МИНИСТЕРСТВО ОБРАОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Республиканский конкурс научных работ студентов высших учебных заведений

Республики Беларусь

26 Физико-технические проблемы энергетики. Научные основы

энергоснабжения и эффективного использования энергии. Нетрадиционные

источники энергии

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ

ОБРАБОТКИ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПОТЕНЦИАЛА

Мясникович Виталий Владимирович, 5-й курс

Левков Кирилл Леонидович, магистрант

Романюк Владимир Никанорович,

Профессор кафедры «Промышленная теплоэнергетика и

теплотехника», доктор технических наук, профессор

Минск, 2012

1

РЕФЕРАТ

Отчет 34 с., 10 рис., 14 табл., 2 прил.

ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН, АВТОКЛАВНАЯ ОБРАБОТКА, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ,

ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ, ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, ЦИКЛЫ

Объектом исследования является линия автоклавной обработки на заводе по производству

изделий из ячеистого бетона ОАО «Минский завод силикатных изделий».

Цель работы – рассмотреть технологию производства, определить возможности повышения

энергоэффективности производства и обосновать их с точки зрения термодинамического анализа

системы.

В процессе выполнения работы применялись аналитический, энергетический и

эксергетический методы термодинамического анализа. Аналитический метод определил основные

направления внутреннего использования низкопотенциальных тепловых отходов, энергетический

позволил оценить низкую эффективность производимых мероприятий, а эксергетический расчет

дал окончательное направление в использовании низкопотенциальных выбросов – внешнее

использование с возможностью получения электроэнергии.

Расчеты одного из вариантов использования теплоты сбросного пара и конденсата на базе

органического цикла Ренкина показали, что возможно выработать 70 – 90 кВт электрической

энергии. Были определены иные способы генерации электроэнергии на базе водоаммиачных

циклов, заслуживающие высокого внимания ввиду явной перспективности циклов не только на

предприятиях производства изделий из ячеистого бетона, но и других предприятий Республики

Беларусь, характеризующимися избытком тепловой энергии, в том числе и низкопотенциальной.

Интеграция тепловых двигателей на базе паротурбинных установок позволит снизить удельные

затраты топливно-энергетических ресурсов на производстве и снизить себестоимость продукции.

2

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение.....................................................................................................................................4

2 Описание технологического процесса....................................................................................5

3 Описание конструкции и работы автоклава...........................................................................6

4 Исходные данные......................................................................................................................7

5 Режим работы автоклавов.........................................................................................................8

6 Основные конструктивные размеры автоклава....................................................................10

7 Массовый баланс воды в технологии....................................................................................11

8 Энергетический баланс...........................................................................................................11

8.1 Схемы производства........................................................................................................11

8.2 Энергобаланс автоклава..................................................................................................11

8.2.1 Определение удельной массовой изобарной теплоемкости бетона........................11

8.2.2 Потоки энергии.............................................................................................................12

8.2.3 Энергетический баланс автоклава..............................................................................13

8.3 Характеристика вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) на производстве

изделий из ячеистого бетона................................................................................................................14

8.4 Варианты регенеративного использования тепловых отходов...................................15

8.4.1 Перепуск пара...............................................................................................................15

8.4.2 Барботаж пара...............................................................................................................15

8.4.3 Нагрев воды в теплообменнике..................................................................................16

8.4.4 Процесс вакуумирования.............................................................................................17

8.5 Анализ энергетического баланса производства ячеистого бетона.............................19

9 Эксергетический баланс системы..........................................................................................20

9.1 Понятие эксергия и эксергетический анализ.................................................................20

9.2 Эксергетический баланс..................................................................................................22

9.2.1 Параметры окружающей среды..................................................................................22

9.2.2 Приходная часть...........................................................................................................22

9.2.3 Расходная часть............................................................................................................24

9.2.4 Эксергетический баланс..............................................................................................25

3

9.3 Анализ эксергетического баланса потоков энергии автоклава...................................26

10 Варианты использования низкопотенциальной теплоты....................................................27

10.1 Вариант использования низкопотенциальной теплоты на базе органического цикла

Ренкина ............................................................................................................................................27

10.2 Варианты использования низкопотенциальной теплоты на базе иных цикл............29

11 Заключение...............................................................................................................................30

12 Список используемых источников........................................................................................30

13 Приложения.............................................................................................................................31

4

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рациональное использование энергии и энергетических ресурсов

занимает одно из ведущих мест в экономической политике любой страны. Для Республики

Беларусь особенно актуален этот вопрос, так как основное энергетическое сырье приходиться

покупать. В настоящее время стоимость энергии стала одной из главных составляющих

производственных затрат и решение вопроса о рациональном использовании энергоресурсов

особенно актуально.

На большинстве белорусских предприятиях есть возможность применения современных

энергоэффективных технологий, что приведет к снижению потребления энергии и, следовательно,

к снижению стоимости выпускаемой продукции. При проведении энергетического анализа любого

предприятия не следует забывать о том, что основным является соблюдение технологии

производства.

В РБ в последнее время наблюдается интенсивное строительство жилья и других объектов.

Наиболее производимым и используемым строительным материалом в РБ является ячеистый

бетон. Весь объем производства ячеистобетонных изделий будет полностью востребован на

внутреннем строительном рынке республики.

Учитывая высокую технико-экономическую эффективность изделий из ячеистого бетона

автоклавного твердения, по сравнению с другими строительными материалами аналогичного

функционального назначения, «Основными направлениями развития материально-технической

базы строительства Республики Беларусь на период 1998-2015 г.г.» ячеистобетонные изделия

определены главным стеновым материалом и до 2015 года существующие мощности по его

производству должны быть увеличены в 2,1 раза. Согласно этому документу потребность в

изделиях из ячеистого бетона к 2015 году составят 3416 тыс. м³. Основные производители

ячеистого бетона в РБ отражены в таблице Таблица 1.1 [1].

Таблица 1.1 – Производство ячеистого бетона в РБ

 №

Основные производители Произведено продукции, тыс. м³2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

1. «ЗСК» ОАО "Забудова" 360 360,4 394,2 406,9 415,6 428,0 429,52. ОАО «Гомельстройматериалы» 300,4 313,3 355 366,5 374,2 385,5 377,83. ОАО «Гродненский КСИ» 262,6 263,4 382,5 394,9 403,2 415,3 427,04. АП «Минский КСИ» 162,1 163,2 218,2 225,2 230,0 236,9 232,25. ЗАО «Могилевский КСИ» 364,3 376,4 419,3 432,8 442,0 455,3 446,26. ОАО «Оршастройматериалы» 186,7 192,9 244,8 252,7 258,1 265,8 280,57. ОАО «Березовский КСИ» 126 131,2 267,7 276,3 282,2 290,7 284,98. ОАО «Сморгоньсиликатобетон» 194,1 326,3 392 404,7 413,2 425,6 417,19. ОАО «Любанский завод стеновых

блоков»119,3 200,6 189 195,1 199,2 205,2 221,1

ИТОГО по предприятиям РБ 1324 2076 2328 2863 2956 3018 3179

5

2 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Для производства ячеистого бетона используются в качестве сырья экологически чистые

материалы: цемент, известь, песок гипсовый камень и вода. В качестве газообразующей добавки,

позволяющей получить бетон плотностью 400-600 кг /м3, используется алюминиевая пудра. Сырье

поступает на завод автотранспортом или по железной дороге.

Технология автоклавного ячеистого бетона предполагает использование в технологии

молотых сырьевых материалов, при автоклавной обработке которых при температуре 180-190 °С и

давлении пара 12 ати образуются новые соединения. Работа завода мощностью 100 тыс. м3 в год

обеспечивается установкой трех шаровых мельниц диаметром 1,4 и длиной 5,6 м. Одна мельница

используется для совместного помола извести и песка, а две для мокрого помола песка.

В технологии ячеистого бетона большое значение для получения качественной продукции

имеет точность дозировки компонентов. В настоящее время заводами СНГ освоено производство

дозаторов и систем управления, которые обеспечивают требуемую точность дозировки и имеют

высокую надежность в работе. Эти системы строятся на использовании импортных

комплектующих и в работе не уступают зарубежным аналогам.

