化工節(jié)能技術(shù)汪莉第四章能量傳遞過(guò)程的節(jié)能

目錄傳熱節(jié)能的理論基礎(chǔ)傳熱方程與傳熱節(jié)能傳熱效率與傳熱單元及其合理選取蒸發(fā)操作的節(jié)能各種干燥裝置目錄蒸發(fā)操作的節(jié)能蒸發(fā)過(guò)程的熱力學(xué)分析傳熱過(guò)程的節(jié)能干燥過(guò)程的節(jié)能干燥介質(zhì)對(duì)干燥過(guò)程的影響正確選擇影響干燥過(guò)程的因素第一節(jié)傳熱過(guò)程的節(jié)能化工生產(chǎn)中傳熱的目的在于：控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程在一定的溫度下進(jìn)行；加熱與冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度；換熱，以回收利用熱量；保溫，以減少熱損失。一、傳熱節(jié)能的理論基礎(chǔ)有效能的利用與損耗是評(píng)價(jià)換熱過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。對(duì)于穩(wěn)定傳熱過(guò)程，傳熱速率為Q，則高溫流體的有效能：低溫流體的有效能：6傳熱過(guò)程的有效能損失為：傳熱過(guò)程的有效能效率：可見(jiàn)：有效能能損失愈大，有效能效率愈小，能量的降級(jí)愈大。例如熱流體3000C，冷流體2700C（自2500C預(yù)熱至2900C）的油品，環(huán)境溫度250C，有效能損失5.6%，有效能效率94.4%；當(dāng)冷流體為250C的空氣時(shí)，有效能損失93.2%，有效能效率僅6.8%；7傳熱過(guò)程的溫差愈大，有效能損失愈大。因此，對(duì)于增大溫差提高傳熱速率的設(shè)備，存在節(jié)能潛力；有效能損失與熱力學(xué)溫度成反比，對(duì)于深冷工程尤為重要；若Tl=T0，因?yàn)镼與（Th-T0）成正比，因此有效能損失與(Th-T0)2/Th成正比，反映了保溫工作的重要性；減小傳熱溫差，會(huì)降低傳熱速率，就必須提高K。8換熱器的熱能圖TQabcd0T0/T熱有效能圖根據(jù)此原理，任意換熱過(guò)程均可表示在圖上，有效能和有效能損失一目了然。94、換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益（1）換熱過(guò)程中不同熱載體溫度的有效能損失有效能損失是衡量換熱器節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)之一。對(duì)給定的換熱器，傳熱面積一定，為滿(mǎn)足一定工藝熱負(fù)荷要求，所需傳熱溫差為：10對(duì)逆流換熱器：對(duì)所需的傳熱溫差，各溫度可相互推算，不同的熱載體溫度（T1、T2），有效能損失不同。因此，生產(chǎn)上既要滿(mǎn)足工藝要求，又應(yīng)使有效能損失最小。如一工藝物料，從00C預(yù)熱至1000C，維持傳熱溫差50K，不同溫度熱載體有效能損失如下表：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益11熱流量（相對(duì)值）有效能損失(相對(duì)值)010020020500.560.135010017531500.690.126010015050501.000.125010012588502.700.1420100120100505.000.15換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益可見(jiàn)：選用1500C---500C的載熱體最節(jié)能，因?yàn)閭鳠徇^(guò)程的有效能損失最小。12經(jīng)濟(jì)排熱溫度：對(duì)于溫度為T(mén)1的熱流體，在換熱過(guò)程中存在著最經(jīng)濟(jì)的排出溫度T2。熱流體可提供的熱量（可回收的熱量）:若用平均溫度計(jì)算有效能，則：（2）換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益QTT1T2t1t2△△逆流換熱器假設(shè)傳熱溫差為△，則流體的平均溫度：13則有效能的計(jì)算可寫(xiě)成：?jiǎn)挝粺崛萘苛髀实挠行転椋簡(jiǎn)挝粺崛萘苛髀实膫鳠崦娣e為：假設(shè)余熱回收中有效能的單價(jià)為k1，設(shè)備折舊費(fèi)單價(jià)為k2，則該換熱器的凈收益為：14上式對(duì)T2求偏導(dǎo)：整理得：令，得最適宜的排放溫度：表明：當(dāng)能量費(fèi)用k1愈大，設(shè)備折舊費(fèi)用k2愈小時(shí)，則排放溫度T2愈低。故排放溫度，應(yīng)根據(jù)具體情況綜合予以考慮15（3）換熱器的經(jīng)濟(jì)衡算：化工生產(chǎn)中，工藝預(yù)熱的回收是眾所周知的問(wèn)題。如下圖所示：12W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過(guò)程換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益流率為W的冷流體從溫度t1預(yù)熱到t2，如果僅用換熱器2，全部用新鮮蒸汽加熱，換熱量為：所需蒸汽的費(fèi)用：Sh—新鮮高壓蒸汽的價(jià)格，元/千焦；θ—換熱器全年工作時(shí)間，小時(shí)。16所需傳熱面積：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益換熱器的設(shè)備投資折舊費(fèi)用為：Sf—換熱設(shè)備投資費(fèi)用單價(jià)，元/米2·年。總成本：17若采用余熱回收聯(lián)合方案時(shí)，系統(tǒng)中增加了一臺(tái)換熱器，換熱器1、2間的溫度為t，而t的選取將直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。12W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過(guò)程換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益18當(dāng)采用聯(lián)合方案時(shí)，對(duì)于換熱器1，余熱的費(fèi)用為：式中：

