Аж үйлдвэрийн бойлерийн системийн инженерийн термодинамикийн судалгаа
Пендахулуан
Аж үйлдвэрийн бойлерууд нь цахилгаан станц, химийн үйлдвэрээс эхлээд целлюлоз, цаас, тэр ч байтугай хүнс, ундааны үйлдвэр хүртэл янз бүрийн салбарын хамгийн чухал тоног төхөөрөмжийн нэг юм. Тэдний үндсэн үүрэг бол түлшнээс (эсвэл цахилгаан бойлер дахь цахилгаан энерги) химийн энергийг дулааны энерги болгон хувиргаж, дараа нь тодорхой даралт, температурт уур үүсгэхийн тулд ус руу шилжүүлэх явдал юм. Энэ уурыг дараа нь процессын халаалт, хатаах, ариутгах эсвэл турбины ажлын шингэн болгон ашигладаг. Бойлерийн систем аюулгүй, хэмнэлттэй, үр ашигтай ажиллахын тулд эрчим хүчний баланс, үр ашиг, дулааны алдагдал, эргэлт буцалтгүй байдлын шинжилгээ зэрэг термодинамикийн инженерийн судалгаа шаардлагатай.
Бойлерийн термодинамикийн үндсэн ойлголтууд
Термодинамикийн хувьд бойлеруудыг ерөнхийдөө тэжээлийн усны масс орж, шаталтаас дулааныг хүлээн авч, дараа нь ханасан уур эсвэл хэт халсан уур хэлбэрээр гардаг тогтвортой урсгалтай систем гэж шинжилдэг. Тогтвортой урсгалтай системийн термодинамикийн нэгдүгээр хуулийг (тогтвортой урсгалтай энергийн тэгшитгэл) энгийнээр илэрхийлж болно:
\[
\dot{Q} – \dot{W} = \dot{m}(h_{out}-h_{in})
\]
Бойлеруудад босоо амны ажлыг (\(\dot{W}\)) ихэвчлэн үл тоомсорлодог, учир нь бойлер нь механик ажлыг шууд үүсгэдэггүй. Кинетик ба потенциал энерги нь энтальпийн өөрчлөлттэй харьцуулахад харьцангуй бага тул практик тэгшитгэл нь дараах байдалтай байна.
\[
\dot{Q} \approx \dot{m}(h_{steam}-h_{fw})
\]
Энэ бол энтальпи гол параметр болдог газар юм. Ус ба уурын энтальпигийн өгөгдлийг уурын хүснэгт эсвэл Моллиерийн (h–s) диаграммаас авдаг. Өгөгдсөн даралттай тэжээлийн ус нь хөргөлтгүй ус байж болох бол гаралт нь хуурай ханасан уур, нойтон уур (уурын чанартай x агуулсан) эсвэл хэт халсан уур байж болно.
Усыг уур болгон халаах үйл явц
Термодинамикийн хувьд бойлер дахь ус халаах нь хэд хэдэн үе шаттайгаар явагддаг.
1. Тэжээлийн ус халаах (ухаалаг халаалт)
Усны температурыг оролтын нүхнээс ажлын даралттай үед ханасан температур хүртэл нэмэгдүүлдэг. Шаардлагатай энерги нь дулаан багтаамж болон температурын өсөлттэй пропорциональ байна.
2. Ууршилт (фазын өөрчлөлт / далд халаалт)
Ханалтын цэг дээр дулаан нэмэх нь шингэнээс уур руу фазын өөрчлөлтийг үүсгэдэг. Энэ үе шатанд температур харьцангуй тогтмол хэвээр байгаа боловч ууршилтын далд дулаанаас болж энтальпи мэдэгдэхүйц нэмэгддэг.
3. Хэт халалт (хэрэв хэт халаагч байгаа бол)
Ханасан уурыг цаашид халааж, температурыг нь ижил даралттай үед ханасан температураас дээш болгоно. Хэт халалт нь энтальпийг нэмэгдүүлж, уурын чийгшлийг бууруулдаг бөгөөд энэ нь турбины хэрэглээ болон процессын үр ашигт ашигтай.
Орчин үеийн бойлерийн загварт дулааны нөхөн сэргэлтийг ихэвчлэн эдийн засагч (тэжээлийн ус халаагч), агаар урьдчилан халаагч (шаталтын агаар халаагч), супер халаагч зэрэг нэмэлт бүрэлдэхүүн хэсгүүдээр сайжруулдаг. Эдгээр бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь яндан дахь алдагдлыг бууруулж, дулаан дамжуулах үр ашгийг нэмэгдүүлэх зорилготой.
