蒸发设备的热平衡计算方法及其节能途径的分析_王权

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1、1981年第三期119蒸发设备的热平衡计算方法及i其节能途径的分析动力机械工程系王权孙家庆褪典本文首先归纳目前蒸发设备热平衡计算中需要进一步探讨的问题,然后提出蒸发设备的热平衡计算方法及评价热能消耗情况的指标。在此基 础上,根据蒸发工艺及其设备特点,来论述这种设备的节能途径。一引言近年来全国正在开展企业热平衡和设备热平衡两项测试工作。设备热平衡是企业热平衡的基础,它对摸清企业用能是否合理起着关键性的作用。但是,目前蒸发设备在热平衡计算中需要进一步研究的 问题还很多。归纳起来大约有以下几点:1)、热力系统应如 何确定,2)、基准温度应如何选择;3)、输出有效热应该包括哪几项;4)、设备热能转换效

2、率是否能够超过10 0%,5)、如何评价设备的热能消除情况。本文针对上述问题,以三效蒸发为例,来讨论蒸发设备的热平衡计算方法及评价热能消耗情况的 指标。然后根据蒸发工艺及其设备的特点,对这种设备的节食琶途径进行分析。二蒸发设备的热平衡计算方法我们以并流三效蒸发设备为例,研究蒸发设备的热平衡计算方法,当效数增减时,其原则亦相同。图1为NaO H水溶液的并流加料蒸发设备流程。加热蒸汽进入第一效加热室,蒸发所得二次蒸汽送入第二效作为加热蒸汽。第二效的二次蒸汽送入第三效作为加热蒸汽。第三效(末效)的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。NaoH溶液进 入第一效蒸浓后由底部排出,再依次送入第二效和第三效继续蒸浓

3、得到完成液。本文1080年1 2月1 0日收到1功上海机械学院学报不凝性气体冷却水原料液加热蒸汽完成液I I I I I I I亚亚亚亚亚亚亚亚亚亚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 皿皿 二 ! ! ! ! ! 卫卫卫卫卫卫卫卫卫卫卫卫 , ,. . . . .丁刃刃 国国国国国图1并流加料的三效蒸发设备流程(一、确定体系画出热 平衡框图确定体系就是 明确热平 衡所 研究的对 象和范围。根 据上述三效蒸发设备流程 的特点,我们 把原料液与加热蒸汽进口和各效冷凝水出口,以及第三效二次蒸 汽和完成液的

4、出口作为本体系的边界。体系外的用以保证 第三效负压操作的真空装置和余热利用情况,在做企业热平衡时再考虑。这样划定的体系简单明确,测试和计算都较为方便。为了更准确地查明设备的输 出有效热和各项热损失,应以环境温度为基准。因为输入的加热蒸汽和原料液,在环境温度时所具有的热量是不能利用的,故这部分热量不算输入热。同理,输出有效热和各项热损失也不 包括这部分热量。这样考虑的依据是:两个物体始终在相同的温度下是不 能进行 热交换的,当然也就谈不上热交换 效率和热损失了。因此在 热平衡测试中要测定环境温度,并以此为基准 温度,按照热量 的收支情况对 上述体系画出热平衡框图,如图2所示。:1只81年第兰期冬

5、.121散热第一效冷吸不 介个_一一,毛第_效i : . - 籍7k一)第三效冷凝水 分.料液原一争一一)第三效二次蒸 汽完成液 个 加热蒸汽图2并流加料三效蒸发设备的热 平 衡框图(二)热 平衡计算设备热平衡计算,就是根据能量守恒定律具体解决被研究设备的输入热量与输出热量之I m的平衡关系。输入热量,更完善地讲,应该是 设备从外界获得热量的总和加之 设备内部的生成热(设备内无化学反应生成热时,此 项为零)而输出热量,是指设备将输入热量输送到体系外各方面去的热 量总和。输入热一:1.加热蒸汽带入的热量QJ=D(i一、)k。/1,(劝2 . .原料液带入的热量Ql =G Ct(tt一t:,)ke