Составной частью технологических линий по производству изделий из ячеистых бетонов

является оборудование для формования, выдержки и разрезки изделий. Для формования массив

бетон заливается в формы обеспечивающих получение после разрезки массивы необходимой

ширины и высоты. Длина массива до 4,5 м. После набора массивом прочности, достаточной для

раскрытия формы, форма переносится кантователем на стол резательного комплекса,

поворачивается на 90º, раскрывается и массив остается на поддоне, которым является продольный

борт формы. На резательном комплексе производится разрезка массива в продольном и

поперечном направлениях, с целью получения изделий заданных размеров.

Разрезанные массивы на поддонах устанавливаются на автоклавные вагонетки и

загружаются в автоклавы.

Далее происходит цикл автоклавной обработки. Продолжительность цикла 12-16 часов.

После автоклавной обработки массивы на поддонах поступают на склад готовой продукции

для разборки, укладки на отгрузочные поддоны и отправке на склад готовой продукции.

Отходы, образующиеся при разрезке массива, собираются и перерабатываются в мешалке с

водой и насосом перекачиваются в шламбассейн отходов. Из шламбассейна отходы дозируются в

смеситель.

После запарки и съема изделий с поддона на нем остается подрезной слой. Этот отход

предварительно измельчается при прохождении поддона по конвейеру возврата, затем

перерабатывается в муку, которая используется в технологии вместо песка. На этой же линии

6

перерабатываются отбракованные изделия. Таким образом, в технологической линии

предусмотрена полная утилизация технологических отходов.

В процессе автоклавной обработки образуется конденсат а также происходит выброс пара

при снижении давления в автоклаве. Конденсат собирается в баках и используется для подогрева

воды, поступающей в парогенератор. Охлажденный конденсат используется для технологических

целей. Избыток охлажденного конденсата сбрасывается в систему ливневой канализации. Избыток

конденсата может образовываться при нарушении режима работы линии. [2]

3 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ АВТОКЛАВА

Автоклав представляет собой цилиндрический горизонтальный сварной сосуд с

открывающейся крышкой. Исходя из условий производства, автоклавы изготовляются в

проходном и тупиковом вариантах.

Тупиковый автоклав состоит из корпуса, крышки с механизмом подъема, байонетного

кольца с механизмом поворота, гидропривода, системы охлаждения, блокировочного устройства,

системы автоматического регулирования и электрооборудования.

Корпус автоклава выполнен в виде полого цилиндра, состоящего из сварных обечаек; к

крайней обечайке приварены фланцы, служащие для байонетного соединения корпуса с

быстрооткрывающейся крышкой. Для увеличения прочности цилиндрической оболочки корпуса

при вакууме 600 мм рт. ст. к наружной поверхности цилиндра приварены кольца жесткости

таврового сечения. На корпусе имеются специальные площадки для установки механизмов

подъема крышек, поворота байонетных колец, насосной и распределительной станций. К

наружной поверхности корпуса приварены фланцы и штуцера для соединения с трубопроводной и

контрольно-измерительной аппаратурой, специальные ограничивающие, направляющие упоры и

верхние части десяти опор автоклава — одной неподвижной и девяти подвижных. Нижние части

опор крепятся к фундаменту болтами, внутри корпуса вдоль его продольной оси уложен

рельсовый путь. К наружной поверхности корпуса в плоскости крепления пути приварены две

продольные балки. Такая конструкция позволяет значительно уменьшить напряжения в корпусе в

месте установки рельс.

Внутри корпуса (в верхней и нижней части) расположены также питательные трубы

паропровода, перфорированные по всей длине, что обеспечивает равномерную подачу пара в

автоклав. Автоклавы оборудованы магистралями для впуска насыщенного пара, перепуска

отработанного пара в другой автоклав, выпуска пара в атмосферу или в утилизатор и для отвода

конденсата. Для снижения потерь теплоты поверхность автоклавов и всех паропроводов

покрывают теплоизоляцией. Для компенсации температурных деформаций, возникающих во

время запаривания изделий, автоклав монтируют на фундаментных опорах, из которых передняя

неподвижная, а остальные — подвижные (роликовые).

7

Автоклавная обработка блоков из ячеистого бетона производится в автоклавах фирмы

ОАО «Уралхиммаш» диаметром 2,9 м и длиной 29 м при давлении пара 12 МПа. Особенностью

тепловой обработки в автоклавах является сохранность воды в жидкой фазе при давлении

насыщенного пара. ОНТП 09-85 рекомендует давление 12,0 МПа, которое является резервным для

увеличения производительности цеха.

4 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В автоклавном отделении устанавливаются 6 автоклавов диаметром 2,9 м длиной 29 м

поставки «Уралхиммаш». Управление подачей пара и программное обеспечение для

автоматической работы автоклавов фирмы «Masa Henke». Режим работы производства 365 дней в

году в 3 смены по 8 часов.

Параметры производимых изделий:

Удельный расход сырьевых материалов для блоков (на примере массовой марки Д500)

сведены в таблицу Таблица 4.2:

Таблица 4.2 – Расход сырьевых материалов для блоков Д500

Вещество Масса, кг Содержание веществ, %

Содержание сухих веществ,%

Портландцемент бездобавочный М500 102 13 21Известь 95 12 19Песок 300 38 60Пудра алюминиевая 0,58 0 0Вода 300 38 -

Средняя плотность изделия 500 кг/м3; размеры блоков 600×250×100..500 мм,

600×100×100..500 мм. Компоненты ячеистой бетонной смеси заливаются в форму с внутренними

размерами 6,2×0,66×1,58 м. Запарочные вагонетки – 3 шт.

Вместимость автоклава: 6 ваг×3 шт×5,4 м3 = 97,2 м3.

Подача пара на технологические нужды и сброс конденсата:

Технологическая схема представлена на рисунке Рисунок 4.1. Пароснабжение

осуществляется от действующей котельной по паропроводу диаметром 250 мм. При автоклавной

обработке пенобетонных блоков используется насыщенный пар давлением 12 бар по норме 0,15

т/м3. При проведении процесса используется способ перепуска пара при сбросе давления в

соседний автоклав, находящийся в режиме его подъема. Давление в этих автоклавах

выравнивается при 2 бар, далее пар в количестве 0,04 т/м3 барботируется в емкость конденсата.

Количество образующегося конденсата 0,13 т/м3 с температурой 95 оС, рН = 10-12.

Конденсат после автоклавов сливается самотеком в емкость, состоящую из трех отсеков

общим объемом 120 м3. В отсеках размещаются регистры, по которым циркулирует холодная

вода. Конденсат охлаждается до температуры 50 оС. Дальнейшее охлаждение конденсата может

вызвать осаждения растворенных в нем веществ на регистрах с прекращением теплообмена.

8

Вторичный пар

Барботаж пара

В канализацию и систему повторного использования воды

Теплообменник

Насос

Перепуск пара

Бетонная смесь

Блоки

Конденсатоотводчик

Нагрев сетевой воды

КА

Автоклав

Исследуемая система

Поэтому далее предполагается его естественное охлаждение в очистных сооружениях.

Охлажденный конденсат используется для приготовления песчаного шлама. Всего требуется

приготовить 80000 т сухого остатка (песка) в шламе при содержании воды 45%.

Рисунок 4.1 - Технологическая линия производства

Автоклавы относятся к взрывным объектам. Возможный вариант аварии – отрыв крышки от

автоклава. Максимальная длина его перемещения – 50 м. на этом расстоянии отсутствуют рабочие

места и оборудование. В атмосферу выделяется 2-3 тонны пара.

Потребление электроэнергии предприятием:

Установленная мощность потребителей ЭЭ 1697 кВт; расчетная мощность потребителей ЭЭ

1346 кВт; годовое потребление ЭЭ 6610 тыс. кВт·ч; удельный расход электроэнергии на единицу

выпускаемой продукции 20 кВт·ч /м3.

5 РЕЖИМ РАБОТЫ АВТОКЛАВОВ

Процесс тепловлажностной обработки состоит из ряда операций. В таблице Таблица 5.3

показаны порядок процессов и их длительность для исследуемого производства.