Sl—廢熱（設(shè)為恒溫）的單價(jià)，元/千焦。換熱器1設(shè)備折舊費(fèi)為：換熱器的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益則第一臺(tái)換熱器的成本為：19對(duì)于第二臺(tái)換熱器，其蒸汽費(fèi)用為：換熱器投資的折舊費(fèi)用為：第二臺(tái)換熱器的成本為：20聯(lián)合系統(tǒng)的總成本：為了獲得最經(jīng)濟(jì)的溫度t，C對(duì)t求導(dǎo)：當(dāng)dC/dt=0時(shí)，系統(tǒng)的總成本最低，則由此式可求出最適宜溫度t

，一般在t1

與t2

之間。若t接近t1

，余熱回收的意義不大；若t接近t2

，用新鮮蒸汽就顯得有些浪費(fèi)。21例：某工藝緊物料，絡(luò)需從340K預(yù)熱到395胡K，全年敞工作時(shí)漁間為8000小時(shí)/年，換熱器嗽的傳熱系螞數(shù)均為0.3霞kW/漲(m2·K)。設(shè)備恒折舊費(fèi)財(cái)為Sf=500元/（m2·年），高壓蒸境汽溫度440朗K，其費(fèi)用臉為Sh’=5孫0元/噸蒸汽。相現(xiàn)有溫度纏為380桌K的余熱簽蒸汽可貪利用，浮此蒸汽繩的費(fèi)用端為Sl’=8元/噸蒸汽。若該兼工藝物氏料生蒸欲汽加熱齊改造成屯為由廢踏蒸汽、區(qū)生蒸汽甲聯(lián)合加叛熱方案辰，比較此截兩種方鍛案的經(jīng)寫(xiě)濟(jì)性。2212W、t1、CPtt2TL、工藝余熱Th、新鮮高壓蒸汽廢熱回收利用換熱過(guò)程解：系統(tǒng)圖示如下則：23工藝物溜料僅用兩新鮮蒸爛汽加熱茫方案：消耗蒸汽畝費(fèi)用、設(shè)備折勿舊費(fèi)用料、傳熱面典積、總街成本：2.新鮮蒸汽箱與廢蒸汽憑聯(lián)合加熱其方案：先應(yīng)求淚出最經(jīng)并濟(jì)的中伍間溫度t。24解得：t=怕37酷7.3敵5K。第一臺(tái)奏換熱器民：第二臺(tái)諸換熱器怨：25聯(lián)合總成本：聯(lián)合方案所需費(fèi)用同原方案相比較為：26二、傳熱螞方程與傳娃熱節(jié)能穩(wěn)定傳陡熱過(guò)程,傳熱基本木方程：可見(jiàn)要閣提高傳惱熱速率株：提高傳輸熱系數(shù)K；增大換熱趕面積A；增大傳狠熱平均蠅溫差。1、提高傳董熱系數(shù)以婚強(qiáng)化傳熱對(duì)于潔袍凈的換仔熱器：第二項(xiàng)與披管子的材拔料有關(guān)，穴對(duì)于金屬郵管，管壁婆的熱阻可棕忽略不計(jì)角。主要是熟增大管壁中兩側(cè)的傳峰熱膜系數(shù)信。其中α1，α2為管壁兩側(cè)的傳守?zé)崮は禂?shù)單，Λ為管道處的導(dǎo)熱碼系數(shù)，H為管道枯的厚度夸。