6、 al/h(2夕炙U输入一 热为Q亏,“Qj+Qrke al/h咬3飞、又篇液的比热C在缺乏可靠数据时卜可按下式估算:C=C:B+CZ(一B)keal/h火4)122上海机械学院学报对于稀溶液,即 当B小于2 0%时,比热C可 近似地按下式估算:C=CZ(1一B )ke al/kg(5)输出热设备输出热分为输出有效热和各项热损失。蒸发设备 的工艺要求就是蒸发水分 达到浓缩溶液的 目的。第一、二效蒸发出的二次蒸汽分别在第二、三效中放热冷凝成为冷凝水。第三效蒸发出的二次蒸汽不再加热溶液,而被真空装置抽出本体系以外,此 时已得到完成液,达到工艺要求。显然,第一效冷凝水带出的热量 因未在二个蒸发 器中

7、发生传递,故作为损失。第二效中的冷凝水是从第一效中蒸发出来的二次蒸汽冷凝下来的。第一效的二次蒸汽在第二效中冷凝放热,使第二效中的溶 液沸 腾 汽化,产生的二次蒸汽又在第三效中冷凝放热,也使第三效中的溶液沸腾汽化,产生 的二次蒸汽被空真装置抽出本体系以外。可 见,第二、三效冷凝水带出的热量 和第三效二次蒸汽带出的热量都在第一效蒸发器中发生过传递,而且水分都是从料液中分离出来的,故 作为有效热。此外,完成液带出的热量也是完成工艺过程 的必然结果,同样也在第一效蒸发器中发生过传递,也 应视为有效热。1.输出有效热(1 )第二效冷凝水带出的热量Q:=W;C亏(02一t、)ke al/h(2)第三效冷凝

8、水带出的热量Q3=W:C亏(03一t、)keal/h(3 )第三效二次蒸汽带出的热量Q。=W:(i:一th)keal/h( 4)完成液带出的热量Q之=(G一W)Ce(t己一t、)kea/h由此得输出有效热Q;:二Q:+Q3+Q。+Q己keal/h所以,三效蒸发设备的热 能转换效率为:=佘丛鲁寄丝1 0。蛛(6)(7)(8)(9)(10)(11)198 1年第三 期123一一二卜 一_一_2.各项热损失(1.)第一效冷凝水带出的热量Q:=DC兮(e,一t、)ke al/h(1 2)(2 )损失于外界的热 量Q/(或散热)此 项主要包括蒸发设备表面 的散热损失和从设备排除或放掉蒸汽空 气乳浊物及非

9、凝结性气体所引起的热损失。对于绝热良好蒸发设备,此玩热损失为1一3%。一般根据绝 热质量的不 同可取25%。综合上述,可得热平衡方程式。Q亏r=Q:+Q3+Qq+Q己+Q、+Q尸(13)(三)缩制热 平衡表和绘 市l J k流图根据以上公式,把计算结果列入 表格,并求出各项热量与输入热量之 比,按比例绘出热流 图,力求直观形象,做到一 目了然。热平衡汇 总表所包括 的项目和热流图的 绘制方法,可 分别参照下表和 图3进行。图表中的数据是某化工厂 三效蒸发设备的热 平衡计算结果。势平拿汇总表输入热1输出热输出有效热各项热损失keal/h加热蒸汽带入的热量原料液带入的热量第二效冷凝水带串的热量第三

10、效冷凝水带出的热量_第三效二次蒸汽带出的热量完成液带出的热量第一效 冷凝水带出的热量损失于外界的热量(或散热)热能转换效率蒸发 kg水所需要的加热蒸汽量.1x10614x106少竺上兰一 l一一一,L一Op一 勺一(。/一一一7一3一5一7一一一一一j任一,二keal/h2.56x104x06.4x106.5x1 066.0 3x1 016.63.38x1069.2一一O d一仲一一一一一一了几八一。/一n.一QU一一一一一一勾洲刃曰一一减一,1一一一一一一一od一仲了一一一一几八一。/一n.一Q.一一一一一一勾幻比一一减,1一一一一一一n=74.2%D/W=4 5 8 2 0/7 4900=

11、0.60 5kg一.隐e e一以日.一 l一!一!一!一一;一.一!1 2 4上海机减学院学报二 次蒸汽带出热4 5.3多加热燕汽带入热 加. s男、亚、1 1、1 1 1蒸发器温度工五l流量工卫1 1 1图3并流加料三效蒸发设备的热流国1 ; 98蝉第三期, 1 2 5(四)分 析热平衡结 果根据 热平衡汇总表和热明,分析设备的热能 转换效率、,单耗和各项热损失,找出提高热能转 换效率 降低单耗和各项热损失的途径,把节能工作 落实到 实处。三评价蒸发 设备热能消耗情况的指标 首先应该指出,把多效蒸发1到n一1效的二次蒸汽都看作设备的有效热,依此而得出设备的热能转换效率大子r0 0 %的提法和

