Омӯзиши термодинамикаи муҳандисӣ оид ба системаҳои дегхонаи саноатӣ
Пендахулуан
Дегхонаҳои саноатӣ яке аз муҳимтарин таҷҳизот дар бахшҳои гуногун - аз нерӯгоҳҳои барқӣ ва корхонаҳои кимиёвӣ то селлюлоза ва коғаз ва ҳатто саноати хӯрокворӣ ва нӯшокӣ мебошанд. Вазифаи асосии онҳо табдил додани энергияи кимиёвӣ аз сӯзишворӣ (ё энергияи барқӣ дар дегхонаҳои барқӣ) ба энергияи гармӣ ва сипас интиқол додани он ба об барои истеҳсоли буғ дар фишор ва ҳарорати мушаххас мебошад. Сипас ин буғ барои гармкунии равандҳо, хушккунӣ, стерилизатсия ё ҳамчун моеъи кории турбина истифода мешавад. Барои он ки системаи дегхона бехатар, сарфакорона ва самаранок кор кунад, омӯзиши муҳандисии термодинамикӣ, аз ҷумла тавозуни энергия, самаранокӣ, талафоти гармӣ ва таҳлили бебозгашт зарур аст.
Мафҳумҳои асосии термодинамика дар дегхонаҳо
Аз нигоҳи термодинамикӣ, дегхонаҳо одатан ҳамчун системаҳои ҷараёни устувор таҳлил карда мешаванд, ки дар онҳо массаи оби ғизоӣ ворид мешавад, аз сӯзиш гармӣ мегирад ва сипас ҳамчун буғи сершуда ё буғи аз ҳад зиёд гармшуда берун меояд. Қонуни якуми термодинамика барои системаи ҷараёни устувор (муодилаи энергияи ҷараёни устувор)-ро метавон ба таври оддӣ чунин баён кард:
\[
\dot{Q} – \dot{W} = \dot{m}(h_{out}-h_{in})
\]
Дар дегхонаҳо, кори вали (\(\dot{W}\)) одатан нодида гирифта мешавад, зеро дегхона кори механикиро мустақиман ба вуҷуд намеорад. Энергияҳои кинетикӣ ва потенсиалӣ низ дар муқоиса бо тағирёбии энтальпия нисбатан хурд мебошанд, аз ин рӯ муодилаи амалӣ чунин мешавад:
\[
\dot{Q} \approx \dot{m}(h_{steam}-h_{fw})
\]
Дар ин ҷо энтальпия параметри калидӣ мегардад. Маълумот дар бораи энтальпияи об ва буғ аз ҷадвалҳои буғ ё диаграммаҳои Моллиер (h–s) гирифта мешаванд. Оби ғизоӣ дар фишори муайян метавонад оби зери хунукшуда бошад, дар ҳоле ки баромад метавонад буғи хушки сершуда, буғи тар (дорои буғи сифати x) ё буғи аз ҳад зиёд гармшуда бошад.
Раванди гарм кардани об ба буғ
Аз нигоҳи термодинамикӣ, гармкунии об дар дегхона аз якчанд марҳила мегузарад:
1. Гармкунии оби ғизоӣ (гармкунии оқилона)
Ҳарорати об аз вуруд то ҳарорати сершавӣ дар фишори корӣ баланд карда мешавад. Энергияи зарурӣ бо иқтидори гармӣ ва афзоиши ҳарорат мутаносиб аст.
2. Бухоршавӣ (тағйири фаза / гармкунии пинҳонӣ)
Дар нуқтаи сершавӣ, илова кардани гармӣ боиси тағйири фаза аз моеъ ба буғ мегардад. Дар ин фаза, ҳарорат нисбатан доимӣ боқӣ мемонад, аммо энтальпия аз ҳисоби гармии пинҳонии буғшавӣ ба таври назаррас меафзояд.
3. Гармшавии аз ҳад зиёд (агар гармкунаки аз ҳад зиёд мавҷуд бошад)
Буғи сершуда минбаъд гарм карда мешавад, то ҳарорати он аз ҳарорати сершавӣ дар ҳамон фишор болотар бошад. Гармии аз ҳад зиёд энтальпияро зиёд мекунад ва нами буғро коҳиш медиҳад, ки барои истифодаи турбина ва самаранокии раванд муфид аст.