Таблица 5.3 – Длительность процессов в автоклаве

Процесс Длительность процесса, часов

Обозначение процесса

Загрузка изделия в автоклав 2 ЗПлавный подъем температуры (давления) от перепускаемого пара из соседнего автоклава

1 пп

Подъем температуры (давления) паром из котельной 12 бар 1 ПИзобарно-изотермическая выдержка изделий в автоклаве 6 ВПлавный сброс температуры (давления) пара в соседний автоклав 1 ППСброс температуры (давления) и удаление пара из автоклава 1 СРазгрузка автоклава 2 РИтого 14 -

9

Пар

С учетом того что режим работы производства 365 дней в году в 3 смены по 8 часов и

необходимо осуществлять перепуск пара. То есть в одно время необходимо, чтобы у одного из

автоклавов происходил подъем давления до 2 бар, а у второго сброс до этого же значения.

Получается установившейся суточный график работы автоклавов (Таблица 5.4). Здесь 1А..6А –

автоклавы с соответственными номерами, обозначения процессов соответствуют принятым

обозначениям в таблице Таблица 5.3. После выполнения 14-го часового цикла существует 2-ух

часовой простой. Это обусловлено необходимым ожиданием автоклавов для совершения

перепуска пара. Этот период времени может быть использован в технологических нуждах,

например для вакуумирования. [3, c. 37]

Таблица 5.4 – Режим работы шести автоклавов

Час

Режим работы Расход пара из котельной, т/час

1А 2А 3А 4А 5А 6А 1А 2А 3А 4А 5А 6АСредне

е

1ПП В З пп В 0 1,18 0 0 1,18 2,36

2 С В З П В 0 1,18 0 7,5 1,18 9,863 Р ПП пп З В В 0 0 0 0 1,18 1,18 2,364 Р С П З В В 0 0 7,5 0 1,18 1,18 9,865 Р В пп В ПП 0 1,18 0 1,18 0 2,366 Р В П В С 0 1,18 7,5 1,18 0 9,867 З В В В Р 0 1,18 1,18 1,18 0 3,548 З В В В Р 0 1,18 1,18 1,18 0 3,549 пп З В В ПП 0 0 1,18 1,18 0 2,3610 П З В В С 7,5 0 1,18 1,18 0 9,8611 В пп ПП В Р З 1,18 0 0 1,18 0 0 2,3612 В П С В Р З 1,18 7,5 0 1,18 0 0 9,8613 В В Р ПП пп 1,18 1,18 0 0 0 2,3614 В В Р С П 1,18 1,18 0 0 7,5 9,8615 В В Р З В 1,18 1,18 0 0 1,18 3,5416 В В Р З В 1,18 1,18 0 0 1,18 3,54

17ПП В З пп В 0 1,18 0 0 1,18 2,36

18 С В З П В 0 1,18 0 7,5 1,18 9,8619 Р ПП пп З В В 0 0 0 0 1,18 1,18 2,3620 Р С П З В В 0 0 7,5 0 1,18 1,18 9,8621 Р В пп В ПП 0 1,18 0 1,18 0 2,3622 Р В П В С 0 1,18 7,5 1,18 0 9,8623 З В В В Р 0 1,18 1,18 1,18 0 3,5424 З В В В Р 0 1,18 1,18 1,18 0 3,54

В правой части таблицы Таблица 5.4 указаны расходы пара из котельной на совершение

процесса из учета, что:

в режиме подъема температуры пар подается в количестве 1,18 т/час;

10

в режиме выдержки пар подается в количестве 7,5 т/час.

Из таблицы Таблица 5.4 видно, что полный технологический процесс длиться 16 часов и 6

устанавливаемых автоклавов выполняют 9 полных циклов в сутки.

Суточное потребление пара составляет 131,22 т/час

Суточная производительность линии составляет 97,2×9 = 875 м³.

Найдем расход пара на единицу продукции 131200/875 = 150 кг/м³, что соответствует

нормативным данным. График подачи пара из котельной представлен на рисунке Рисунок 5.2.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2402468

1012

Расход пара из котельной

Время суток, часы

Ра

схо

д п

ар

а и

з к

оте

ль

но

й,

т/ч

ас

Рисунок 5.2 – Цикл работы котельной

Максимум подачи пара составляет 9,86 т/час, а минимум 2,36 т/час. Из графика видно, что

котельная работает по повторяющимся восьмичасовому циклу.

Данные о давлении и температуре для циклов сведены в таблицу Таблица 5.5.

Таблица 5.5 – Параметры работы автоклава

Параметр Ед.изм. З пп П В ПП С Р ОПродолжительность режима час 2 1 1 6 1 1 2 2Количество часов режима в сутки час 18 9 9 54 9 9 18 18Расход пара из котельной т/ч - 0 7,5 1,18 0 0 - -Давление пара в начальный момент процесса МПа - 0,10 1,32 1,32 1,32 0,30 - -Давление пара в конечный момент процесса МПа - 0,30 1,32 1,32 0,30 0,10 - -Температура пара в начальный момент процесса оС - 178 178 118 - -Температура пара в конечный момент процесса оС - 178 118 106 - -

6 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ АВТОКЛАВА

В автоклавном отделении устанавливаются 6 автоклавов диаметром 2,9 м длиной 29 м

поставки «Уралхиммаш»:

Внутренний объем автоклава: V a=191 м3;

11

Объем, занимаемый оборудованием: V об=6,2 м3;

Свободный объем автоклава, заполненный паром: V св=88 м3;

Площадь поверхности автоклава: Fа=277 м2.

7 МАССОВЫЙ БАЛАНС ВОДЫ В ТЕХНОЛОГИИ

Для оценки эффективности процесса тепловлажностной обработки в автоклаве составляют

материальный баланс на уменьшения влагосодержания, поскольку наибольшие потери тепла

связаны с удалением влаги [3, c.135], то есть расчет массового баланса воды в технологическом

процессе позволил определить количество воды, испарившейся из сырого бетона в процессе

тепловлажностной обработки – ∆ mв=20 кг / м3.

8 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

8.1 Схемы производства

Основным документом для анализа энергопотребления той или иной технической системы,

того или иного технологического процесса был и остается энергетический баланс, дающий

картину целевого потребления энергии всех видов. На основе анализа энергобаланса производится

оценка фактического состояния и структуры энергоиспользования технической системы.

Определяются потоки рассеиваемой энергии, выявляются причины возникновения потерь энергии

и разрабатываются мероприятия по их снижению.

Энергобаланса надо базируется только на первом законе термодинамики и отражает лишь

количественную сторону энергетических превращений, протекающих в технологическом

процессе, а потому не может дать объективной и полной термодинамической оценки

преобразования энергии. По этой причине, на основе только баланса энергии, нельзя определить

пути энерготехнологического совершенствования производственных процессов. [4]

Для составления энергобаланса необходимо рассмотреть технологическую схему, которая

является типовой для производств подобного рода, рисунок Рисунок 4.1. Основное место в

технологическом процессе занимает автоклавная обработка. Она же является и наиболее

энергоемкой. Поэтому решено произвести энергетический анализ работы автоклава и устройств

утилизации низкопотенциальных потоков.

Расчет балансов энергии будем проводить на сутки.

8.2 Энергобаланс автоклава

8.2.1 Определение удельной массовой изобарной теплоемкости бетона

Рассчитаем теплоемкость бетонной смеси до и после тепловлажностной обработки (ТВО).

Удельная массовая изобарная теплоемкость смеси рассчитывается по формуле (8.1):

12

c pсм=∑ cpi ∙ g i (8.1)

Используя данные о составе бетонной смеси (Таблица 4.2) и массовые изобарные

теплоемкости компонентов [5] производим расчет теплоемкости бетонной смеси до и после

тепловлажностной обработки (Таблица 8.6).

Таблица 8.6 - Расчет теплоемкости бетона

Вещество Масса, кг Теплоемкость Cp, кДж/(кг К)

Содержание до ТВО, %

Содержание после ТВО, %

Портландцемент 102 1,13 13,0 13,0Известь 95 0,88 12,0 12,0Песок 300 2,09 37,5 39,0Вода 300/280 4,18/4,21 37,5 36,0Бетон до ТВО 797 2,61 100,0 -Бетон после ТВО 777 2,58 - 100,0

Примечание: показатели массы и удельной массовой теплоемкости для воды указаны

следующим образом: в числителе – до ТВО, в знаменателе – после ТВО.

8.2.2 Потоки энергии

Изобразим на схеме потоки энергии для термодинамической системы, включающей в себя

автоклав (Рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 - Структурная схема потоков энергии автоклава

Баланс составляем на основе закона сохранения энергии.

