CC BY
65
• ФаТс1-ФаТс5, позволяющих на основании измеренных перепадов температур Д^зм и Д^зм корректировать фактические теплопотери в сетях;
• НПК1, позволяющего на основании измеренного перепада температуры воды ДСм в прямой сети определять фактические теплопотери теплосети в целом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка эффективности работы теплосетей / Б. А. Байра-шевский // Электрические станции. - 1988. - № 2.
2. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка теплопотерь и эффективности работы теплосетей / Б. А. Байрашевский // Известия НАН. Сер. ФТН. - 2004. - № 4.
3. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Анализ эффективности работы теплосетей / Б. А. Байрашевский // Известия НАН. Сер. ФТН. - 1997. - № 1.
4. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Анализ теплопотерь двухтрубного теплопровода и теплосети в целом / Б. А. Байрашевский, В. А. Седнин, С. И. Абражевич // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2001. - № 6.
5. Б о р у ш к о, Н. П. Основы расчета теплофизических характеристик традиционных теплопроводов / Н. П. Борушко // Известия НАН. Сер. ФТН. - 2004. - № 4.
6. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Факторный анализ топливоиспользования при комбинированном производстве тепло- и электроэнергии на ТЭЦ / Б. А. Байрашевский // Промышленная безопасность. - 2003. - № 11.
7. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Организация факторного анализа при сопоставлении фактических теплопотерь с нормативными / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2007. - № 2.
8. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Факторный анализ ТЭП на фоне действующих инструкций / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко // Энергетика и ТЭК. - 2008. - № 5.
Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 24.04.2009
УДК 621.1.016(075.8)
СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СУШКИ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ СУШИЛЬНОГО АГЕНТА
Кандидаты техн. наук, доценты КОЧЕТКОВ А. В., МИГУЦКИЙ Е. Г., докт. техн. наук, проф. СЕДНИН В. А.
Белорусский национальный технический университет
Технологические процессы, завершающиеся сушкой готового продукта, используют в качестве сушильного агента чаще всего воздух, подогреваемый в калориферах либо, если позволяет технологический регламент, смесь дымовых газов и воздуха. В качестве аппаратов для этих целей применяются конвективные сушилки различных типов. Нами рассматривается один из аппаратов этого типа - барабанная сушилка для сушки песка, ис-
пользуемого далее в качестве формовочного материала при изготовлении литейных форм.
Топливом для получения дымовых газов в этих сушилках является природный газ, который сжигается в топочном устройстве для получения высокотемпературного теплоносителя с дальнейшим разбавлением его воздухом до температуры сушильного агента, поступающего на процесс сушки.
Рис. 1. Принципиальная схема сушки без рециркуляции
В настоящее время режим работы барабанной сушилки непрерывный, с однократным использованием сушильного агента. На рис. 1 представлена схема такого процесса без рециркуляции сушильного агента. Топочные газы с параметрами точки К смешиваются со свежим воздухом точки А с получением сушильного агента точки N. В данной схеме отработанный сушильный агент сбрасывается дымососом в дымовую трубу. Известно [1], если влажный материал при обработке его топочными газами не ухудшает своих качественных показателей, но имеет ограничения по уровню температуры соприкасающихся с ним газов (например, кормовые травы, товарное зерно, лесоматериалы и т. п.), то для сушки используют схемы с рециркуляцией газов (рис. 2).
Рис. 2. Схема сушки с рециркуляцией сушильного агента
На схеме условно показаны две камеры смешения с тем, чтобы обозначить этапы получения сушильного агента, хотя в реальных условиях все процессы смешения проходят в одной камере. На первом этапе получают смесь (точка М), дымовых газов из камеры сгорания (точка К) и воздуха
(точка А), а на втором этапе получают сушильный агент (точка N из смеси (точкаМ) и рециркулирующего (отработанного) сушильного агента (точка С).
В Н-а?-диаграмме (рис. 3) теоретический процесс действующей сушилки изображен линией МС0, действительный процесс сушки - линией Ы\С\ (с учетом потерь теплоты в процессе сушки).
