Методичні вказівки для вивчення учбових матеріалів по розділу «Вступ до пінч-аналізу» за курсом «Вступ до спеціальності», страница 7

Теплова інтеграція технологічних потоків

Установка додаткового теплообмінного апарату №3 веде до проекту реконструкції теплообмінної системи для даного хіміко-технологічного процесу (рис. 12). Дійсно, якщо в теплообміннику 3 від гарячого технологічного потоку передається X кВт потужності холодному технологічному потоку, то на таку ж величину можна буде зменшити потужність теплового потоку від гарячої утиліти, тобто пари. Це означає, що потужність гарячої утиліти, яка необхідна для нагріву холодного потоку дорівнюватиме величині A-X кВт. Отже, споживання пари для проведення процесу скоротиться.

У свою чергу це означає, що у гарячого технологічного потоку внутрішня енергія зменшується із швидкістю X кВт за рахунок нагріву холодного потоку, а це приводить до того, що для охолоджування гарячого потоку до заданій кінцевій температурі знадобиться менша потужність холодних утиліт, тобто холодні утиліти зменшаться на X кВт, і буде рівна В-Х кВт. Значить, в цьому випадку скоротиться і споживання води, що охолоджує, як правило, прісної води.

Рисунок 12 – Теплова інтеграція процесу за допомогою установки додаткового теп-лообмінного апарату. 1, 2 – утилітні теплообмінники; 3 – рекуперативний тепло-обмінний апарат

На ентальпійно-температурній діаграмі теплообмін між двома технологічними потоками показується так само, як і теплообмін в одиночному теплообміннику – перекриттям відрізків, які зображають зміну потокового тепловмісту енергоносіїв по ентальпійній вісі (рис. 13).

Відрізок вісі абсцис, на якому відрізки перекриваються, показує потужність передачі тепловій енергії від гарячого технологічного потоку до холодного потоку.

Найменша відстань між діаграмами потоків уздовж температурної вісі дорівнюватиме найменшій різниці температур між потоками в теплообмінних апаратах даної теплової мережі – DT_min. Область, де спостерігається ця різниця, називається областю пінча, або просто пінчем (від англійського слова «pinch» – звуження, стягування, пережимання, стискування). Звідси і назва методу, який використовує побудову таких діаграм – метод пінч-аналізу.

Проекція перекриття на ентальпійну вісь дорівнює X кВт (рис. 13). Проекція частини гарячого потоку, що залишилася, на ентальпійну вісь показує потужність, яку необхідно зараз відвести від гарячого потоку за допомогою води, що охолоджує, щоб довести його до кінцевої температури. Ця потужність рівна B-X кВт.

Рисунок 13 – Проект простої ХТС з тепловою інтеграцією процесу. а – технологічна схема інтегрованої ХТС. 1, 2 – утилітні теплообмінники; 3 – рекуперативний теплообмінний апарат; б – ентальпійно-температурна діаграма технологічних потоків інтегрованої ХТС. 1 – гарячий потік; 2 – холодний потік. Пара – гаряча утиліта; ОВ – холодна утиліта; вертикальними стрілками показаний напрям теплового потоку при теплообміні в теплообміннику

Справа на малюнку частина холодного потоку виходить за межі перекриття за ентальпійною віссю. Це означає, що від температури холодного потоку, на якій закінчується перекриття, цей потік необхідно нагрівати за допомогою пари до його кінцевої температури, заданої в потоковій таблиці. Потужність передачі теплоти, яка для цього необхідна, буде рівна А-Х кВт, що добре видно на рисунку.

Теплообмінник № 3, в якому відбувається теплообмін між гарячим і холодним потоками, називається рекуперативним теплообмінником, а сам процес такого теплообміну називається процесом рекуперації теплової енергії. Тим самим підкреслюється, що відбувається повторне використання теплової енергії, а це веде до зменшення споживання потужності гарячих утиліт на величину потужності рекуперації, і на таку ж величину знижується потужність зовнішніх холодних утиліт. Тому і вважається, що інтеграція теплових процесів, і зокрема, методи пінч-аналізу, є методами сучасної енергозберігаючої технології.

Відзначимо, що в пінч-анализі, зазвичай, початкові температури потоків називаються температурами постачання, а кінцеві температури – цільовими температурами. Значення потужності гарячих і холодних утиліт, які знайдені за допомогою методів пінч-аналізу називають цільовими енергетичними значеннями.