Эксергетический анализ сушильной установки

Оценка тепловой эффективности сушильных установок по энергетическому КПД (η_эн) не может считаться достаточно полной и универсальной. Определение η_эн базируется на первом законе термодинамики, на основании которого записывается уравнение теплового баланса

, (3.4)

где Q _вх и Q _ух — количество теплоты, входящей в сушильную камеру (установку) и уходящей из нее; Q _пол и Q _пот — полезно использованная теплота и потери теплоты.

Для обратимых процессов (циклов) такая характеристика яв­ляется достаточной; однако, процесс сушки — это типичный необратимый процесс, так же как и про­цессы подготовки сушильного агента, т. е. сушильный цикл со­стоит из ряда необратимых процессов, в итоге которых энтропия системы увеличивается (Δ S > 0).

Известно, что цикл конвективной сушильной установки состоит из трех основных процессов: а) повышение внутренней энергии сушильного агента за счет передачи ему теплоты от теплоисточника (сжигаемое топливо) или теплопередатчика (например, пар в калорифере); б) процесс сушки, при котором влага, испаряющаяся из материала, поглощается отдающим теплоту сушильным аген­том; в) смешение уходящего из рабочей камеры сушильного агента с окружающей средой.

При каждом из этих процессов изменяется не только количество передаваемой или воспринимаемой энергии, но и ее качество, так как известно, что увеличение энтропии системы приводит к обесцениванию энергии и снижению ее работоспособности (т. е. к сни­жению возможности перехода в другие виды энергии). Поэтому важное значение приобретает оценка эффективности тепло- и массообменных процессов и установок на основе второго закона термодинамики; такая оценка заключается в учете необратимости этих процессов и в сравнении их с идеальным процессом (эксергетиче­ский метод).

Известно, что под эксергией E (в кДж/кг) понимается максимальное количество работы, получаемое от системы при обратимом переходе из исходного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергия является наиболее ценной частью энергии, причем в необратимых процессах количество эксергии уменьшается, т. е.

E _вх > E _ух, или E _вх = E _ух + T ₀Δ S,

где по закону Гюи-Стодола T ₀Δ S − это потери эксергии на необратимость процесса.

T ₀Δ S = Δ E (> 0).

Иначе можно записать, что затраченная эксергия

E _затр = E _пол + E _пот,

где E _пол и E _пот − полезно используемая эксергия и потери эксергии.

Отношение полезно использованной эксергии к затраченной называется коэффициентом термодинамического совершенства или эксергетическим КПД:

,

где E _пот/ E _затр — коэффициент потерь φ_экс;

. (3.5)

Следовательно, эксергетический КПД

. (3.6)

Эксергия потока (например, сушильного агента в рабочей ка­мере) определяется по выражению (в кДж/кг)

, (3.7)

где I ₁ и I ₀ — энтальпия потока и окружающей среды (или потока в состоя­нии равновесия с окружающей средой).

Наиболее полная оценка термодинамической эффективности сушильной установки может быть дана при составлении ее эксергетического баланса и совместном анализе энергетических и эксергетический показателей. Такое исследование проведено И. И. Борде применительно к распылительной сушильной установке при ис­пользовании в качестве сушильного агента смеси топочных газов с воздухом (рис).

Эксергетический баланс рассчитывается по уравнению

, (3.8)

где E _затр — приход эксергии (эксергия топлива); E _пол — полезный расход эксергии; E _{пот 1} — потери эксергии за счет необратимости процессов горе­ния E _г и смешения топочных газов с воздухом окружающей среды E _см, а также в окружающую среду через ограждения топки, камеры смешения и га­зоходов E _о.с; E _{пот 2} — потери эксергии в процессе сушки; E _{ух. г} — эксер­гия уходящих газов.

Внутренняя энергия сушильного агента увеличивается за счет сжигания например жидкого топлива. Удельная эксергия жидкого топлива (в кДж/кг топлива) по методике Ранта рассчитывается по выражению

,

где — рабочая высшая теплота сгорания топлива.

Полный приход эксергии топлива (в кДж/ч)

.

В расчете на 1 кг испаренной влаги общая затрата эксергии (в кДж/кг влаги)

.

При определении полезного расхода эксергии E _пол считаем (так же как и при определении полезного расхода теплоты на сушку), что полезной затратой эксергии является затрата непо­средственно на испарение влаги из материала при соответствую­щей температуре, испарения (для распылительной сушки темпера­тура испарения равна примерно t _м); эксергию топлива, израсходо­ванную на нагрев влаги до температуры испарения и на перегрев образующегося пара, относим к потерям; таким образом, для

Рис. 4.1. Схема распылительной сушильной установки (к эксергетическому анализу):

1 — топка; 2 — сушильная камера; 3 — циклон

процесса сушки полезной считаем только эксергию насыщенного пара, характеризующую непосредственно процесс испарения влаги (как r при расчете η_эн), т. е.

.

Потери эксергии на нагрев влаги до температуры испарения t _м и на подогрев пара рассчитываются далее.

Потери эксергии при горении топлива

.

Эксергия продуктов сгорания при теоретической температуре горения топлива:

.