13

Пар из котельной:

D = 131 т/сут,

Р = 1,3 МПа, х = 0,95

Гидратация цемента: Qэ

Бетон:

77,5 т/сут,

t = 30 °C

Оборудование:

48,6 т/сут;

t = 20 °C

Сброс пара: 35 т/сут

Сброс конденсата:

114 т/сут,

t = 95 °C

Бетон:

М = 75,5 т/сут,

t = 90 °C

Оборудование:

48,6 т/сут;

t = 100 °C

Испарение воды из

бетона:

17 т/сут;

Потери в ОС

8.2.3 Энергетический баланс автоклава

Исходя из рассчитанных выше приходной и расходной частей баланса, составляем уравнение

энергетического баланса, (8.2), (8.3):

W расх=W прих (8.2)

Или, в данном случае, для автоклава справедливо равенство сумм следующих потоков:

W п+Q э+W ' б+W ' об=W ' ' б+W ' ' об+W сп+W к+Q ос+W исп (8.3)

Подставляя численные значения, получим:

969 ГДж≈ 927 ГДж

Дисбаланс составляет: 969−927=42 ГДж или 42

969≈ 4 %, что является допустимым для

подобного рода расчетов. Данная ошибка возникла из-за сложности и переменности режимов

тепловлажностной обработки в автоклаве. Также определение рядов потоков энергии и

температур является приблизительным из-за отсутствия возможности получения более точных

данных. Сведем рассчитанные данные в таблицу Таблица 8.7:

Таблица 8.7 - Энергетический баланс автоклава

Потоки энергииПриходная часть Расходная частьГДж % ГДж %

Энергия потока пара 353 36% 94 10%Энергия сбрасываемого конденсата – – 45 5%Тепловыделение бетона 6 1% – –Энергия потока бетона 552 57% 636 69%Энергия потока оборудования 59 6% 75 8%Рассеивание энергии в ОС – – 40 4%Энергия на испарение воды из бетона – – 36 4%Сумма потоков энергии 969 100% 927 100%

Изобразим круговую диаграмму распределение полученной энергии (Рисунок 8.4).

Затраты энергии на

нагрев бетона48%

Затраты энергии на нагрев оборудования

9%

Рассеивание энергии в ОС

23%

Затраты энергии на испарение воды

20%

Расходование полученной энергии

Рисунок 8.4 - Составляющие баланса энергии автоклава

14

Как видно из таблицы и диаграммы, пар отдает наибольшее количество энергии в ходе

процесса. Основные затраты идут энергии на нагрев бетона и испарение воды из него. К потерям

энергии можно отнести: рассеивание энергии в окружающую среду, энергии сбросного пара и

конденсата.

Определим энергетический коэффициент полезного действия процесса тепловлажностной

обработки в автоклаве, (8.4). Полезной эффектом будем считать нагрев бетона, оборудования и

испарение воды из бетонной смеси. К затратам отнесем энергию пара из котельной.

η=W пол

W затр

=∆ W б+∆ W об+W исп

W п

(8.4)

Таким образом, η=39 %.

8.3 Характеристика вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) на производстве изделий из ячеистого бетона

В процессе выполнения расчета получено, что в результате работы производства

наблюдается неравномерная подача греющего пара на технологию (Рисунок 5.2), а так же

образуется большое количество ВЭР (Таблица 8.7).

Для экономии первичных энергетических ресурсов необходимо всегда максимально

рационализировать использование ВЭР или проводить регенерацию в цикле.

При производстве ячеистого бетона побочным продуктом является сбрасываемый пар при

опустошении автоклава и конденсат, непрерывно сливающийся из автоклавов в процессе тепло-

влажностной обработки. Эти продукты являются тепловыми отходами или вторичными

энергоресурсами (ВЭР) – наиболее распространенный вид энергетических отходов.

Утилизация ВЭР должна проводиться практически повсеместно. В настоящий момент на

производствах привлекаются в основном высокопотенциальные (высокотемпературные) тепловые

ВЭР. Значительно меньше используется среднетемпературные энергетические отходы,

низкотемпературные применяются еще реже.

Основное оборудование для использования тепловых ВЭР – котлы-утилизаторы (КУ),

различного рода теплообменники, в том числе контактные нагреватели.

По температуре, с которой тепловые ВЭР покидают технологические агрегаты, их делят на

высоко-, средне- и низкопотенциальные.

Четкой градации ВЭР по этому признаку нет. Можно принять, что к высокопотенциальным

относятся ВЭР, температура которых превышает наименьшую температуру газов в автогенном

процессе сжигания топлива (не менее 600 °С). К низкопотенциальным принадлежат ВЭР,

представляющие собой жидкости с температурой менее 100 °С и газы с температурой ниже

15

300 °С. В этом случае среднепотенциальные ВЭР по температуре будут занимать промежуточное

положение между высоко и низкопотенциальными энергетическими отходами. [6]

Из вышесказанного и полученных результатов анализа рассматриваемой технической

системы следует, что побочные продукты производства ячеистого бетона относятся к

низкопотенциальным ВЭР, утилизация которых вызывает наибольшее трудности и обладает

наибольшими материальными затратами. Имеет место более громоздкое и дорогостоящее

оборудование. Однако эти факторы не должны препятствовать применению необходимых

энергоэффективных технологий.

В целом, основными источниками тепловых ВЭР в различных отраслях промышленности

выступают технологические агрегаты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической

стороны.

Следует отметить, что тепловая энергия отходов, выходящая из технологического агрегата и

используемая для подогрева вещественных потоков, поступающих в этот же агрегат (процессы

регенерации и рекуперации), к вторичным энергоресурсам не относятся.

В этом случае применяют тепловую энергию для подогрева стороннего объекта (например,

создания микроклимата помещений).

Так как рассматривается действующая технология, целью которой является производство

бетонных блоков необходимой прочности, то стоит обратить внимание на варианты

использования тепловых потоков с их возвращением в цикл (регенерация).

8.4 Варианты регенеративного использования тепловых отходов

8.4.1 Перепуск пара

При проведении тепловлажностной обработки используется технология перепуска пара для

снижения удельных затрат расхода пара и как следствие – экономию энергетического топлива.

После процесса изобарно-изотермической выдержки необходимо произвести плавный сброс

давления до атмосферного, с последующим удалением пара из автоклава. С использованием

технологии перепуска происходит плавный сброс давления пара с 1,3 МПа до 0,3 МПа в соседний

автоклав, где происходит повышение давления с 0,1 до 0,3 МПа.

Содержание пара в автоклаве перед перепуском при 1,3МПа составляет Dпа=5311 кг в сутки.

Количество пара оставшегося в автоклаве после перепуска при 0,3МПа Dост=1325 кг. Количество

перепускаемого пара находиться из разности Dпп=3986 кг.

Тогда отданная энергия перепускаемого пара (с учетом потерь в 5% в паропроводах) будет

равна: W пп=10,2 ГДж .

16

8.4.2 Барботаж пара

Барботаж служит для утилизации сбросного пара из технологии. На рассматриваемом

производстве пар барботируется в конденсат (Рисунок 4.1). Установка для осуществления этого

процесса представляет собой корпус автоклава, израсходовавшего свой ресурс. Она

устанавливается вне помещения и сообщена с атмосферой, то есть в установке атмосферное

давление. Произведем энергетический баланс установки с целью определения температуры

конденсата на выходе. Структурная схема потоков приведена на схеме (Рисунок 8.5).

Рисунок 8.5 - Структурная схема барботажа пара

Приходная часть баланса энергии будет складываться из потоков пара и конденсата,

выходящих из автоклава. Поэтому будем считать, что энергии этих потоков остаются

постоянными:

W к=45 ГДж

W сп=94 ГДж

В расходную часть баланса энергии будет включаться энергия потока конденсата, потери

энергии в окружающую среду, а также энергия образовавшегося пара. Последняя составляющая

возникает из-за того что конденсат обладает довольно высокой температурой 95оС и дальнейшее

повышение температуры приведет к вскипанию конденсата. Энергетический баланс процесса

барботажа представлен в таблице Таблица 8.8.

Таблица 8.8 - Энергетический баланс процесса барботажа

Потоки энергииПриходная

частьРасходная часть

ГДж % ГДж %Энергия пара 94 68% 71 51%Энергия сбрасываемого конденсата 45 32% 60 43%Рассеивание энергии в ОС – – 8 6%Сумма потоков энергии 139 100% 139 100%

Как видно из таблицы, энергия пара не используется полностью и большая ее часть

сбрасывается в атмосферу. Это обусловлено высокой температурой входящего конденсата и

ограниченностью его нагрева только на 5 °C .

