- •2. Методы интенсификации и оценкиэнергоэффективности технологических процессов сельскохозяйственного производства
- •2.1. Основные понятия интенсификации технологических процессов
- •2.2. Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность
- •2.3. Классификация и способы построения моделей технологических процессов
- •2.4. Методология компьютерного моделирования
- •2.5. Методика оценки энергоэффективности при интенсификации электротехнологических процессов (этп) сельскохозяйственного производства
2.2. Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность
Рассмотрим метод на примере интенсификации процесса теплообмена.
Интенсивность теплообмена можно выразить как:
,
(2.2)
где K – коэффициент теплопередачи; S – поверхность теплообмена; t – время; Δt – средняя разность температур; Δtн, Δtк – начальная и конечная разность температур между теплоносителями; α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи; δi – толщина стенки, осадка, загрязнений; λi – теплопроводность стенки, осадка, загрязнений.
Эту зависимость можно использовать для составления наглядной схемы действий по интенсификации конкретного теплообменного процесса, обозначив ↑ – необходимость увеличения и ↓ – необходимость уменьшения того или иного параметра.
Зависимость можно записать в виде:
i↑ = Δtн↑, Δtк↓, α1↑, δi↓, λi↑, α2↑ (2.3)
Такая схема наглядно показывает направление изменения тех или иных параметров процесса или конструктивных характеристик аппарата для интенсификации процесса теплообмена.
Необходимо
увеличивать коэффициенты теплоотдачи
α1
и α2
для обоих теплоносителей, теплопроводность
материала аппарата и инкрустации λ1,
начальную разность температур Δtн;
уменьшать конечную разность температур
между теплоносителями Δtк
и толщину стенки теплопередающей
поверхности и загрязнений
.
Анализ процесса и выявление лимитирующего уровня в соответствии с изложенным выше методом позволяют отобрать из формулы (2.3) факторы, соответствующие по масштабу лимитирующему уровню. Анализ формализованных зависимостей необходимо проводить с целью повышения энергоэффективности технологического процесса.
Для определения дальнейшего направления интенсификации рассмотрим уравнения теплопереноса и используем одно из известных выражений для α1 и α2 в виде критериальной зависимости:
,
(2.4)
Откуда, не учитывая (Pr/ PrCT)0,25, получаем
,
(2.5)
Здесь
λ
–
теплопроводность теплоносителя; l
–
определяющий линейный размер (например,
толщина слоя теплоносителя);
–
критерий Рейнольдса;
–
критерий Прандтля;V
–
скорость;
– коэффициент температуропроводности;ρ
–
плотность; Ср
–
теплоемкость.
Тогда формула (2.3) примет вид:
i=Δtн↑Δtк↓δст↓λст↑λзагр↑δзагр↓λ1↑V1↑ρ1↑Cp2↑l1↓μ1↓λ2↑V2↑ρ2↑Cp2↑l2↓μ2↓
(2.6)
Индексы 1 и 2 относятся к характеристикам потоков двух теплоносителей.
Программа интенсификации ТП (1.6) включает в себя как режимно -технологические, так и аппаратно-конструктивные характеристики теплообменного процесса на различных уровнях иерархии системы.
Рассмотрим программу интенсификации массообменного процесса [3].
Если использовать основное уравнение процесса массопереноса, то для наиболее распространенных тарельчатых массообменных аппаратов фактор интенсивности можно определить по формуле
,
(2.7)
где
М
–
масса вещества, перенесенного в единицу
времени;
=
n(
б+
с
)
= nS(Hб
+ Hc
)
– объем тарельчатого аппарата; n
–
число секций в аппарате;
б ,
с
– соответственно объем рабочей (например,
барботажной) и сепарационной зон одной
секции аппарата;S
–
площадь поверхности полотна тарелки;
Нб,
Нс
– соответственно высота барботажной
и сепарационной зон; K
–
коэффициент массопередачи, отнесенный
к 1 м2
полотна тарелки; ΔC
–
разность концентраций (движущая сила
процесса).
Для противоточного аппарата, считая коэффициент массопередачи независящим от концентрации, запишем
,
(2.8)
Из
формулы (2.8) видно, что на величину фактора
интенсивности оказывает влияние параметр
K,
характеризующий кинетику массообменного
процесса, параметры ΔС
и
n,
тесно связанные со статическими
характеристиками процесса, в частности,
с равновесием между фазами, определяемые
термодинамическими свойствами
компонентов системы, а также параметрами
Нб
и Нс.
Последние зависят в основном от
конструктивных особенностей аппарата
и физико-химических свойств
перерабатываемых продуктов. Если
использовать понятие эффективности
ступени контакта
,
то
,
(2.9)
где
–
число необходимых теоретических ступеней
контакта. Тогда алгоритм интенсификации
массо-обменного процесса можно записать
так:
i↑ = η↑K↑ΔC↑nт↓Нб↓Нс↓. (2.10)
Если анализ показывает, что лимитирующим является молекулярный уровень, то необходимо искать пути увеличения коэффициента массопередачи K.
Для того чтобы учесть энерго- и материалоемкость технологической системы, введем в качестве параметра, характеризующего интенсивность ТП, удельную производительность, т.е. производительность, отнесенную к количеству энергии и времени, затраченных на реализацию процесса, объем или площадь аппарата:
,
(2.11)
Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность ТП, показывает направление общего подхода при первичном рассмотрении технологической системы с целью ее модернизации и повышении энергоэффективности.