Эрчим хүчний тэнцвэр ба бойлерийн үр ашиг
Бойлерийн үр ашгийг ерөнхийдөө ус/уурын шингээсэн ашигтай энергийн шатсан түлшний химийн энергитэй харьцуулсан харьцаа гэж тодорхойлдог. Хоёр түгээмэл арга нь:
1. Шууд арга (шууд арга / оролт-гаралтын арга)
\[
\eta_{бойлер}=\frac{\dot{m}_{steam}(h_{steam}-h_{fw})}{\dot{m}_{fuel}\times LHV}\times 100\%
\]
Ашигласан стандартаас хамааран LHV (Бага халаалтын утга) эсвэл HHV (Өндөр халаалтын утга)-тай.
2. Шууд бус арга (дулаан алдагдлын арга)
Үр ашгийг нийт дулааны алдагдлыг 100% хассанаас тооцно, жишээлбэл:
– Хуурай утааны хийн алдагдал
– Устөрөгчийн шаталтаас үүдэлтэй усны уурын алдагдал
– Түлш болон агаарын чийгшлээс үүдэлтэй алдагдал
– Шаталтгүй нүүрстөрөгчийн алдагдал
– Бойлерийн гадаргуугаас цацраг туяа болон конвекцийн алдагдал
– Үлээлтийн алдагдал
Үр ашиггүй байдлын гол эх үүсвэрийг тодорхойлоход тусалдаг тул шууд бус аргуудыг эрчим хүчний аудитад ихэвчлэн ашигладаг.
Бойлерийн ажиллагааны үед их хэмжээний дулааны алдагдал
Сайн термодинамикийн судалгаа нь гаралт-оролтыг тооцоолоход зогсохгүй, давамгайлсан энергийн алдагдлыг газрын зурагт харуулдаг.
1. Яндангийн алдагдал (яндангийн алдагдал)
Өндөр температурт ялгардаг яндангийн хий нь их хэмжээний энтальпи агуулдаг. Үүнийг багасгахын тулд эдийн засагч болон агаар халаагч ашиглан хийж болох боловч зэврэлтээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд хүчиллэг шүүдэр цэгээс (ялангуяа хүхэр агуулсан түлшний хувьд) хэтрэхээс болгоомжлох хэрэгтэй.
2. Үлээлт
Бойлерийн хүрдэнд ууссан хатуу бодисын (TDS) концентрацийг хянахын тулд үлээх шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч энэхүү халуун усыг зайлуулах нь энтальпийн алдагдлыг илэрхийлдэг. Үлээх дулааныг сэргээх систем нь энэ дулааныг тэжээлийн ус эсвэл нэмэлт усыг халаахад ашиглаж болно.
3. Илүүдэл агаар ба бүрэн бус шаталт
Илүүдэл агаар нь тогтвортой шаталтад зайлшгүй шаардлагатай боловч хэт их илүүдэл агаар нь утааны хийн массыг нэмэгдүүлж, яндан дахь алдагдлыг нэмэгдүүлдэг. Үүний эсрэгээр, агаар хангалтгүй байх нь CO2 болон шатаагүй түлшийг ихэсгэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь хоёулаа хортой юм. Утааны хийн O₂/CO2-ийг хянах болон шатаагчийг тохируулах замаар оновчлолыг бий болгодог.
4. Гадаргуугаас цацраг туяа болон конвекц
Дулаан тусгаарлалт муу байх нь хүрээлэн буй орчинд дулааны алдагдлыг нэмэгдүүлдэг. Галд тэсвэртэй болон дулаалгын сайжруулалт нь ерөнхийдөө үр ашиг, аюулгүй байдалд шууд нөлөөлдөг.
Эксергийн шинжилгээ: Эрчим хүчний чанарыг үнэлэх
Орчин үеийн инженерийн термодинамик нь энергиэс гадна (I хууль) энергийн "чанар" болон эргэлт буцалтгүй байдлыг үнэлэхийн тулд эксергийн шинжилгээг ихэвчлэн ашигладаг (II хууль). Эксерги нь системийг орчны нөхцөлд аваачихад авч болох хамгийн их ажлыг тодорхойлдог.