2、擴(kuò)展傳榨熱面積以老強(qiáng)化傳熱采用肋片治管、螺紋畝管、波紋斥管、板式堂換熱器、煤板肋式換元熱器等。3、增大傳訊熱平均溫監(jiān)差逆流操作服，傳熱平丑均溫差最隨大。但生南產(chǎn)工藝確轎定以后，然一般不作因較大改進(jìn)依，同時(shí)溫嫁差增大，幣有效能損瓦失增大，老適宜的傳科熱溫差，句視情況而慘定。二、傳礎(chǔ)熱方程樂(lè)與傳熱到節(jié)能三、傳熱霜效率與傳藏?zé)釂卧獢?shù)遞及其合理忠選取1、傳熱量效率換熱器的暴熱效率指凱：實(shí)際傳熱鞋速率與理高論上最大蟻可能傳熱丈速率之比尤值。對(duì)于無(wú)相蓬變、無(wú)熱放損失的穩(wěn)福定傳熱過(guò)拼程，若所之涉及的溫地度范圍內(nèi)撒兩流體的匹定壓熱容泛變化不大江，則傳熱陸速率為：29兩流體間理論上最大可能的傳熱量為：當(dāng)熱容量流率時(shí)：則，此時(shí)的熱效率為：三、傳熱艘效率與傳坐熱單元數(shù)像及其合理立選取當(dāng)冷流好體為沸歇騰液體鉗時(shí)，△T=0，表觀熱影容量流率GcCPc為無(wú)限毀大，熱掃效率按謝此式計(jì)遭算。30當(dāng)熱容量流率時(shí)：則，此時(shí)的熱效率為：三、傳教熱效率鹽與傳熱房誠(chéng)單元數(shù)請(qǐng)及其合疏理選取當(dāng)熱流安體為飽斃和蒸汽挎時(shí)，△T=0，表觀壤熱容量護(hù)流率GhCPh為無(wú)限菠大，熱飾效率按材此式計(jì)跟算。312、傳熱單遍元數(shù)在換熱器中對(duì)微元傳熱面積dA的傳熱速率可寫(xiě)成：對(duì)面積為A的整個(gè)換熱器，傳熱單元數(shù)NTU由下式確定：三、傳舒熱效率聯(lián)與傳熱返單元數(shù)凱及其合束理選取32傳熱效秘率與傳類(lèi)熱單元軟數(shù)關(guān)系令：或三、傳熱愁效率與傳農(nóng)熱單元數(shù)干及其合理猶選取33傳熱效率榨與傳熱單都元數(shù)間關(guān)昂系經(jīng)推到套得如下關(guān)則系式。對(duì)逆流浩操作換悟熱器：或三、傳籮熱效率敏與傳熱貸單元數(shù)己及其合短理選取34對(duì)并流操透作換熱器積：或三、傳檔熱效率騙與傳熱臂單元數(shù)搖及其合蓄理選取為便于工程計(jì)算，往往將三者間的關(guān)系繪制成圖，如圖4-6所示。要提高傳熱效率，必須增加傳質(zhì)單元數(shù)；余熱回收的效率與設(shè)備投資應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)考慮；三、傳蠟熱效率海與傳熱笛單元數(shù)選及其合論理選取提高傳熱系數(shù)K，可有效地提高傳熱效率；當(dāng)傳熱單元數(shù)增大到一定值后，對(duì)傳熱效率的影響很小，因此傳熱單元數(shù)有一最適宜值，一般為5較合適；t2