17

Потери в окружающую среду

Сбросной пар: W’’сп

Конденсат: W’’к

Сбросной пар: W’сп

Конденсат: W’к

8.4.3 Нагрев воды в теплообменнике

Рассчитаем энергетический баланс работы теплообменника. Приходная часть состоит из

потока конденсата после барботажа и потока сетевой воды при температуре 10 °C . Расходную

часть составляют потери энергии в окружающую среду, энергия нагретой сетевой воды и энергия

охлажденного конденсата до 50 °C . Структурная схема потоков приведена на схеме (Рисунок 8.6).

Результаты расчета сведены в таблицу Таблица 8.9.

Рисунок 8.6 - Схема потоков энергии теплообменника

Таблица 8.9 - Энергетический баланс теплообменного устройства

Потоки энергииПриходная

частьРасходная часть

ГДж % ГДж %Энергия конденсата 59,6 94% 30 48%Энергия сетевой воды 3,6 6% 27 19%Рассеивание энергии в ОС 6 4%Сумма потоков энергии 63 100% 63 45%

8.4.4 Процесс вакуумирования

Автоклавная обработка является одной из важнейших операций технологического процесса

производства. Ее режимы напрямую влияют на качественные характеристики изделий.

Внедрение в заводских условиях процесса вакуумирования при соблюдении прочих

технологических особенностей производства дает возможность сократить цикл тепловлажностной

обработки крупных газобетонных блоков с 17—25 ч до 12— 18 ч при значительном улучшении их

качества и сокращении брака.

При разработке режимов автоклавной обработки и привязке их к конкретному

технологическому процессу необходимо учесть много факторов и особенностей того или иного

производства: качество сырьевых материалов, параметры смеси, номенклатура выпускаемой

продукции (размеры, наличие армирования, плотность ячеистого бетона), расположение

запариваемых массивов в автоклаве, условия и время выдержки перед автоклавной обработкой и

другое.

Повторимся, что автоклавная обработка принципиально разбивается на четыре этапа:

18

Сетевая вода Wсв2:

Gв = 130 кг

Конденсат W’’к:

t’’к = 50 °СКонденсат W’к

Сетевая вода Wсв1:

Gв = 130 кг

tсв1 = 10 °С

Потери в окружающую среду

1. Подготовка ячеистого бетона к подъему давления;

2. Подъем давления;

3. Изотермическая выдержка ячеистого бетона при определенной температуре и давлении;

4. Сброс давления и подготовка изделий к выгрузке из автоклава.

Первый этап может включать следующие мероприятия:

1. Продувка или предварительный подогрев изделий без давления.

2. Предварительный подогрев изделий при давлении.

3. Вакуумирование.

Целью первого этапа является оптимальная подготовка сырца и среды в автоклаве ко

второму этапу процесса – подъему давления.

Из опыта работы следует, что для изделий, внутренняя температура которых мене 80 °С,

наиболее предпочтительным из вышеуказанных мероприятий первого этапа является продувка

совместно с вакуумированием. Продувка осуществляется при открытой задвижке на сброс пара, то

есть в автоклаве не создается давление, а только повышается температура. Среду в автоклаве

разогревают до температуры 90 – 95 °С далее производится вакуумирование.

За счет снижения давления в автоклаве вода, находящаяся в материале, начинает кипеть.

Кипение воды начинается в самой теплой части массива, а именно в середине и продвигается от

внутренней области массива наружу, что приводит к полному удалению воздуха из материала.

При этом сам материал разогревается, температура по толщине массива выравнивается.

Необходимый вакуум зависит от конечной температуры массива и, как правило, составляет

0,5 бар. Максимальное разряжение достигается через 25 - 30 минут, и далее поддерживается в

течение 15 – 25 минут. Вакуумирование необходимо производить при горячем автоклаве:

температура стенки автоклава должна быть не менее 70 °С. Эту температуру всегда легко

сохранить в условиях постоянного производства. В противном случае перед началом процесса

автоклавной обработки необходимо предварительно разогреть автоклав без продукции.

Причинами плохого ваккуумирования могут быть неисправности, связанные с вакуумной

задвижкой, системой автоматического управления, а также неудовлетворительное

функционирование вакуумного насоса.

Для сокращения продолжительности снижения давления в автоклаве до атмосферного

применяют вакуумирование. После окончания процесса вакуумирования открывают крышку

автоклава и охлаждают изделия до тех пор, пока разница между температурой в автоклаве и цехе

будет составлять не более 40 °С. Пятый этап — это период охлаждения изделий со 100 °С до 18 —

20 °С. В течение этого периода, как и предыдущего, важно не допустить чрезмерных

температурных перепадов и образования трещин в изделиях. При этом давление водяного пара

19

внутри изделий начинает превышать давление в автоклаве, что способствует снижению

температуры и сушке изделий.

Исходя из вышеизложенного, делаем вывод о важности процесса вакуумирования до и после

автоклавной обработки материалов. Необходимо проводить данный процесс в каждом цикле

обработки. [3]

8.5 Анализ энергетического баланса производства ячеистого бетона

Для иллюстрации особенностей энергобаланса конкретной термодинамической системы,

повышения его наглядности используется его графическое изображение в виде полосовой

диаграммы потоков энергии - диаграммы Сэнки. Диаграмма потоков энергии для данного

производства изображена на рисунке Рисунок 8.7. На этой диаграмме потоки энергии

изображаются полосами, ширина которых пропорциональна соответствующим величинам

энергии, то есть диаграмма в отношении ширины полос имеет постоянный масштаб. Направление

потока энергии указывается стрелками. [4]

Как уже было отмечено: наиболее энергоемким процессом является автоклавизация

ячеистого бетона. По построенной диаграмме видно, что наибольшей энергией обладает поток

сырого бетона (552 ГДж), хотя очевидно, что качество этой энергии достаточно низко. В этом и

есть недостаток энергетического баланса. Таким образом для проведения более объективной

оценки необходимо произвести расчет эксергетического баланса данной термодинамической

системы.

Рисунок 8.7 - Диаграмма потоков энергии для технологии производства

Из диаграммы видно, что суммарные потери тепла в окружающую среду составляют 55 ГДж.

Также в атмосферу сбрасывается энергия пара в размере 71 ГДж. В канализацию сбрасывается

энергия конденсата 30 ГДж, эти потери можно уменьшить, обеспечив очистку конденсата. В этом

случае не будет ограничения на температуру конденсата, сбрасываемого в канализацию. На

20

W”б = 636 ГДж

W’б = 552 ГДж

Wп = 353 ГДж

W э =

6 Г

Wос = 0,5 ГДж

Wпп = 10,2 ГДж

Wос + Wисп = 40 + 36 ГДж

W’’об = 75 ГДж

W ’ об

=

59

Г

Ав

то кл ав

Перепуск пара

Wсп = 94 ГДж

Wк = 45 ГДж

Ба

рб та жWос = 8 ГДж Wос = 6 ГДж

W ’ сп

=

94

Г

W’к = 60 ГДж W’’к = 30 ГДж

W’св = 4 ГДж

W ’’с

в =

27

Сет

евой

по

дог

рева

тел

ь

тепловлажностную обработку бетона необходимо 84 + 36 = 120 ГДж. За счет нагрева

используемого оборудования, его энергия повышается на 16 ГДж.

Процесс перепуска пара дает экономию энергии порядка 10 ГДж, но увеличивает

продолжительность технологического цикла. Этот метод не приносит значительной экономии

топлива. И, при возможном применении новой технологии использования энергии сбросного пара,

от него можно отказаться.

Использование барботажа пара в конденсат позволяет утилизировать только 23 ГДж энергии

из 94 ГДж доступных. Это обусловлено тем, что температура конденсата близка к температуре его

кипения и возможно лишь не значительное повышение температуры. С учетом того, что сброс

пара происходит с большими временными паузами, то есть в один период времени конденсату

сообщается некоторое количество энергии, а в другой – наблюдается отсутствие подачи пара, то

эффективность барботажа становится еще меньше. Вероятно, есть способ более выгодного

использования сбросного пара.

Если отказаться от перепуска пара и его барботажа, то появляется постоянный расход

сбросного пара и сокращение времени технологического цикла, что приведет к увеличению

объема выпуска продукции.