Энтальпия I _п.с и I ₀ определяется по I-x -диаграмме или по известным формулам.

Соответствующая разность энтропий рассчитывается по формуле

.

Средняя теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в данном интервале температур

,

где g ₀ и c_i — массовые доли и теплоемкости отдельных компонентов продук­тов сгорания.

В расчете на 1 кг испаряющейся влаги (в кДж/кг вл.)

,

где x — влагосодержание, кг вл./кг с. г.

Потери эксергии при смешении топочных газов с воздухом окружающей среды

. (3.9)

Эксергия сушильного агента при входе в рабочую камеру (в кДж/кг вл.)

(3.10)

Энтальпия I и энтропия S определяются с учетом влажности топочных газов и воздуха окружающей среды. Потери в окружающую среду

, (3.11)

где q _{о. с} — потери теплоты через ограждения, кДж/кг вл.; T _ср — средняя температура сушильного агента на соответствующем участке установки.

Потери эксергии в процессе сушки E _{пот 2} = Т ₀Δ S _с.

В процессе сушки участвуют сушильный агент, материал и испаряющаяся из материала влага. Следовательно, по правилу аддитивности общее увеличение энтропии системы

Δ S _с = Δ S _{с. а} + Δ S _м + Δ S _вл, (3.12)

где Δ S _{с. а} и Δ S _м — изменение энтропии сушильного агента и материала; Δ S _вл — изменение энтропии влаги.

Изменение энтропии сушильного агента обусловлено протека­нием процессов тепломассообмена. В процессе теплообмена работоспособность сушильного агента расходуется на испарение из материала влаги и на компенсацию тепловых потерь сушильной камеры. В процессе массообмена пар, образующийся из влаги материала, диффундирует в окружающий газ, отчего парциальное дав­ление пара в сушильном агенте увеличивается. Это, как известно, вызывает снижение парциального давления сухого газа и обусловливает, таким образом, политропическое изменение состояния су­шильного агента в рабочей камере.

Изменение энтропии сушильного агента определяется из выражения закона сохранения и превращения энергии

dQ = dI −Vdp.

Если в него подставить значение dQ = TdS и значение дифференциала энтальпии dI = c _p dT, то

TdS = c _p dT −Vdp;

Отсюда

.

Из уравнения состояния pV = RT находим V/T = R/p.

Подставляя это выражение в уравнение для dS, получим фор­мулу для определения изменения энтропии сушильного агента

,

или в расчете на 1 кг испаренной влаги

. (3.13)

Первое слагаемое числителя учитывает уменьшение энтропии сушильного агента за счет отдачи теплоты; второе слагаемое учитывает увеличение энтропии, обусловленное массообменом, приво­дящим к политропности изменения состояния сушильного агента.

Изменение энтропии 1кг материала, загружаемого в камеру и выгружаемого из нее, определяется как разность соответствующих энтропий

. (3.14)

Увеличение энтропии всего высушиваемого материала в расчете на 1 кг испаренной влаги (в кДж/кг влаги)

, (3.15)

где g _м — масса материала, выгружаемого из камеры в течение часа, кг/ч; g _{с. а} — масса сушильного агента, подаваемого за это время в камеру, кг/ч.

При определении изменения энтропии влаги, испаряющейся из материала, Δ S _вл следует учесть, что пар этой влаги перегревается в сушильной камере и поэтому Δ S _вл определяется как разность энтропии перегретого пара S _п.п (при t ₂ и p _п2) и энтропии жидко­сти S _вл при температуре загружаемого материала (θ₁), т. е. Δ S _вл = S _п.п − S _вл.

Значения энтропии пара и воды могут быть найдены по табли­цам водяных паров. Если в процессе сушки удаляется адсорбционно связанная влага, то при расчете по известным термодинами­ческим формулам к теплоте фазового превращения следует приба­вить теплоту дегидратации.

Эксергия уходящих газов (в кДж/кг вл.)

.

Результаты расчетов отдельных членов энергетического и эксергетического балансов, произведенных И. И. Борде по приведенным формулам, даны в табл. 3.1 и 3.2.

Таблица 4.1. Тепловой (энергетический) баланс сушильной установки

Приход	кДж кг влаги	%	Расход	кДж кг влаги	%
Теплота сгорания			1. Теплота, затраченная на испарение влаги   2. Потери от химического недожога   3. Потери теплоты в окружающую среду через ограждения   4. Потери теплоты в процессе сушки на нагревание влаги на перегрев пара на нагрев материала   5. Потери теплоты с уходящими газами	73,9     216,4   108,3 147,8 285,6	1,5     4,4   2,2 3,0 5,8   33,1

Таблица 4.2. Эксергетический баланс сушильной установки[1]

Приход	кДж кг влаги	%	Расход	кДж кг влаги	%
Эксергия топлива			1. Полезный расход эксергии (эксергия насыщенного пара)   2. Потери на необратимость горения   3. Потери на необратимость смешения топочных газов с воздухом окружающей среды   4. Потери в окружающую среду через ограждения установки   5. Потери в процессе сушки   6. Эксергия уходящих газов	400,0           73,2     460,8	7,7     21,0     45,9   1,4   15,2   8,8