越高，熱效率越高，操作費(fèi)用越少，但傳熱平均溫差越小，傳熱面積越大，設(shè)備投資大。t2越小，有效能損失越大，能量利用效率低。三、傳熱擺效率與傳忘熱單元數(shù)裳及其合理銹選取37四、傳熱雨的節(jié)能與烤強(qiáng)化途徑1、改進(jìn)工抵藝裝置、灘提高燃料蕩的熱利用扇率合理利用小能源，采守用熱—電聯(lián)合裝咱置；改進(jìn)工藝溫，提高熱跑能利用率麥；如由三娃效改為堂四效蒸薯發(fā)、單拿效改多桃效蒸餾書(shū)、精餾獸系統(tǒng)利是用熱泵償?shù)取?、熱量充職分回收利柿用（1）有效陶利用工關(guān)廠中大表量低位等熱能；據(jù)統(tǒng)計(jì)化喚工企業(yè)所撫消耗總熱媽量的80%左右，妻最終以智低品位巖熱能形追式排放店。利用井如：預(yù)歉熱物料訴（精餾腸頂、側(cè)姨、底產(chǎn)炎品的顯性熱及潛斑熱）、言預(yù)熱鍋公爐給水侄（煙道炸氣）。作為干莖燥過(guò)程潤(rùn)的熱源晶；作為溴閣化鋰制偽冷的熱鞠源；利用噴射長(zhǎng)泵提高二筒次蒸汽的遞壓力；利用低沸帖點(diǎn)介質(zhì)發(fā)須電。如利完用異丁烷似、戊烷、吸氟利昂等匆，熱源為1500C。四、傳類(lèi)熱的節(jié)拒能與強(qiáng)塑化途徑（2）化學(xué)稈反應(yīng)熱逼的充分休利用如：硫哲酸廠廢酒熱鍋爐澇、甲醇午氧化制茶甲醛、流氨合成回余熱鍋尺爐393、減少熱胡量傳輸過(guò)甚程中的熱灑損失（1）減少水設(shè)備、蓋管道的甩熱損失枕。一根一米惹長(zhǎng)裸露的畝四英寸的周蒸汽管道纏，每小時(shí)端將冷凝2-5膏kg蒸汽。（2）降低處換熱器舟的傳熱渣溫差，部但必須膏強(qiáng)化傳讀熱系數(shù)彈。四、傳熱會(huì)的節(jié)能與患強(qiáng)化途徑4、減少換務(wù)熱器的壓位降損失，遵降低動(dòng)力圈消耗。要合理庸選擇流遞體流速凱。5、加強(qiáng)帳企業(yè)管若理，杜胡絕跑、福冒、滴籠、漏。406、提高士傳熱系慶數(shù)K值。傳熱膜嬸系數(shù)、葛管壁污榴垢、層唉流底層擇厚度、狀沸騰過(guò)劫程增大擾傳熱面階的汽化頁(yè)核心及舞生成氣銜泡的頻啟率、蒸墨汽冷凝歪減少冷數(shù)凝液膜痛厚度、酒流體中賴(lài)加入表越面活性翻劑。7、采用新原型高效的炕傳熱元件筆與傳熱設(shè)收備目的：減少傳姻熱面積也、提高通換熱能嚼力、維芝持較小紙的傳熱途溫差。（1）換熱部表面粗沫糙法：陡橫紋管煩、螺紋是管等；（2）流體旋榴轉(zhuǎn)法：管幻玉內(nèi)插入扭彈帶、螺旋沫葉片、螺滿(mǎn)旋線圈、矛螺紋管等祥；（3）換熱表買(mǎi)面擴(kuò)展法會(huì)：各