10,(5 30,9 54,2 130162 186
551
Рис. 3. Н-З-диаграмма процесса сушки для работы в режиме: без рециркуляции (процесс N1С1- Кр = 0); с максимальной рециркуляцией (процесс №3С3 - К™3*); с предельной рециркуляцией (процесс N2^02^ - 0 < Кр^ < К™3*); с рабочей рециркуляцией (процесс
^С2 - Кр = 2,4)
Исходные данные при расчете барабанной сушилки для сушки песка с рециркуляцией сушильного агента:
производительность влажность материала: начальная
конечная
начальная температура материала конечная температура материала
- 02 = 6900 кг/ч;
- < = 4,6 %;
- < = 0,5;
- ем = 7 °С;
- 9" = 104 °С;
сушильный агент (смесь дымовых газов и воздуха) - t\ = 250 °С, t2 = 150 °С; топливо - природный газ - <2р= 37366,4 кДж/м3.
Количество испаренной в сушилке влаги
W = G2= 6900• = 296,5 кг/ч.
лпп о 100 - 4,6
100-<вн
Количество влажного песка, поступающего в сушилку: 01 = в2 + Ж = 6900 + 296,5 = 7196,5 кг/ч. Количество влаги в материале до сушки
Ж ' = ^^ = 7196,5 • — = 331 кг/ч. 1 100 100
Остаточная влага в материале
Ж" = 02 ^ = 6900 • — = 34,5 кг/ч. 2100 100
Количество абсолютно сухой массы материала
Осух = ^ (1 - <) = 7196,5 • (1 - 0,046) = 6865,5 кг/ч. Время сушки
т = 120
Ррср ю;т—ю
о г-.о ср ю — ю ср ^н к
m() 200 — К —юо)
120 0,15-1560 4,6 — 0,5
= 120---= 11,75 мин,
50 200 — (4,6 — 0,5)
где m0 - напряжение объема барабана по влаге (50 кг вл./м ); в - коэффициент заполнения барабана (0,15); рср - средняя плотность песка при средней влажности;
100
Рср =Рсух-= 1520 -
100 — ю
100 = 1560 кг/м3.
ср
100 — 2,55
Расчет продуктов горения при а = 1,0 представлен в табл. 1.
Таблица 1
Объем воздуха и продуктов сгорания, м3/м3, при а = 1
VR02 V о V о КЫ20 Vr"
8,94 0,963 7,1 1,87 9,93
Принимаем коэффициент избытка воздуха при сжигании природного газа а = 1,1.
Объемы продуктов сгорания при а = 1,1:
V; 2 = ^ + (а -1,0) • 0,79 • ¥в° = 7,1 + (1,1 -1,0) • 0,79 • 8,94 = 7,8 м3/м3; V о = К о + 0,0161-(а-1,0)• V: = 1,87 + 0,0161-(1,1 -1,0)• 8,94 = 1,884м3/м3;
VRO = 0,963 м3 /м3.
Плотность р = 1,196 кг/м3.
Теоретически необходимое количество сухого воздуха
V
Ь0 = -±- = 8,94/1,196 = 7,47 м3/кг. Р
Количество атмосферного воздуха при ао = 10,6 г/кг с. в.
г0 = (1 + 0,0016^ )Ь0 = (1 + 0,0016 • 10,6) • 7,74 = 7,6 м3/кг.
Действительное количество воздуха
= аЬ'0 = 1,1 • 7,6 = 8,36 м3/кг.
Общий объем продуктов горения
Уа = Уко + КН2о + У^ = 0,963 +1,884 + 7,8 = 10,65 м3/м3.
Состав продуктов горения по компонентам:
У?о 0 963
гко = • 100 % = ---100% = 9,0%;
к°2 Уа 10,65
УН о 1 884
Г о = • 100 % = ---100 % = 17,7 %;
Н20 Уа 10,65
У' 7 8
= 100 % = —--100% = 73,3%.
V 10,65
а
Влагосодержание продуктов сгорания
, 804УН20 804 • 1,884 ат =-2-=-= 130 г/кг с. г.
