РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ РЕКУПЕРАЦИИ ВТОРИЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Филонова Ирина Игоревна

аспирант, КГЭУ, г. Казань

Е-mail: filonovaii@yandex.ru.

Плотникова Людмила Валерьяновна

канд. техн. наук, доцент КГЭУ, г. Казань

THE DEVELOPMENT OF ENERGY RECOVERY SYSTEM OF SECONDARY ENERGY PULP AND PAPER INDUSTRY BASED ON STRUCTURAL AND THERMODYNAMIC ANALYSIS*

Irina Filonova

post graduate student, KGEY, Kazan

Ludmila Plotnikova

сandidate of Technical Sciences, Associate Professor of KGEY, Kazan

Работа поддерживается грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-161.2011.8.

АННОТАЦИЯ

Представлены основные положения анализа энергетической эффективности промышленных предприятий. Реализован структурно-темодинамический подход к организации системы комплексной реку­перации вторичных энергоресурсов. Для предприятий целлюлозно-бумажной промышленности описан вариант системы рекуперации на основе трансформаторов теплоты, таких как тепловые насосы.

ABSTRACT

There are represented principal propositions of analysis of energy efficiency of large industrial enterprises.It is realized systematic approach to organizing a system of integrated utilization of secondary energy resources. For pulp and paper industry it is described developed variant of the system of utilization based on heat transformers, such as heat pumps.

Ключевые слова: энергосбережение; вторичные энергетические ресурсы; термодинамика; эксергия; тепловой насос

Keywords: secondary energy resources;, energy saving; thermodynamics; exergy; heat pump

Вопрос экономии топливно-энергетических ресурсов на промыш­ленных предприятиях относится к важнейшим задачам современной техники. Развитие энергосберегающих технологий определяет главное направление научно-технического прогресса в целлюлозно-бумажной, пищевой, химической, нефтеперерабатывающей, и прочих отраслях промышленности. Предлагаемый подход к созданию промышленных энергосберегающих систем рекуперации вторичной энергии является перспективным направлением, позволяющим достичь снижения энергоемкости целевой продукции, а также повысить термодинами­ческую эффективность производства. Такие системы позволяют осуществить рекуперацию имеющейся на предприятии вторичной энергии с целью выработки энергоносителей требуемого качества, которые могут быть использованы на том же производстве.

Оценить возможность применения той или иной системы рекуперации теплоты, выявить эффективный вариант синтезируемой системы возможно на основе структурно-термодинамического анализа, позволяющего учесть сложность структуры синтезируемой системы, взаимосвязи между элементами системы, изменение параметров протекания процессов в результате модернизации схемы; выявить резервы энергосбережения, потенциал рекуперируемых потоков энергии.

Целью первого этапа анализа, а именно структурного анализа, является установление взаимозависимостей между элементами схемы с использованием теории графов, матричного анализа и определение оптимальной последовательности ее расчета [2]. При проведении структурного анализа технологическая схема производства представ­ляется в виде ориентированного графа, где вершинами являются элементы схемы, а дугами — технологические и энергетические потоки. Далее полученный граф представляется в цифровой форме. Для этого составляется матрица смежности, дающая полную информацию о том, какое количество потоков направляется в тот или иной элемент или выходит из него; здесь же показывается, какие аппараты соединены каждым из потоков. Далее в результате перемножения матрицы смежности саму на себя выявляются замкнутые последовательности элементов, определяется количество таких контуров и их состав. Полученные результаты представляются в виде матрицы циклов. Матрица циклов отображает информацию о ранге контура и частоте потока, определяет количество потоков, разрыв которых позволит провести расчет схемы. В результате структурного анализа осуществляется и синтезируется так называемая балансовая технологическая схема, в которой выделяются блоки для дальнейших расчетов, построения расчетной модели исследуемого объекта, нахождения последовательности теплового и эксергети­ческого расчета технологической схемы производства.

На следующем этапе анализа, а именно в термодинамическом анализе, используется эксергетический метод, позволяющий проанали­зировать и оценить степень термодинамического совершенства системы и определить потери от необратимости для схемы производства в целом и для каждого из ее элементов в отдельности. Особое внимание в эксергетическом методе уделено вопросам определения эксергетического КПД.

Общая форма записи эксергетического баланса для стацио­нарного процесса, имеет следующий вид [2]:

,

где — подведенная к системе эксергия;  — отведенная из системы эксергия;  — потери эксергии в системе.

Термомеханическая эксергия однородного вещества определяется по выражению:

где и — энтальпия и энтропия рабочего вещества в состоянии, определяемом температурой  и давлением  (параметрами окружающей среды); и  — энтальпия и энтропия рабочего вещества в заданном рабочем состоянии;  и — тепловой эффект и температура фазового перехода; — средняя в заданном интервале температур изобарная теплоемкость рабочего вещества;  и — соответственно температура и давление рабочего вещества; — универсальная газовая постоянная;  — молекулярная масса рабочего вещества.

Для расчета эксергии теплового потока используется выражение [1]:

,

где — средняя температура теплового потока;

— эксергетическая температурная функция.

КПД по эксергетическому балансу, в общем случае определяется отношением [1]:

,

где — отведенная из объекта эксергия;  — подведенная к объекту эксергия; — потери эксергии в объекте.

В результате реализации структурно-термодинамического анализа на примере участка производства бумаги в целлюлозно-бумажном производстве разработана система рекуперации вторичной энергии для полезного использования теплоты отработанного влажного воздуха сушильной части бумагоделательной машины. Наибольшей эксергетической мощностью на рассматриваемом участке обладает данный поток воздуха. Для рекуперации теплоты потока воздуха предложено включение теплового насоса. Схема включения следующая: холодный воздух, забираемый ранее из помещения, перед поступлением в сушильную камеру направляется в конденсатор теплового насоса, где нагревается до требуемой температуры и после этого направляется в сушильную камеру исходной бумагоделательной машины. В сушильной камере за счет тепломассообмена температура воздуха понижается, а влагосодержание увеличивается, происходит удаление влаги из продукта в соответствии с исходной технологией. Далее влажный воздух направляется в испаритель устанавливаемого теплового насоса, где охлаждается. Одновременно с процессом охлаждения происходит удаление выпавшей влаги.

В результате включения системы рекуперации коэффициент полезного использования теплоты увеличился на 15 %, коэффициент полезного использования эксергии на 5 %. Возможная экономия условного топлива за счет использования системы утилизации составила 8,5 тыс. т у. т./год.

Представленная методика может быть использована при проекти­ровании новых и усовершенствовании уже действующих теплотехно­логических схем производств целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, и пр. отраслей промышленности.

Список литературы:

1.Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Теплоэнергетические системы и энерго­балансы промышленных предприятий. М.: Издательство МЭИ, 2002. — 407 c., ил.

2.Плотникова Л.В., Петрова О.Г., Плотников В.В. Построение расчетной модели сложноструктурированной теплотехнологической схемы нефтехимического производства // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2010. № 9—10. — С. 21—27.