Дар тарҳҳои муосири дегхонаҳо, барқароркунии гармӣ аксар вақт бо истифода аз ҷузъҳои иловагӣ, ба монанди экономайзерҳо (гармкунакҳои оби ғизоӣ), гармкунакҳои ҳаво (гармкунакҳои ҳавои сӯзишворӣ) ва супергармкунакҳо беҳтар карда мешавад. Ҳар яки онҳо барои кам кардани талафоти лӯла ва баланд бардоштани самаранокии интиқоли гармӣ нигаронида шудаанд.
Тавозуни энергетикӣ ва самаранокии дегхона
Самаранокии дегхона одатан ҳамчун таносуби энергияи муфиди аз ҷониби об/буғ ҷаббидашуда ба энергияи кимиёвии сӯзишвории сӯхташуда муайян карда мешавад. Ду равиши маъмул инҳоянд:
1. Усули мустақим (усули мустақим / усули вуруд-хуруҷ)
\[
\eta_{boiler}=\frac{\dot{m}_{steam}(h_{steam}-h_{fw})}{\dot{m}_{fuel}\times LHV}\times 100\%
\]
Вобаста аз стандарти истифодашуда, бо LHV (Арзиши пасттари гармидиҳӣ) ё HHV (Арзиши баландтари гармидиҳӣ)
2. Усули ғайримустақим (усули талафи гармӣ)
Самаранокӣ аз 100% тарҳи талафоти умумии гармӣ ҳисоб карда мешавад, масалан:
– Талафоти гази дуди хушк
– Талафот аз буғи об аз сӯхтани гидроген
– Талафот аз сабаби намӣ ва сӯзишворӣ
– Талафот аз сабаби карбони сӯхтанашуда
– Талафоти радиатсия ва конвексия аз сатҳи дегхона
– Талафоти аз кор баромадан
Усулҳои ғайримустақим аксар вақт барои аудитҳои энергетикӣ истифода мешаванд, зеро онҳо ба муайян кардани манбаъҳои асосии носамарӣ мусоидат мекунанд.
Талафоти асосии гармӣ ҳангоми кори дегхона
Таҳқиқоти хуби термодинамикӣ на танҳо бо ҳисоб кардани баромад-вуруд маҳдуд мешавад, балки инчунин талафоти асосии энергияро харита мекунад.
1. Талафоти стек (талафоти дудкаш)
Газҳои ихроҷшуда, ки дар ҳарорати баланд хориҷ мешаванд, энтальпияи калон доранд. Кӯшишҳо барои кам кардани ин метавонанд бо истифода аз экономайзерҳо ва гармкунакҳои ҳаво анҷом дода шаванд, аммо бояд эҳтиёт кард, ки онҳо аз нуқтаи шабнами кислота (хусусан барои сӯзишвории дорои сулфур) зиёд набошанд, то аз зангзанӣ пешгирӣ карда шавад.
2. Пуф кардан
Барои назорат кардани консентратсияи моддаҳои сахти ҳалшуда (TDS) дар барабани дегхона пуф кардан зарур аст. Аммо, хориҷ кардани ин оби гарм аз даст додани энтальпияро нишон медиҳад. Системаи барқароркунии гармии пуф кардан метавонад ин гармиро барои гарм кардани оби ғизоӣ ё оби иловагӣ истифода барад.
3. Ҳавои зиёдатӣ ва сӯзиши нопурра
Ҳавои зиёдатӣ барои сӯзиши устувор зарур аст, аммо ҳавои аз ҳад зиёд вазни гази дудро зиёд мекунад ва талафоти лӯлаҳоро зиёд мекунад. Баръакс, ҳавои нокифоя боиси афзоиши CO2 ва сӯзишвории сӯхтанашуда мегардад, ки ҳарду зарароваранд. Беҳсозӣ тавассути назорати гази дуд O₂/CO2 ва танзими сӯзишворӣ ба даст оварда мешавад.
4. Радиатсия ва конвексия аз сатҳ
Изолятсияи пасти гармӣ талафоти гармиро ба муҳити зист зиёд мекунад. Беҳтар кардани оташбардорӣ ва изолятсия одатан ба самаранокӣ ва бехатарӣ таъсири мустақим мерасонад.
Таҳлили эксергия: Арзёбии сифати энергия
Илова бар энергия (Қонуни I), термодинамикаи муосири муҳандисӣ аксар вақт таҳлили эксергияро барои арзёбии "сифат"-и энергия ва бебозгаштӣ истифода мебарад (Қонуни II). Эксергия кори ҳадди аксареро тавсиф мекунад, ки ҳангоми ба шароити муҳити зист расонидани система ба даст овардан мумкин аст.