Из перечисленных вариантов структурной оптимизации схемы линии автоклавной обработки

ячеистого бетона следует отметить возможность проведения вакуумирования до и после процесса,

что позволит повысить качество изготавливаемых изделий и снизить расход пара на протяжении

полного цикла обработки. Однако процесс вакуумирования происходит во время простоя

автоклава ввиду перепуска пара и, если мы откажемся от процесса перепуска пара, то производить

вакуумирование не целесообразно, так как нарушается производственный цикл линии.

Как отмечалось ранее, требуется произвести эксергетический анализ термодинамической

системы (в частности, автоклава) для реальной оценки потенциала сбросного пара и конденсата, а

также совершенствования самого процесса автоклавной обработки.

9 ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ

9.1 Понятие эксергия и эксергетический анализ

Эксергетический анализ позволяет проводить термодинамическую оптимизацию системы,

которая может заключаться:

в выборе наиболее выгодных параметров технологических потоков;

в выборе режимов работы оборудования;

в замене оборудования;

в реструктуризации системы.

21

Эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения

термодинамических процессов.

Эксергия термодинамической системы (ТС) – максимальная работа, которую система

производит при обратимом переходе в состояние полного равновесия с окружающей средой.

Эксергия тел зависит от параметров тела и от параметров окружающей среды.

Эксергия термодинамической системы имеет физическую и химическую составляющие.

Физическую эксергию тела составляют его потенциальная и кинетическая энергии с частью

внутренней энергии или, для потоков вещества, с частью энтальпии.

В ходе анализа систем преобразования энергии при расчете эксергии потока рабочего тела,

при расчете физической составляющей эксергии индивидуального вещества можно

воспользоваться соотношением (9.1):

е = (i – i0) – T0(s – s0) , (9.1)

где i, s – соответственно энтальпия и энтропия системы в данном состоянии; i0, s0 –

соответственно энтальпия и энтропия системы в состоянии равновесия с окружающей средой, то

есть при Т = Т0, р = р0; Т0, р0 – соответственно температура и давление окружающей среды.

Для определения эксергии потока теплоты q, характеризующегося постоянным

температурным уровнем Т, используется соотношение (9.2):

eq = qe, (9.2)

где e = (1 – T0/T) – эксергетическая температурная функция.

Эксергия, обусловленная взаимодействием системы с окружающей средой за счет

химического потенциала, называется химической. Различают реакционную и концентрационную

составляющую химической эксергии.

Химическая эксергия веществ определяется несколько сложнее и ее значения приводятся в

термодинамических справочниках.

Уравнение баланса эксергии термодинамической системы имеет следующий вид, (9.3):

Е’ = Е" + D, (9.3)

где Е’ – сумма всех входных потоков эксергии ТС, так называемый, эксергетический вход

системы; Е" – сумма всех выходных потоков эксергии ТС, так называемый, эксергетический

выход системы.

Потери эксергии, как и ее потоки, абсолютно аддитивны, что позволяет записать

соотношение, (9.4):

D = Di + Dе, (9.4)

где Di – внутренние потери, связанные с внутренними процессами, вызванные

необратимостью вследствие трения, смешения, тепло- и массообмена; Dе – внешние потери,

вызванные необратимостью процессов сопряжения системы и модели окружения, а также

22

наличием далее не используемых, уходящих из ТС в окружающую среду потоков вещества или

энергии, имеющих не нулевую эксергию. [4, 7, 8, 9]

9.2 Эксергетический баланс

9.2.1 Параметры окружающей среды

При проведении расчета эксергии состояние вещества сравнивается с состоянием

окружающей среды. Принимаем следующие параметры окружающей среды (воздуха):

Температура окружающей среды: t ос=20° C → T 0=293 ° K ;

Давление окружающей среды: Pос=101308 Па;

Влажность окружающей среды: φос=0,7.

Изобразим структурную схему потоков эксергии (Рисунок 9.8).

Рисунок 9.8 - Структурная схема потоков эксергии автоклава

Эксергия оборудования до тепловлажностной обработки будет равна нулю, поскольку

оборудование находится при температуре окружающей среды.

9.2.2 Приходная часть

1) эксергия потока пара

Как уже было отмечено выше расчет эксергии пара вычисляется по формуле (9.5):

Eп=Dп(iп−i0−T 0 (sп−s0 )), (9.5)

где Dп – расход пара; iп – энтальпия пара; i0 – энтальпия пара при условиях окружающей

среды, определяем по программе Aquadat; sп – энтропия пара; s0 – энтропия пара при условиях

окружающей среды, определяем по программе Aquadat;

Таким обраом, Eп=112 ГДж.

2) эксергия потока бетона

Эксергия бетона складывается из термомеханической и химической составляющих, (9.6):

E 'б=E ' бтм+Eбр+E 'бв+ Eк (9.6)

23

Пар Еп

Бетон Е’б Оборудование Е’’об

Бетон Е’’б

Сбросной пар Есп

Конденсат Ек

Потери эксергии

Термомеханическая эксергия сухого бетона, формула (9.7):

E 'бтм=(M 'бет−M '

в) ∙ Nцикл ∙¿, (9.7)

где C ' б – удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6); T б1 – температура

бетона; M ' бет – масса бетона до тепловлажностной обработки; M 'в=97,2∙ 300=29160 кг – масса

воды до тепловлажностной обработки; Nцикл=9 – количество циклов в сутки.

E 'бтм=0,2 ГДж.

Химическая эксергия состоит из реакционной и концентрационной.

Реакционная составляющая будет равна (по формуле (9.8)):

Eбр=∑ ei ∙ g i (9.8)

где, e i – химическая эксергия вещества; gi – массовая доля вещества.

Для сухой бетонной смеси имеем данные, приведенные в таблице Таблица 9.10 [7]:

Таблица 9.10 - Химическая эксергия веществ

Вещество Химическая формула ei, кДж/кг gi

Песок SiO2 0 0,6Цемент 3CaO SiO2+2CaO SiO2 2141,2 0,21Известь Ca(OH)2 1852 0,19

Так, Eбр=0,3 ГДж .

Концентрационная составляющая, формула (9.9):

Eк=∑ (i' ' ∙ g ' '− y ∙ i' ∙ g' )−T0∑ (i' ' ∙ g ' '− y ∙ i' ∙ g' ) (9.9)

где i' и i' ' – энтальпии веществ соответственно до и после тепловлажностной обработки;

g' и g' ' – концентрации веществ в бетоне соответственно до и после тепловлажностной обработки;

y – молярная доля вещества.

Очевидно, что концентрационная эксергия определяется только составом смеси. Данные для

расчета конденсационной составляющей приведены в таблице 11.

Таблица 9.11 - Данные для расчета концентрационной эксергии

 ВеществоХимическая формула

g'' g' i'' i' s'' s',Молярная

масса y

Песок SiO20,39

0,38 758,67 633,27 0,447 0,06960,1

0,29

Цемент CaO0,13

0,13 410,19 342,39 0,242 0,03756,1

0,27

Известь Ca(OH)20,12

0,12 319,44 266,64 0,188 0,02974,1

0,36

Вода H2O0,36

0,38 1526,451266,6

30,899 0,138

180,09

Так, Eк=0,5 ГДж.

Эксергия воды в бетоне определяется по формуле (9.10):

24

E 'бв=(eвт+e0) ∙ M 'в ∙ Nцикл , (9.10)

где eвт=C'в (T б1−T0 )−T 0 ∙C'

в ∙ ln(T б1

T 0) – термомеханическая эксергия воды; e0=T 0 ∙ R ∙ ln( 1

φос) –

нулевая эксергия воды. (R – газовая постоянная для воды).

Тогда E 'бв=13 ГДж.

Обобщая полученные результаты получим, E 'б=14 ГДж .

9.2.3 Расходная часть

1) Эксергия сбросного пара

Эксергия сбросного пара определяется по формуле (9.11):

Eсп=Dсп(iсп−i0−T 0 ( sсп−s0 )), (9.11)

где Dсп – расход пара; iсп=iп – энтальпия сбросного пара; i0 – энтальпия пара при условиях

окружающей среды, определяем по программе Aquadat; sсп – энтропия сбросного пара; s0 –

энтропия пара при условиях окружающей среды, определяем по программе Aquadat;

Получаем Eсп=79 ГДж.

