Аннотация
Киричок С. А. Эффективность использования энергии в выпарных установках. В данной статье описывается эффективность использования энергии в выпарных установках, а также подробно выделяются и рассматриваются три основных способа повышения эффективности использования энергии.
Постановка задачи
Эксплуатационные расходы выпарной установки в значительной
степени определяются потребляемой энергией.
При установившемся рабочем режиме должен существовать баланс
между энергией, поступающей в систему, и отводимой из нее.
Разумное проектирование установки позволяет привести потребление энергии в соответствие с требованиями заказчика.
Существует три основных способа экономии энергии:
- многокорпусное выпаривание;
- применение термической компрессии;
- применение механической компрессии.
Использование одного из этих способов позволяет значительно снизить потребление энергии. Часто существует возможность сочетать два таких способа для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат. В наиболее сложных выпарных установках могут применяться все три способа.
Многокорпусное выпаривание
При рассмотрении теплового баланса однокорпусной выпарной установки видно, что теплосодержание (энтальпия) вторичного пара приблизительно равно количеству теплоты, подводимой с греющей стороны теплообменника. В общем случае для испарения воды с расходом около 1 кг/ч требуется 1 кг/ч свежего пара, т.к. удельная теплота парообразования на стороне нагрева и на стороне продукта приблизительно одинакова.
Если вторичный пар, образовавшийся под действием первичного источника энергии, использовать в качестве греющего во втором корпусе аппарата, расход энергии сократится приблизительно на 50 %. Тот же принцип можно использовать в следующих корпусах и сэкономить еще больше энергии.
Рисунок 1 – Удельный расход пара в зависимости от количества корпусов установки
Максимальная температура нагрева в первом корпусе и самая низкая температура кипения в последнем корпусе образуют общую разность температур, которая распределяется по всем корпусам аппарата. Соответственно, разность температур в каждом корпусе уменьшается с увеличением числа корпусов. По этой причине греющие поверхности каждого корпуса требуется увеличить, чтобы обеспечивать требуемую производительность по выпаренной влаге при меньшей разности температур (Δt).
В первом приближении можно считать, что площадь поверхностей теплообмена во всех корпусах растет пропорционально числу корпусов. Следовательно, капитальная стоимость установки значительно увеличивается, а дополнительная экономия энергии уменьшается.
Рисунок 2 – Снижение удельного расхода греющего пара (%) и рост общей площади теплообмена ∑F с увеличением количества корпусов
Термическая компрессия вторичного пара
В аппарате с термической компрессией вторичного пара пар из камеры кипения сжимается за счет энергии свежего пара до давления, превышающего давление в нагревательной камере. Соответственно давлению повышается и температура насыщенного пара, что позволяет использовать его в качестве греющего.
Для сжатия вторичного пара в этом случае применяются паровые эжекторы. Они работают по принципу струйного насоса. В них нет движущихся частей, что исключает механический износ. Это обеспечивает максимальную техническую надежность.
Для работы термической компрессии вторичного пара требуется, так называемый, движущий пар, т.е. определенное количество свежего пара. Это количество пара оказывается избыточным и его приходится направлять в следующий корпус или в конденсатор. Энергия избыточного пара приблизительно равна общей энергии движущего пара.
Рисунок 3 – Структурная схема 3-корпусной выпарной установки с падающей пленкой жидкости и принудительной циркуляцией с термическим компрессором вторичного пара для концентрирования сточных вод от производства глютамата натрия
Механическая компрессия вторичного пара
Выпарные установки с механической компрессией вторичного пара отличаются особенно низким потреблением энергии. Если пароструйный компрессор сжимает только часть вторичного пара, то в полном тепловом насосе весь вторичный пар сжимается механическим компрессором. Количество электрической энергии, необходимой для сжатия вторичного пара до давления греющего пара, значительно меньше энтальпии вторичного пара. Принцип действия такого устройства сходен с тепловым насо- сом. Энергия конденсата пара часто используется для подогрева исходного раствора. Количество рассеиваемой теплоты при такой схеме значительно снижено, поскольку сам выпарной аппарат реутилизирует ту энергию, которая обычно отводится охлаждающей водой через конденсатор. В зависимости от рабочих условий может потребоваться добавка небольшого количества свежего пара или конденсация небольшого количества избыточного пара для поддержания теплового баланса выпарного аппарата и обеспечения стационарных рабочих условий.
В качестве машин для сжатия пара в выпарных установках используются одноступенчатые радиальные вентиляторы в силу простоты их конструкции и удобства обслуживания. Это могут быть высоконапорные вентиляторы или турбокомпрессоры.
Такие машины работают при высоких скоростях потока и обес- печивают высокие или очень объемные расходы и отношение давлений от 1:1,2 до 1:2. Нормальная частота вращения лежит в диапазоне от 3000 до 18000 об/мин. Для создания более высокого давления можно использовать многоступенчатые компрессоры.
Рисунок 4 – Структурная схема 1-корпусной выпарной установки с падающей и механической компрессией вторичного пара для концентрирования промывной воды от выработки пшеничного крахмала
Схемы потоков вещества и энергии в выпарных аппаратах с разными типами нагрева
При рассмотрении теплового баланса одно-корпусной выпарной установки видно, что теплосодержание (энтальпия) образовавшегося вторичного пара (С) приблизительно равно количеству теплоты (D), подводимой с греющей стороны теплообменника. В общем случае для испарения воды с расходом 1 кг/ч требуется 1 кг/ч острого пара, т.к. удельная теплота парообразования на стороне нагрева и на стороне продукта приблизительно одинаковы.
Рисунок 5 – Схема потоков вещества и энергии в выпарном аппарате с нагревом свежим паром
Для работы эжектора требуется, так называемый, движущий пар, т.е. определенное количество острого пара. Это количество пара оказывается избыточным для эжектора и должно направляться в следующий корпус или в конденсатор. Энергия избыточного пара приблизительно соответствует энергии движущего пара.
Рисунок 6 – Схема потоков вещества и энергии в выпарном аппарате с термокомпрессией
Выпарные установки с механическим сжатием вторичного пара отличаются особенно низким потреблением энергии. По принципу действия такие установки сходны с тепловым насосом. Почти весь вторичный пар сжимается за счет элек- троэнергии и возвращается в аппарат. Установка требует минимального расхода острого пара – как правило, только при пуске. Количество сбросной теплоты, которую требуется рассеивать, при такой схеме значительно сокращается.
Рисунок 7 – Схема потоков вещества и энергии в выпарном аппарате с механической компрессией
Выводы
В данной статье был проведен анализ эффективности использования энергии в выпарных установках и предложено использовать один из трех основных способов повышения эффективности использования энергии для выпарных установок.
Список использованной литературы
1. M. P. O’Dell, J. W. Mitchell and W. A. Beckman, Evaporator Systems with Refrigerant-Filled Collectors
Trans ASHRAE, Vol. 89, 1983, pp. 519-525.
2. B. J. Huang and J. P. Chyng, Performance Characteristic of Integral Type Heat Pump
, Vol. 71, 2001, pp. 403-414.