пг
1,97Уко + 1,251УК 1,977 • 0,963 +1,251 • 7,
Энтальпия дымовых газов
бвЧ + Стtт + Н° + Га 37366 • 0,6 + 2,05 • 18 + -38- • 8,36
Я =-
иуд ' ' 0,861 ' =
пг 1,977Уко +1,251У^ 1,977 • 0,963 +1,251-7,8
= 1958 кДж/кг с. г.,
где Пт = 0,6 - пираметрический коэффициент; Ст = 2,05 кДж/кг - теплоемкость топлива; Н0 = 38 кДж/кг - энтальпия воздуха; ¿т = 18 °С - температура топлива; иуд = 0,861 м3/кг с. г. - удельный объем влажного воздуха при барометрическом давлении В = 99,4 кПа; Ь'а = 8,36 м3/кг - действительное
количество воздуха.
Рассчитываем начальные параметры сушильного агента для сушилки без рециркуляции. Для получения заданной температуры дымовые газы разбавляются воздухом. Определяем количество воздуха, необходимого
для смешения с дымовыми газами. Составляем тепловой баланс топки и камеры смешения
н общ Пт + ^^н в = ндг + X н в,
а а
где Нв = св^в = 1,219 кДж/кг - энтальпия воздуха при 18 °С; св = = 1,219 кДж/(кг-К) - удельная теплоемкость воздуха; Н^г - энтальпия дымовых газов на входе в сушилку при = 250 °С, определяется из Н-а?-диаграммы (83 ккал/кг с. г. = 348 кДж/кг с. г.); Нобщ - общее теплосодержание дымовых газов, разбавленных воздухом; Н' - теплосодержание воздуха при 250 °С (293,3 кДж/кг с.г.)
10,6
1000 в 1000
H общ = H пг + Н'= 1958 + 293,3 = 1961 кДж/кгс. г.
Получаем уравнение теплового баланса
1961-0,9 + 8,36 + Х • 21,95 = 348 + 293,3. 8,9 8,9
Откуда
X = 47,16 м3/кг.
Общее количество воздуха, необходимого для горения и разбавления дымовых газов, рассчитаем как сумму
L1 = L +х = 8,36 + 47,16 = 55,52 м3 /кг.
а а /v " ■ ■
Общий коэффициент избытка воздуха
L"a 55,52
а°бщ = La = W =6,6.
Найдем влагосодержание разбавленных газов
804Кг O 804 • 2 67 d =-^-=-804 2,67-= 35,9 г/м3 = 30,9 г/кг с. г.
н
1,977VRO + 1,251Vn 1,977 • 0,963 +1,251- 46,2
Для построения процесса сушки в H-d-диаграмме отмечаются точки: A - начальные параметры окружающего воздуха, идущего на процесс сушки; K - параметры продуктов сгорания; N1 - параметры сушильного агента (разбавленных дымовых газов воздухом).
Теоретический процесс сушки без рециркуляции идет при H = const (линия NiC0).
Точка N1 имеет координаты: температура t1 = 250 °C, влагосодержание dK = 30,9 г/кг с. г.
Точка С0 получена пересечением линии постоянного теплосодержания из точки N1 с изотермой t2 = 150 °C. В точке С0 влагосодержание d2 = = 72 г/кг с. г.
В этом случае расход сухих газов по массе для теоретического процесса сушки определится как
втеор _ 1000Ж _ 1000 •296,5 _ 7214 кг/ч г -72-30,9 '
Поскольку в процессе сушки энтальпия газов теряется, ее конечное
значение будет меньше, чем начальное, на величину этих потерь:
Н •
потерь ^те0р ' ^ _ вм+въ;
вм См (ем-ем),
где G2 - вес высушенного материала; см - теплоемкость материала; 9м, 9м - температуры материала на выходе и входе в сушилку. Теплоемкость материала
100-< п<
-- + 4,19—5
100 100
См _Ссух к + 4,19^_0,813кДж/(кгК).
Здесь ссух = 0,796 кДж/(кгК).
вм _ 6900 • 0,813 • (104 - 7) _ 544 • 103 кДж/ч,
в5 = 5-20 % от теплопотерь с материалом (принимаем 10 %), т. е. в5 = 54,4 • 103 кДж/ч.
Суммарные потери теплоты составят
2в _ 544• 103 + 54,4 • 103 _ 598,4 • 103 кДж/ч.
Определяем величину потерь энтальпии в процессе сушки
Н „„,ь _ж _ ^^М^ _ 82,9 кДж/кгс.г.