Бойлерийн хувьд гол эргэлт буцалтгүй байдал дараах үед тохиолддог:
– Шаталтын процесс (өндөр температурт химийн урвал ба холих)
– Температурын зөрүү ихтэй дулаан дамжуулалт, жишээлбэл, дөл болон хоолойн гадаргуугийн хооронд
– Хий болон ус/уурын тал дээрх урсгалын үрэлт (даралтын уналт)
Эксергийн шинжилгээгээр операторууд зарим дулааныг усанд шилжүүлж байгаа ч үйл явцын эргэлт буцалтгүй байдлаас болж энергийн чанар муудаж байгааг илрүүлж чадна. Энэ нь сайжруулалтыг эрэмбэлэхэд тусалдаг: жишээлбэл, агаарын түлшний тархалтыг сайжруулах, дулааны нөхөн сэргэлтийг нэмэгдүүлэх, эсвэл дулаан солилцуур дахь хэт өндөр ΔT-ийг бууруулах.
Ашиглалтын нөхцлийн дулааны гүйцэтгэлд үзүүлэх нөлөө
Бойлерийн гүйцэтгэлд даралт, температур, усны чанар ихээхэн нөлөөлдөг.
1. Ашиглалтын даралт
Даралтыг нэмэгдүүлэх нь ханалтын температурыг нэмэгдүүлдэг. Тодорхой процессын шаардлагын хувьд энэ нь уурын энергийн нягтралыг нэмэгдүүлж болно. Гэсэн хэдий ч өндөр даралт нь илүү бат бөх материал, илүү хатуу хяналт шаарддаг.
2. Тэжээлийн усны температур
Тэжээлийн усны температур өндөр байх тусам бойлер хүссэн уурын нөхцөлд хүрэхийн тулд бага дулаан шаарддаг. Тиймээс деаератор болон эдийн засагч нь чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
3. Усны чанар (цэвэршүүлэлт)
Ууссан хүчилтөрөгчийн түвшин, хатуулаг болон TDS нь хальслах болон зэврэлтэд нөлөөлдөг. Халлах нь дулааны эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, дулаан дамжуулалт муудах, металлын температур нэмэгдэх, үр ашиг буурах, хоолой эвдрэх эрсдэлийг нэмэгдүүлдэг.
Термодинамик дээр суурилсан үр ашгийг дээшлүүлэх стратеги
Термодинамикийн судалгаатай шууд холбоотой зарим практик алхмуудад дараахь зүйлс орно.
– Тэжээлийн усыг халаахад яндангийн хийн дулааныг ашиглах эдийн засагч суурилуулах/оновчлох.
– Шаталтын агаарын температурыг нэмэгдүүлэх, дөлний тогтвортой байдал болон үр ашгийг сайжруулах зориулалттай агаар халаагч.
– Илүүдэл агаарыг оновчтой байлгахын тулд O₂ тохируулгын удирдлага.
– Энтальпийн алдагдлыг бууруулахын тулд үлээлгэх оновчлол болон дулааныг сэргээх.
– Дулаан дамжуулах коэффициентийг өндөр байлгахын тулд дулаан дамжуулах гадаргуугийн засвар үйлчилгээ (тортог/хайрыг цэвэрлэх).
– Уурын хоолой, хүрд болон бүрхүүл дээр сайн дулаалгатай.
– Хазайлтыг эрт илрүүлэхийн тулд термодинамик параметрүүдийг (T, P, урсгалын хурд, O₂/CO утааны хий) тасралтгүй хянах.
Дүгнэлт
Аж үйлдвэрийн бойлерийн систем дэх инженерийн термодинамикийн судалгаа нь түлшнээс гаргаж авсан энергийг уур болгон хэрхэн хувиргадагийг ойлгох хүчирхэг аналитик хүрээг бий болгохоос гадна үр ашгийг бууруулдаг алдагдлын цэгүүдийг тодорхойлох боломжийг олгодог. Эрчим хүчний балансыг (Нэгдүгээр хууль) хэрэгжүүлж, түүнийг эксергийн хэтийн төлөвөөр (Хоёрдугаар хууль) нөхснөөр инженерүүд үр ашгийг дээшлүүлэх, түлшний зарцуулалтыг бууруулах, тоног төхөөрөмжийн найдвартай байдлыг хадгалах, бойлерийн ашиглалтын хугацааг уртасгах зорилгоор өгөгдөлд суурилсан шийдвэр гаргах боломжтой. Эцсийн эцэст термодинамикийн хувьд оновчтой бойлер нь зардлыг хэмнээд зогсохгүй ялгарлыг бууруулж, үйлдвэрлэлийн үйл ажиллагааг илүү тогтвортой байлгахад дэмжлэг үзүүлдэг.