12、结论是不够确切的。其原因有二:一一1 .二热能转换效率大于1 0。%是违背热力学 第二定律的。1岁前一 效的止次蒸汽作为下一效的加热蒸汽使用,是属于系统内部的热女换过程。而热能转 换效率又是描述整个设备输入热转换 成有效热 的程度,所以在计算效率时,系统内部的热 交换不必考虑。、但是,实际上多效蒸发确实比单效蒸发节省热能,而设备的热能转换效率又不比单 效高,这又如何理解呢?我 们可以拟定多效蒸发 设备 的末效蒸发室和单效蒸发 设备的 蒸发室具有相同 的真空度,并且用同一参数的加热 蒸汽加热 同样的溶液。由于多效蒸发各效 温差损失之和比单炸蒸发的温差损 失大,则有 效温差 就比单效小。因此,在相

13、同的操作条件下,多效蒸发 的生产 能力就低于单 效。从设备热能 转换效率的角度来分析,单效蒸发出的水分是全部以汽态 排出体系作为设备的有效热,它还具有大量 的热 能 没有被重复利用。而多效 蒸发从1到n一1效蒸发出 的水分是以液态 排出体系作为设 备的有效热,它 具有较少的热能。只有第n效 蒸发出的水分是以汽态排 出的,但它只占总蒸发 水量的告左 右。因此,在 同样 的操作条件下,并假 设生产能 力相同,多效蒸发排出体系的有效 热就小于单效蒸发 排出体系 的有效热。显然,这是因为多效蒸发在系统内部重 复利用了1到n一1效二次蒸汽的汽化潜热,才使排出体系 的有效热减少。正 因如 此,也就减少 了

14、加 热蒸汽的消耗量,提高了加热蒸汽的经 济性。但是,因为有效热和加热 蒸汽同时减少,而且多效蒸发比单效蒸发又多n一1个蒸发器,致使散热损失大于单效。所以多效蒸发设备的热能转换 效率并不比单效高。由此可见,对于蒸发设备,只用设备热 能转换效 率来评价热 能消耗 情况是很片面 的。它只表示设备输入热转换成有效热 的程 度,而没有反映系统内部热量的重 复利用。为了全面评价蒸发设备的热 能消耗情况,还必须考虑加热 蒸汽的经济性,即单位重量加热蒸汽所能蒸发的溶 剂(水,量誉。这 一指标 表明了加热 蒸 汽 的 利用程度,通 常 也 叫 力。热蒸汽 不 。用率。因为多效蒸发设备在系 统 内部都 重复利用了

15、二次蒸汽,所以加热蒸汽利用率大于1。但绝不能 说设备的热 能转换 效率大于1。设备的热 能转换效率和加热蒸汽的利用率是两个不 同的概 念,它从两个不 同的侧面反映了蒸发设备的热能利用情况。加热蒸汽利用率 的倒数,即D_.,曰二一。_一.,、,、。_,、_.,二_、希叫做单耗,它表示蒸发I kg溶剂(水)所需要的加热蒸汽量。 W一”叭,目“浙从“。T T了, “ “J、/四苏F沙j JH几;掀“。1 2 6上海机械学院学报四蒸发设备的节能途径(一)额外蒸汽的引出 在多效蒸发设备中,有时并不完全将某效产岌的二次蒸汽引到次一效加热,而可 引出一部分用以予热 进入蒸发设备的原料液,或用以加热与蒸发设备毫无关系 的其它 设备。这种由某效所引出的,不通入次一效而用于别处的二次蒸汽,称为额外蒸汽,用符号E表示。为了便于 分析引出额外蒸汽的好处,我们略去不同压力下汽化潜热的差别、自蒸发的影响和热损失等次要因素。并按沸点进料考虑,则可推得有额外蒸汽引出时,加热蒸汽消耗量的计算公式为一Wn一l。二n一1 月1=十一乃1十二十nnn。二1。 乃1十.十灿n一1(14)显然,若无额外蒸汽引出,则上式中E;=E:二 一E卜:=0。所以,无额外蒸汽 引 出时的加热蒸汽消耗量为(15w一n 一一D比较公式(14 )和(15 ),可以看出:有额外蒸汽引出时加热蒸汽消耗量D,虽然大于无额外蒸汽引出时的Dl。,但所