потерь ^ теор 7214
От точки С0 вертикально вниз откладываем отрезок, равный величине потерь, и получаем точку 0\. На пересечении прямой N^1 с изотермой ¿2 = 150 °С находим точку С1. Для нее конечное влагосодержание = = 54,2 г/кг с. г., тогда действительный расход газов будет определен следующим образом:
_ 100^_ _ ,272,5 кг/,
г - < 54,2 - 30,9
Рассчитываем теплоту, необходимую для сушки материала в{-
в _ От (Нн - Н0) - 4,19Ж9м _ 1272,5 • (272 - 21,95) --4,19 • 296,5 • 7 _ 3,17 -106 кДж/ч.
Количество теплоты, подведенное к топке:
Qт = О = 3,17 • 106 /0,9 = 3,53 -106 кДж/ч. П
Тепловая мощность топки
О 3 53 106
О = • 1000 = -—'--1000 = 981 кВт.
3600 3600
Расход топлива
а = 353406 = 105 м3/ч.
1 ен 33635
Рассчитанный расход топлива совпадает с эксплуатационными характеристиками предприятия.
Удельный расход сушильного агента, необходимого для процесса, определяется
, 1000
I =- кг/кг исп. вл.,
- <
где , - начальное и конечное влагосодержание сушильного агента. Удельный расход теплоты
д = 1Н-кДж/кг исп. вл.
¿к - ¿н
Здесь Н1, Н2 - начальное и конечное теплосодержание сушильного агента.
Удельный расход сушильного агента для сушки без рециркуляции процесса Ы1С1
1000 „„ Л ,
I =-= 42,9 кг/кг исп. вл.
54,2 - 30,9
Удельный расход теплоты на 1 кг испаренной влаги, определенный из Н-й-диаграммы (рис. 3):
АВ 49
д1 =--т =--1000 = 2558,4 ккал/кг = 10720 кДж/кг.
1 - 2 19,15
Отрезки АВ1 и 1-2 берутся из диаграммы, измеренные линейкой. Масштаб диаграммы учитывается коэффициентом т.
Эксплуатация барабанной сушилки в режиме рециркуляции требует расчета коэффициента расхода воздуха с тем, чтобы получить смесь с параметрами точки М\.
Для рециркуляции необходимо определить точку М\ с температурой в которой выполняются условия [3]:
1) количество выбрасываемых в атмосферу отработанных газов и количество поступающей вместо них смеси из камеры смешения с параметрами точки М1:
= = I000 = 9,28;
м dc -162-54,2
C2 м1 '
2) количество топочных газов с параметрами точки К, которое должно поступать в камеру смешения из топки, чтобы получилась смесь с параметрами точки М1:
- ,„ ^ = 9,28 - -92 - 3,34;
т м АК 256
3) количество наружного воздуха, поступающего в камеру смешения:
1о - |м КМ - 9,28 -164 - 5,94.
о м АК 256
При этом 1м = 1о + 1т = 3,34 + 5,94 = 9,28.
Отрезки АМ1, КМ1, АК измеряются в Я^-диаграмме.
Определим коэффициент избытка воздуха для получения сушильного агента с параметрами точки М1. Температура в точке М1 = 460 °С Используя изложенную выше методику, получим уравнение теплового баланса для режима с рециркуляцией
8 36 + х х
1961-0,9 + --21,95 = 779 + 598.
8,9 8,9
X = 15,55 м3/кг; ^ - ¿;+х = 15,55 + 8,36 = 23,91 м3/кг;
а - 296
аобщ = Ь'а~ 8,36 = 2,96.
Общий коэффициент избытка воздуха показывает, сколько свежего воздуха необходимо подать в камеру смешения, чтобы получить необходимую температуру сушильного агента на входе в сушилку с учетом коэффициента избытка воздуха, пошедшего на процесс горения. Рециркуляция сушильного агента осуществляется путем возврата части отработанного сушильного агента для перемешивания со смесью дымовых газов и воздуха.
Коэффициент рециркуляции Кр = 0, если сушилка работает без рециркуляции.
кы
Максимально возможный коэффициент рециркуляции Кр"™ --^.
