ПР06-160-2К - пластинчатый для систем геотермального теплоснабжения, 38 - СВ-300 - пластинчатый «Альфа-Лаваль» для систем теплоснабжения, 39 - ПСВ-45-7-15, 40 - ПП 1-71-2-11, 41 - ПП 1-53-7-1У, 42 - ПН-130-16-10-11, 43 - ПП 1-32-7-11, 44 - ПП 1-50-2-11, 45 - ПВ-140, 46 - ПВ-110, 47 -ПП 1-24-7-11, 48 - ПВ-125, 49 - ПП 1-32-7-1У, 50 - СР500 - пластинчатый «Цетепак» фирмы «Цететерм» для систем теплоснабжения, 51 - ПП 1-35-2-11, 52 - ПП 1-17-7-11, 53 - ПП 1-24-7-1У, 54 - М6-МБО - пластинчатый «Альфа-Лаваль» для систем теплоснабжения, 55 - ПВ-63, 56 - ПВ-30, 57 - СВ-76, 58 - ПП 1-17-7-1У, 59 - ПП 1-21-2-11, 60 - ПП 1-9-7-11, 61 - ПП 1-16-2-11, 62 - ПН-100-16-4-Шсв, 63 - ПП 1-9-7-1У, 64 - ПП 1-11-2-11, 65 - МО-120 - маслоохладитель, 66 - СР422, 67 - ПП 1-6-2-11, 68 - СВ-51, 69 - М3-ХБО - пластинчатый «Альфа-Лаваль» для систем теплоснабжения, 70 - МО-35.
В приведенном перечне и на рис. 1 аппараты размещены в порядке убывания номинальной тепловой мощности. Рассчитанные по формуле (1) величины 2, приведены на рис. 2 в процентах. Очевидно, что при 2, < 0,1 % для большинства аппаратов этот показатель не может быть критерием их эффективности.
Рис. 1. Тепловая мощность теплообменных аппаратов мощностью от 500 кВт до 190 000 кВт;
п - номер аппарата по списку в тексте
Рис. 2. Параметр X теплообменных аппаратов
Большое значение при сравнении эффективности ТОА могут иметь и различные удельные показатели, в частности масса аппарата на 1 кВт тепловой мощности, кг/кВт:
т = Мтоа / QтoА. (2)
Для рассмотренных аппаратов этот показатель приведен на рис. 3. У большинства аппаратов удельная масса меньше 0,5 кг/кВт, что значительно меньше, чем у других теплоэнергетических устройств и установок. Величина т, таким образом, может использоваться как вспомогательная для сравнения технических и экономических показателей ТОА.
3,0
2,0
1,0
m, кг/кВт
•• •• •*••■*
» •••• • • ••• •• |, ,**•• ,**• •* • *, •*, ,* * • ,•
__I___I___I__I___I___I__I___I__I___I I___I I
0 1 5 - 10 ' 15 ' 20' 25 - 30- 351 40 ■ 45 - 50 ' 55 - 60 ■ 651 70 ■
n
0
Рис. 3. Удельная масса теплообменных аппаратов
Определенные преимущества, как более общий показатель эффективности аппаратов, имеет эксергетический КПД [1, 2 и др.] - цех. Он учитывает потери эксергии в ТОА: потери от необратимости теплообмена, обусловленные разностью температур теплоносителей; потери эксергии вследствие теплоотдачи в окружающую среду; потери эксергии вследствие гидравлических потерь при прокачивании теплоносителей. Однако последняя составляющая потерь эксергии в теплообменных аппаратах может не учитываться при определении эксергетического КПД, как можно оценить это по рис. 2. Например, для крупных теплообменников «газ-газ» -регенераторов газотурбинных установок мощностью от 2 500 до 50 000 кВт - эксергетический КПД составляет 0,80... 0,85. Для паровых котолов как теплообменных аппаратов пех < 0,5.
Более продуктивной является оценка эффективности ТОА на основе эксергетического анализа по методологии [3, 4]. При этом полезны как общий, так и частный анализы системы «Источник тепловой энергии, от которой работает ТОА, - система передачи тепловой энергии от источника к ТОА с учетом возможного включения в нее других теплоэнергетических устройств и аппаратов - непосредственно теплообменный аппарат - окружающая среда».
Автором в качестве показателя эффективности принят [3, 4] коэффициент использования располагаемой эксергии. Применительно к ТОА он равен отношению эксергии, используемой непосредственно в аппарате, к эксергии, соответствующей интервалу температур (Ти - Т0), где Ти - абсолютная температура источника теплоты; Т0 - температура окружающей среды. Теоретическую величину этого коэффициента представим в виде
hX = Т Ти • (Т1 - тГ) / [тГ • Т/ • (Ти - т )]. (3)
Здесь Т , Т - температура горячего теплоносителя на входе и на выходе ТОА соответственно.
Реальная величина коэффициента:
hX = hx • hex • Лтепл , (4)
где hex - эксергетический КПД непосредственно теплообменного аппарата [1]; ^епл - КПД аппа-
рата, учитывающий потери в окружающую среду.
На рис. 4 показан возможный диапазон изменения коэффициентов hx1 и hX для определенных условий. Он включает в себя в том числе и работу промышленных и отопительных котлов как теплообменных аппаратов, при условиях их работы, изложенных в [4].
1,0
0,8
0,2
0,4
0,6
500
6(Ю
700
800
900
Рис. 4. Коэффициент использования располагаемой эксергии в теплообменных аппаратах:
-------теоретический;----------при учете потерь эксергии при условиях: цех ■ ^тепл = 0,9 ,
Т0 = 293 К, Т1 = 373 К
При оценке эффективности теплообменных аппаратов по эксергетическим параметрам можно не учитывать затраты энергии на прокачивание теплоносителей. В качестве дополнительного параметра оценки предлагается коэффициент использования располагаемой эксергии.
1. Эксергетические расчеты технических систем / В. М. Бродянский, Г. П. Верхивкер, С. В. Дубовский и др.: Справ. пособие / ИТТФ АН Украины. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
2. Ильин А. К. Об эксергетическом показателе качества регенераторов ГТУ / Теплоэнергетика. -Владивосток: Приморское правление НТО пищепрома, 1973. - С. 53-58.
3. Ильин Р. А., Ильин А. К. Методология термодинамической оценки эффективности теплоэнергетических технологий // Энергетика России в 21 веке: развитие, функционирование, управление: Докл. Всерос. конф. - Иркутск: Ин-т систем энергетики им. Л. Мелентьева, 2005. - С. 782-794.
4. Ильин Р. А., Ильин А. К. Еще раз об эксергетической эффективности использования топливных котлов для теплоснабжения // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Технические науки. Прил. № 8. - 2006. - С. 49-51.
5. Каневец Г. Е. Обобщенные методы расчета теплообменников. - Киев: Наук. думка, 1979. - 352 с.
ANALYSIS TECHNIQUE OF EXERGY EFFICIENCY OF HEAT-CHANGING DEVICES APPLICATION
R. A. Ilyin
Characteristics of heat-changing devices with thermal capacity from 500 kW up to 150 thousand kW are generalized in the paper. The analysis technique of efficiency of these devices on the basis of operating ratio of available exergy is described there.
Выводы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Статья поступила в редакцию 25.09.2006