При расчетах были заданы следующие показатели: производительность установки U = 1000 кг вл./ч; количество подаваемой суспензии g ₁ = 1118 кг/ч; расход газов g _г = 118 кг/ч; температура сушильного агента при входе в сушильную камеру t ₁ = 400 °C; температура сушильного агента при выходе из камеры t ₂ = 120 °С; температура окружающей среды t ₀ = 15 °С; температура подавае­мой суспензии θ₁ = 10 °С; влагосодержание газов, подаваемых в камеру, x ₁ = 0,02 кг/кг; влагосодержание окружающей среды х ₀ = 0,008 кг/кг; начальная влажность суспензии W ₁ = 90 %; конечная влажность материала W ₂ = 5 %; удельная теплоемкость высушиваемого материала c = 1,8 кДж/(кг∙К); расход жидкого топлива B = 116 кг/ч.

Анализ приведенных данных показывает, что наибольшие по­тери эксергии происходят в процессе подготовки сушильного агента: 21 % работоспособности энергии теряется в процессе горения, 45,9 % — при смешении топочных газов с воздухом окружающей среды, эксергетическая ценность которой равна нулю. В калори­ферных сушильных установках наибольшие эксергетические по­тери наблюдаются в калорифере. Эти потери не учитываются в теп­ловом балансе.

Непосредственно в процессе сушки по тепловому балансу теряется 11 % энергии, а потеря эксергии составляет 15,2 %, причем величина эксергетических потерь определяется режимом сушки. Наибольшая потеря приходится на нагрев влаги материала до температуры испарения; следовательно, предварительный нагрев материала не только интенсифицирует внутренний перенос влаги, но и способствует снижению эксергетических потерь. Потери эксергии с уходящими газами составляют только 8,8 %, в то время как по тепловому балансу — 33,1 %, что обусловлено низким тепловым потенциалом уходящих газов.

Все указанное выше приводит к тому, что энергетический КПД η_эн, определенный на основании теплового баланса, составляет 50 %, а коэффициент термодинамического совершенства η_экс, оп­ределенный по эксергетическому балансу, равен только 7,7 %. Как видно, η_эн не учитывает потери на необратимость процессов тепло- и массообмена. Для уменьшения эксергетических потерь следует осуществлять процесс горения с подогревом воздуха и по возможности повышать температуру сушильного агента при входе в сушильную камеру. Это, кстати, находит отражение в эффектив­ности применения высокотемпературной сушки.

Одним из методов повышения термодинамической эффективно­сти сушильных установок является применение таких сушильных агентов, как, например, перегретый водяной пар. При этом сни­жаются потери на необратимость массообмена при сушке, который происходит между одинаковыми по природе газами (пар, образующийся из влаги материала, и сушильный агент — перегретый пар).

Контрольные вопросы

1. Перечислите виды классификаций сушилок.

2. Опишите устройство, раскройте принцип действия камерных и туннельных сушилок. Дайте их сравнительную характеристи­ку.

3. Опишите устройство, раскройте принцип действия барабанных сушилок. Перечислите области их применения. Опишите устрой­ство различных внутренних насадок барабанных сушилок.

4. Опишите устройство, раскройте принцип действия ленточных и петлевых сушилок. Дайте их сравнительную характеристику.

5. Опишите устройство, раскройте принцип действия сушилок с псевдоожиженным слоем, распылительных и пневматических сушилок. Дайте их сравнительную характеристику.

6. Опишите устройство контактных сушилок.

7. Почему прямоточные распылительные сушилки более распространены, чем противоточные? Какие способы распыления растворов существуют?

8. В чем основное преимущество использования псевдоожиженного слоя
для сушки дисперсных материалов? Каковы недостатки этого метода сушки?

9. Какие материалы наиболее рационально сушить в барабанных сушилках? В терморадиационных сушилках?

10. Какие конвективные камерные и коридорные сушилки имеют большие перспективы применения: с вынужденной или естественной циркуляцией сушильного агента?

11. Укажите, какие материалы целесообразно сушить в барабанных, пневмосушилках, сушилках с «кипящим» слоем и распылительных сушилках. Приведите сравнение этих типов сушилок.

12. Укажите достоинство и недостатки вакуумных и сублимационных сушилок.

13. Укажите область применения сушки в поле токов высокой частоты, сушки методом сублимации.

14. Какие достоинства имеет сушка жидкотекучих материалов методом распыления?

15. Обоснуйте выбор сушилки для сушки бумажного полотна.

16. Охарактеризуйте специальные виды сушки — радиационную, диэлектрическую, сублимационную. Перечислите области их применения.

17. Назовите методы интенсификации процессов сушки.

[1] Здесь не учитывается потеря энергии на необратимость внутренних процессов тепло- и массопереноса, протекающих внутри высушиваемого материала. Для конвек­тивной сушки эти потери составляют незначительную величину (от 0,5 до 1 % от за­траченной энергии). Однако при других методах энергоподвода, например, при коротко­волновом инфракрасном излучении, роль внутренних процессов в эксергетическом балансе может быть существенной.

Дата добавления: 2014-01-20