Дар дегхонаҳо, бебозгашти асосӣ дар мавридҳои зерин ба амал меояд:
– Раванди сӯзиш (реаксияҳои кимиёвӣ ва омехтакунӣ дар ҳарорати баланд)
– Интиқоли гармӣ бо фарқияти калони ҳарорат, масалан, байни аланга ва сатҳи қубур
– Соиш дар самтҳои газ ва об/буғ (кам шудани фишор)
Бо таҳлили эксергия, операторҳо метавонанд муайян кунанд, ки гарчанде ки баъзе гармӣ ба об интиқол дода мешавад, сифати энергия аз сабаби бебозгашти раванд паст мешавад. Ин ба муайян кардани афзалиятҳои беҳбудиҳо мусоидат мекунад: масалан, беҳтар кардани тақсимоти сӯзишвории ҳавоӣ, афзоиши барқароршавии гармӣ ё кам кардани ΔT аз ҳад зиёд баланд дар мубодилаи гармӣ.
Таъсири шароити корӣ ба самаранокии гармӣ
Ба кори дегхона фишор, ҳарорат ва сифати об таъсири калон мерасонад.
1. Фишори корӣ
Баланд бардоштани фишор ҳарорати сершавиро зиёд мекунад. Барои баъзе талаботи раванд, ин метавонад зичии энергияи буғро зиёд кунад. Аммо, фишори баландтар маводҳои қавитар ва назорати сахттарро талаб мекунад.
2. Ҳарорати оби ғизодиҳӣ
Ҳар қадар ҳарорати оби ғизодиҳӣ баландтар бошад, ҳамон қадар гармии камтар барои ноил шудан ба шароити дилхоҳи буғ ба дегхона лозим аст. Аз ин рӯ, деаератор ва экономайзер нақши муҳим мебозанд.
3. Сифати об (коркард)
Сатҳи оксигени ҳалшуда, сахтӣ ва TDS ба пайдоиши пӯлод ва зангзанӣ таъсир мерасонанд. Пӯлодшавӣ муқовимати гармиро зиёд мекунад, ки боиси интиқоли сусти гармӣ, баланд шудани ҳарорати металл, коҳиши самаранокӣ ва хатари вайроншавии найча мегардад.
Стратегияи баланд бардоштани самаранокӣ дар асоси термодинамика
Баъзе қадамҳои амалӣ, ки мустақиман бо омӯзиши термодинамика алоқаманданд, инҳоянд:
– Насб/беҳсозии экономайзер барои истифодаи гармии гази ихроҷ барои гарм кардани оби ғизоӣ.
– Гармкунаки ҳаво барои баланд бардоштани ҳарорати ҳавои сӯзиш, беҳтар кардани устувории аланга ва самаранокии он.
– Идоракунии танзими O₂ барои нигоҳ доштани ҳавои зиёдатии оптималӣ.
– Беҳсозии таркиш ва барқароркунии гармӣ барои кам кардани талафоти энтальпия.
– Нигоҳубини сатҳи интиқоли гармӣ (тозакунии дуд/пӯст) барои нигоҳ доштани коэффитсиенти баланди интиқоли гармӣ.
– Изолятсияи хуб дар қубурҳои буғӣ, барабанҳо ва снарядҳо.
– Назорати доимии параметрҳои термодинамикӣ (T, P, суръати ҷараён, гази дудкаши O₂/CO) барои ошкор кардани барвақти инҳироф.
Хулоса
Омӯзиши термодинамикаи муҳандисӣ дар системаҳои дегхонаҳои саноатӣ чаҳорчӯбаи пуриқтидори таҳлилиро барои фаҳмидани он, ки чӣ гуна энергия аз сӯзишворӣ ба буғ табдил меёбад, фароҳам меорад ва дар айни замон нуқтаҳои талафотеро, ки самаранокиро коҳиш медиҳанд, муайян мекунад. Бо татбиқи тавозуни энергия (Қонуни якум) ва пурра кардани он бо дурнамои эксергия (Қонуни дуюм), муҳандисон метавонанд қарорҳои ба маълумот асосёфтаро барои беҳтар кардани самаранокӣ, кам кардани истеъмоли сӯзишворӣ, нигоҳ доштани эътимоднокии таҷҳизот ва дароз кардани мӯҳлати кори дегхона қабул кунанд. Дар ниҳоят, дегхонаи аз ҷиҳати термодинамикӣ оптимизатсияшуда на танҳо хароҷотро сарфа мекунад, балки инчунин коҳиши партовҳо ва амалиёти устувортари саноатиро дастгирӣ мекунад.