Ы3С0
Величина Кр в заданных условиях сушки имеет предельное значение [2]
Откуда:
Кпр = Г0 + Сп(2 -А
Р Сп - 12 ) '
где г0 = 2256,8 кДж/кг - теплота парообразования при температуре 100 °С; сп = 1,97 кДж/(кг • К) - удельная теплоемкость водяного пара; А - величина потерянной теплоты на 1 кг испаренной влаги,
03
Ж 296.5 Предельный коэффициент рециркуляции
А = 26 = 598-103 = 2,01-103 ^
Кпр = 2256,8 +1,97-150-2010 = 2 75 р 1,97 • (250 -150) , .
Построение процесса сушки из точки М соответствует предельному коэффициенту рециркуляции.
Принимаем Кр = 2,4 < Кр1р. Используя схему движения сушильного
агента с рециркуляцией, находим конечное влагосодержание сушильного агента по формуле [4]
1000^Ссух.в + Сп ^^(Кр + Щ -12)
02 +А)тй
где ?2 = 2493 + е^2, сп = 1,97 кДж/(кг • К);
1000 • | 1,005 +1,97 •106 | • (2,4 +1)(250 -150)
й2пр =-^--+10,6 = 162 г/кг с. г.,
2 ((2493 +1,97 • 150) + 2010) • 0,48
коэффициент та = 0,48 выбирается из номограммы [2]. Таким образом, рециркуляция может осуществляться с коэффициентом Кр = 2,4 и предельным влагосодержанием = 162 г/кг с. г.
Удельный расход теплоты для варианта с максимальным коэффициентом рециркуляции определяется как отношение отрезков АВ3 и 7-8, а именно
АВ 290
о, =-— т =--1000 = 976 ккал/кг исп. вл. = 4091 кДж/кг исп. вл.
3 7 - 8 297
Потребление теплоты
Ж 296 5
63 = д — = 4091--- = 1347757 кДж/ч.
П 0.9
Расход топлива составит
„ 63 1347757 3
В3 = ^ =-= 40 м3/ч.
3 6р 33635
Аналогично производим расчет расхода топлива для работы с рабочим значением коэффициента рециркуляции - процесс К2С2. Удельный расход теплоты
АВ 104
а =-- т =--1000 = 1333 ккал/кг исп. вл. = 5587 кДж/кг исп. вл.
3 - 4 78
Потребление теплоты
Ж 296 5
0>2 = а— = 5587--— = 1840606 кДж/ч.
П 0,9
Расход топлива
„ Q2 1840606 3,
В2 = ^ =-= 54,7 м3/ч.
2 бр 33635
В Ы В О Д Ы
1. Применение рециркуляции для процесса сушки приводит к существенному снижению потребления топлива, поскольку многократно используется тепловой потенциал отработанного сушильного агента. Данная схема может быть применена в том случае, если технология позволяет использовать сушильный агент с повышенным влагосодержанием.
2. В нашем случае влагосодержание возрастает с 54,2 до 162 г/кг с. г. Однако это повышение не влияет на качество формовочного материала. Использование рециркуляции позволит снизить потребление природного газа с 105 до 54,7 м3/ч, что составляет около 48 % экономии топлива.
3. Применение рециркуляции позволяет снизить потребление свежего воздуха, в нашем случае коэффициент избытка воздуха снижается с 6,6 до 2,96, что также положительно скажется на работе вентилятора, т. е. в два раза уменьшается его производительность.
4. Применение данной схемы возможно также при условии, что тепловое напряжение топочного объема будет оставаться постоянным до и после изменения схемы. При этом очевидно, что при снижении потребления топлива необходимо уменьшать объем топочной камеры. Это позволит получать дымовые газы тех же параметров, что и в случае работы сушильной установки без рециркуляции, с параметрами точки К.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Д а н и л о в, О. Л. Экономия энергии при тепловой сушке / О. Л. Данилов, Б. И. Ле-ончик. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 136 с.
2. П р о е к т и р о в а н и е, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: учеб. пособие для вузов; под ред. А. М. Бакластова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.
3. Л е б е д е в, П. Д. Тепломассообменные, сушильные и холодильные установки: учеб. для студ. техн. вузов / П. Д. Лебедев. - М.: Энергия, 1972. - 320 с.
4. П р о м ы ш л е н н ы е тепломассообменные процессы и установки: учеб. для вузов / А. М. Бакластов [и др.]; под ред. А. М. Бакластова. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 328 с.
Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 07.07.2009