2) Эксергия конденсата

Эксергию конденсата определяем по аналогии с эксергией воды, (9.12):

Eк=(eк+e0) ∙M к ∙N цикл, (9.12)

где eк=Cк (T б2−T 0 )−T0 ∙C к ∙ ln(T б2

T 0) – термомеханическая эксергия воды; e0 – нулевая

эксергия воды.

Так, Eк=9 ГДж.

3) Эксергия потока бетона

По аналогии с расчетом эксергии бетона для приходной части, (9.6), найдем эксергию бетона

после технологического процесса:

E ' 'б=E ' ' бтм+Eбр+E ' 'бв+Eк

Термомеханическая эксергия сухого бетона, (9.7):

E ' 'бтм=(M 'бет−M ''

в) ∙ Nцикл ∙¿,

где C ' ' б – удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6); T б2 – температура

бетона; M ' бет – масса бетона до тепловлажностной обработки; M ' 'в=97,2∙ 280=27216 кг – масса

воды после тепловлажностной обработки; Nцикл=9 – количество циклов в сутки.

E 'бтм=8 ГДж.

Химическая эксергия будет постоянной, поэтому:

Eбр=0,3 ГДж

25

Eк=0,5 ГДж

Эксергия воды в бетоне определяется по следующей формуле:

E ' 'бв=(eвт2+e0) ∙M ''в ∙ Nцикл, (9.13)

где eвт2=C ' 'в (Tб 2−T 0 )−T 0 ∙C ' '

в ∙ ln(Tб 2

T 0) – термомеханическая эксергия воды;

e0=T 0 ∙ R ∙ ln( 1φос

) – нулевая эксергия воды. (R – газовая постоянная для воды).

Таким образом E ' 'бв=12 ГДж.

Обобщая полученные результаты получим, что E ' 'б=21 ГДж.

4) Эксергия оборудования

Эксергия потока оборудования рассчитывается по формуле (9.14):

Eоб=M об ∙ Nцикл ∙¿ (9.14)

Тогда Eоб=1 ГДж

9.2.4 Эксергетический баланс

Уравнение баланса эксергии имеет следующий вид, (9.3):

Е’ = Е" + D; 126=110+D; D=16 ГДж.

Потери эксергии состоят из внешние и внутренние потери. Внешние потери связаны с

потерей тепла в окружающую среду и их можно рассчитать по (9.15):

Dос=Qос (1−T ос

T п

), (9.15)

где Qос – рассеивание энергии в окружающую среды, рассчитано при проведении

энергетического баланса; T п=450 ° K – температура потока пара.

Получим Dос=13 ГДж.

Исходя из этого можно определить внутренние потери эксергии, (9.16):

Dвн=D−Dос (9.16)

Dвн=3ГДж .

Исходя из рассчитанных данных можно рассчитать эксергетический КПД процесса.

Наиболее известное выражение для расчета эксергетического КПД имеет вид, (9.17):

е = Е”/ Е’ =1 – D/ Е’ (9.17)

Однако следует учесть сброса пара, конденсата и эксергию оборудования. В это м случае

Эксергетический КПД будет равен доле потока бетона в расходной части баланса, то есть

❑е=17 %. Величина эксергетического КПД позволяет оценить степень термодинамического

совершенства использования первичной энергии данной термодинамической системы.

26

Сведем рассчитанные данные в таблицу Таблица 9.12 и покажем процентную долю каждого

потока.

Таблица 9.12 - Эксергетический баланс автоклава

Потоки эксергииПриходная

частьРасходная часть

ГДж % ГДж %Эксергия пара 112 89% 79 63%Эксергия конденсата – – 9 7%Эксергия бетона 14 11% 21 17%Эксергия оборудования 0 0% 1 1%Потери внутренние – – 3 2%Потери внешние – – 13 10%Сумма потоков эксергии 126 100% 126 100%

9.3 Анализ эксергетического баланса потоков энергии автоклава

Для иллюстрации особенностей баланса эксергии конкретной ТС, повышения

информативности и наглядности, используется его графическое представление в виде полосовой

диаграммы потоков эксергии или диаграммы Грассмана (Рисунок 9.9). Отличие этой диаграммы

от диаграммы Сэнки в том, что в диаграмме Грассмана ширина полос должна уменьшаться или

полосы должны вовсе исчезать, что отражает закон потерь эксергии в реальной ТС. Потери

эксергии на диаграмме Грассмана изображаются в виде треугольника потерь, катет которого в

масштабе определяет соответствующие потери в том или ином элементе. Полоса,

соответствующая внешним потерям эксергии, непременно пересекает контрольную поверхность

ТС. Полоса, отображающая внутренние потери эксергии, всегда обрывается внутри контрольной

поверхности.

27

Еп = 112 ГДж

Е’б = 14 ГДж

Е’’б = 21 ГДж

Еcп = 79 ГДж

Ек = 9 ГДж

Еоб = 1 ГДж

D = 13 ГДж

Рисунок 9.9 - Диаграмма потоков эксергии для автоклава

По мере снижения температуры системы увеличивается разница между ее энергией и

эксергией. Из этого следует, что сохранение энергии при понижении температуры системы

сопровождается потерями эксергии [4]. Этот процесс и наблюдается в данном случае. Энергия

бетона намного больше его эксергии. В энергетическом балансе энергия пара меньше энергии

потока бетона, хотя пар обладает энергией более «высокого качества», что и отражает

эксергетический анализ.

Эксергия потока бетона увеличилась на 7 ГДж, при уменьшении эксергии пара на 33 ГДж.

Низкий КПД технологического процесса говорит о термодинамическом не совершенстве

технологии. Однако основным является придание бетону необходимой прочности. Данная

технология является наиболее эффективной при тепловлажностной обработке бетона. Поэтому

необходимо не изменять технологию, а выгодно утилизировать сбросной пар и конденсат.

Оптимальным вариантом использования низкопотенциальной теплоты конденсата и

сбросного пара является интеграция в систему тепловых двигателей на базе паротурбинных

установок для генерации эксергетически ценной электрической энергии.

10 ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

10.1 Вариант использования низкопотенциальной теплоты на базе органического цикла Ренкина

Рассмотрим контур низкотемпературного рабочего тела (НРТ, рисунок Рисунок 10.10).

Наибольшая ценность мероприятий по утилизации ВЭР достигается при максимальном

использовании вторичных потоков. В случае рассматриваемой схемы основным показателем

является мощность турбины, которая непосредственно влияет на эффективность утилизации ВЭР.

28

Сбросной парКонденсатОхлажденный конденсат обратно в технологию

Подогрев подпиточной воды в котельную или охлаждение в градирне

Хладагент, либо углеводороды

Рисунок 10.10 – Вариант интеграции органического цикла Ренкина в систему утилизации ВЭР

Основным было определение типа НРТ, который позволил бы добиться наибольшей

эффективности. Для каждого рабочего тела отдельно определяются его параметры во всех

характерных точках, которые непосредственно влияют на количество отобранной энергии.

Сбросной водяной конденсат охлаждается, как правило, до температуры 50 ˚С. Однако

дальнейшее охлаждение приводит к ухудшению теплообмена вследствие образования отложений

на теплопередающих поверхностях теплообменника. Разработка мероприятий для повышения

качества водяного конденсата (снижения PH и его очистка) позволят охладить конденсат до более

низкой температуры и увеличить мощность утилизационной турбины. Но все же проще

использовать сбросной конденсат для приготовления бетонной смеси. Результаты расчёта

представлены в таблице Таблица 10.13.

Таблица 10.13 - Зависимость мощности турбогенератора от типа НРТ и температуры сбрасываемого водяного конденсата (для 6 автоклавов)

Температура сбрасываемого водяного конденсата, ºСТип НРТ

Бутан Пентан R134a R1225 109,5 112,5 90 91,530 104,25 107,25 86,25 87

35 99,75 102,75 81,7583,2

540 95,25 97,5 78 79,545 90 93 74,25 75

50 85,5 87,75 70,571,2

5Как видно, углеводородные НРТ более предпочтительны по сравнению с хладоновыми.

Очевидно, что в данном случае оптимумом является краевая функция, что соответствует

минимальной температуре сбросного конденсата НРТ.

При применении пентана в качестве рабочего тела мощность турбины будет максимальной.

Давление пара перед турбиной составит 4 бара, а давление в конденсаторе 0,58 бар. То есть

конденсатор должен работать под разряжением. При применении бутана мощность турбины

снизится на 10%. Давление пара перед турбиной составит 12 бар, а давление в конденсаторе

2 бара.

Для большего производства, где задействовано большее количество автоклавов расход НРТ

также существенно изменяется. Это приводит к увеличению мощности турбины НРТ. Наиболее

экономными являются углеводороды. Бутан предпочтительнее пентана, так как он является

побочным продуктом при сливе тяжелых остатков из бытовых баллонов с пропан-бутаном на ГНС

республики и имеет низкую стоимость.

29

При применении углеводородных газов необходимо учитывать условия эксплуатации,

поскольку пентан и бутан являются взрывопожарными веществами.

Хладоны экологически и взрыво-пожаро безопасны, но очень дорогие.

При ТВО обработке ячеистого бетона применяют различные схемы. Иногда сбросной пар

могут использовать на собственные нужды, например, для подогрева воды или на отопление.

Таблица показывает, что количество пара существенно влияет на мощность турбины и поэтому

для наилучшей работы турбины НРТ желательно отказаться от использования сбрасываемого пара

на другие технологии, таблица Таблица 10.14.

Таблица 10.14 - Зависимость мощности турбины НРТ, т/ч от типа НРТ и количества сбросного пара

Сбрасываемый пар от технологии, %Тип НРТ

Бутан Пентан R134a R120 36 38 30 3025 49 50 40 4150 61 63 50 5175 74 76 61 62100 86 88 71 71

10.2 Варианты использования низкопотенциальной теплоты на базе иных цикл

В общем случае, предприятия по производству изделий из ячеистого бетона характеризуются

большим количеством сбрасываемых низкопотенциальных ВЭР. И такая же ситуация касается

иных промышленных предприятий Республики Беларусь. Полагая, что низкопотенциальные

тепловые выбросы как горячий конденсат, сбросной пар и дымовые газы, можно использовать в

циклах, которые применяются в геотермальной энергетике, то следует отметить возможность и

целесообразность интеграции этих циклов на промышленные предприятия Республики Беларусь.

На данный момент высокого внимания и дальнейшего изучения заслуживают циклы на

водоаммиачной смеси: цикл одноразовой конденсации Single flash-condensing [10], цикл Калины

[10, 11, 12], цикл Госвами [11, 12], цикл Мэлони-Робертсона [11] и их комбинации между собой, а

также органический цикл Ренкина на сверхкритических параметрах (при использовании CO2) [12].

Цикл одноразовой конденсации, практически используемый и зарекомендованный на

данный момент в геотермальной энергетике Исландии, хорошо сочетается, например, с

органическим циклом Ренкина при последовательном или параллельном включении подсистем.

Однако цикл одноразовой конденсации, возможно, требует усовершенствования процесса,

возможно интеграцией новых технических средств, в области снижения давления по

изоэнтальпии, а также рекомбинации вышеупомянутого цикла с иными реальными циклами, более

совершенными, чем органический цикл Ренкина (Приложение 1). Разделение водоаммиачной

смеси после дросселя происходит в сепараторе.

30

Цикл Мелони-Робертсона был разработан еще в 1953 году, теоретически способный

выдавать большее, по сравнению с другими, количество электроэнергии при малых размерах

испарителя. Разделение смеси также происходит в сепараторе после испарителя. Перегрев паров

аммиака происходит в перегревателе, пар отрабатывает в турбине и возвращается в цикл,

смешиваясь в абсорбере с отрегенировавшей водой из сепаратора. Цикл Мелони-Робертсона

похож на цикл одноразовой конденсации, однако в нем отсутствует дроссельный эффект;

теоретически цикл более совершенный, требуется дальнейшее, более глубокое изучение объекта.

(Приложение 2).

Наиболее совершенным вариантом является интеграция цикла Калины в схему утилизации

ВЭР. Цикл был разработан Советским ученым в конце прошлого столетия. Это цикл, работающий

на водоаммиачной смеси, уже успешно применяется в одном из городов Исландии, вырабатывая

порядка 2 МВт электрической энергии и снабжая близлежащие районы тепловой энергией. Цикл

Калины есть продолжение органического цикла Ренкина, работающего на чистом аммиаке,

полученного после испаренной в испарителе водоаммиачной смеси и разделенной в сепараторе. В

цикле разумно проведена регенерация. Так, цикл Калины, теоретически, является одним из самых

совершенных способов получения электроэнергии из низкопотенциальных выбросов и требует

максимального внимания. (Приложение 2)

Цикл Госвами также работает на водоаммиачной смеси. На данный момент имеется лишь

опытный образец установки. Цикл позволяет вырабатывать как электроэнергию, так и энергию

холода. Требуется изучение возможности интеграции этого цикла для утилизации ВЭР. Особенно

следует изучить возможность комбинирования циклов, например Калины и Госвами с целью

увеличения эффективности системы. Например, энергия холода цикла Госвами могла бы полезно

использоваться в конденсаторе цикла Калины.

11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Энергетический анализ линии автоклавной обработки производства ячеистого бетона

показал низкую энергоэффективность предлагаемых мероприятий (барботаж, перепуск пара,

вакуумирование) по внутреннему использованию низкопотенциальных тепловых выбросов

(сбросной пар, конденсат). Перечисленные мероприятия значительно увеличивают время рабочего

цикла автоклава, требует высокого уровня организации и ответственности и не дают полной

утилизации вторичных энергоресурсов.

Подтверждение малой эффективности регенеративного использования перепуска пара,

барботажа, подогрева в теплообменнике и при вакуумировании окончательно было получено

после эксергетического анализа, который отражает, что важно в теплотехнологии, качественную

характеристику энергии. Расчет показал, что энергия сбросного пара и горячего конденсата при

проводимых мероприятиях полезно почти не используется и сбрасывается в окружающую среду.

31

Это дало толчок к рассмотрению внешнего использования тепловых выбросов, в особенности, для

получения эксергетически ценных видов энергии.

Были произведены расчеты цикла с паровой турбиной на органическом теплоносителе при

различных расходах ВЭР, при различных теплоносителях и различных температура

сбрасываемого конденсата, которые дали положительные результаты в вопросе утилизации ВЭР.

Однако, следует отметить, что эти результаты не являются столь показательными, что определило

направление в изучении других способов получения электроэнергии, в особенности на базе

водоаммиачных циклов.

32

12 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Голубева Т.Г., Сажнев Н.П., Галкин С.Л. Опыт производства и применения

ячеистобетонных изделий автоклавного твердения в Республике Беларусь /

Сажнев Н.Н. Архитектура и строительство, 2008.

2. [Электронный ресурс] Режим доступа : http://www.avtoklavbeton.ru/ - Дата доступа :

20.10.2008 г.

3. Марцинкевич В.Л., Дадышко А.С. Энергосберегающие технологии производства

бетона – Мн., 2001 – 284 с.

4. Романюк В. Н., Радкевич В. Н., Ковалев Я. Н. Основы эффективного

энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли – Мн.: УП

«Технопринт», 2001.

5. Михеев М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи – М., 1973 – 320 с.

6. Вяткин М.А. Вторичные энергетические ресурсы промышленности. – М.: Всесоюз.

заоч. политех. ин-т, 1986. – 44 с.

7. Хрусталев Б.М. Техническая термодинамика: учебник. В 2 частях. Часть 2 – Мн.,

2004 – 560 с.

8. Бродянский В.М., Фраштер В., Михаленок К. Эксергетический метод и его

приложения – М., 1988 – 288 с.

9. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия – перевод с польского, М., 1978 – 279 с.

10. Pall Wladimarsson ORC and Kalina. Analysis and experience // Lecture 3 / Washington State

University, 2003.

11. N. Galanis, E. Cayer, P. Roy, E.S. Denis, M. Desilets Electricity generation from low

temperature sources // Jornal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 2, No. 2, pp. 55-67, 2009

12. Converting low- and mid- temperature heat into electrical power [Электронный ресурс]

Режим доступа :

www.eng.usf.edu/~hchen4/Thermodynamic%20Cycles%20for%20the%20Conversion Дата

доступа : 02.10.2012 г.

33

13 ПРИЛОЖЕНИЯ

34

Приложение 1

35

Приложение 2

Цикл Мэлони-

Робертсона

Цикл Госвами

36