אינזשעניריע טערמאדינאמיק שטודיע אויף אינדוסטריעלע בוילער סיסטעמען
הקדמה
אינדוסטריעלע בוילערס זענען איינע פון די מערסט קריטישע שטיקער עקוויפּמענט אין פארשידענע סעקטאָרן - פון קראַפטווערק און כעמישע פאַבריקן ביז פּאַפּ און פּאַפּיר, און אפילו די עסן און טרינקען אינדוסטריע. זייער הויפּט פונקציע איז צו קאָנווערטירן כעמישע ענערגיע פון ברענשטאָף (אָדער עלעקטרישע ענערגיע אין עלעקטרישע בוילערס) אין טערמישע ענערגיע, און דערנאָך איבערפירן עס צו וואַסער צו פּראָדוצירן פארע ביי ספּעציפֿישע דרוק און טעמפּעראַטורן. דער פארע ווערט דערנאָך געניצט פֿאַר פּראָצעס הייצונג, טריקעניש, סטעריליזאַציע, אָדער ווי אַ טורבינע אַרבעט פליסיקייט. כּדי אַ בוילער סיסטעם זאָל אַרבעטן זיכער, עקאָנאָמיש און עפֿעקטיוו, איז אַ טערמאָדינאַמישע אינזשעניריע שטודיע נויטיק, אַרייַנגערעכנט ענערגיע באַלאַנסן, עפֿעקטיווקייט, היץ אָנווער, און יריווערסאַביליטי אַנאַליז.
גרונטלעכע קאנצעפטן פון טערמאדינאמיק אין בוילערס
אין טערמאדינאמישע טערמינען, ווערן בוילערס בכלל אנאליזירט ווי שטאביל-פלוס סיסטעמען אין וועלכע די מאסע פון פיטער-וואסער גייט אריין, באקומט היץ פון פארברענונג, און דערנאך גייט ארויס ווי געזעטיקטע פארע אדער איבערגעהייצטע פארע. דער ערשטער געזעץ פון טערמאדינאמיק פאר א שטאביל-פלוס סיסטעם (שטאביל-פלוס ענערגיע גלייכונג) קען פשוט געזאגט ווערן:
\[
Q – W = m(ה-אויס - ה-אריין)
\]
אין בוילערס, ווערט שאַפט אַרבעט (\(\dot{W}\)) געוויינטלעך איגנאָרירט ווייל דער בוילער פּראָדוצירט נישט מעכאַנישע אַרבעט גלייך. די קינעטישע און פּאָטענציעלע ענערגיעס זענען אויך רעלאַטיוו קליין קאַמפּערד צו די ענטהאַלפּי ענדערונג, אַזוי די פּראַקטישע גלייכונג ווערט:
\[
Q \aprox \dot{m}(h_{פארע} - h_{fw})
\]
דאָ ווערט ענטהאַלפּיע אַ שליסל פּאַראַמעטער. וואַסער און דאַמף ענטהאַלפּיע דאַטן ווערן באַקומען פֿון דאַמף טישן אָדער מאָלליער דיאַגראַמען (h–s). צופֿיר וואַסער ביי אַ געגעבענעם דרוק קען זיין אונטערגעקילט וואַסער, בשעת די אַרויסגאַנג קען זיין טרוקן געזעטיקט דאַמף, נאַס דאַמף (וואָס כּולל דאַמף קוואַליטעט x), אָדער איבערגעהייצטע דאַמף.
דער פּראָצעס פֿון וואַרעמען וואַסער אין דאַמף
טערמאדינאמיש, גייט די הייצונג פון וואסער אין א בוילער דורך עטלעכע שטאפלען:
1. פיטער וואַסער הייצונג (פאַרשטענדלעכע הייצונג)
דאס וואסער ווערט געהויבן אין טעמפעראטור פון דעם אריינגאנג ביז דער זעטיקונג טעמפעראטור ביי אפעראציע דרוק. די נויטיגע ענערגיע איז פראפארציאנעל צו דער היץ קאפאציטעט און דער טעמפעראטור פארגרעסערונג.
2. פארדאַמפּונג (פאַזע ענדערונג / לאַטענט הייצונג)
ביים זעטיקונג פונקט, ברענגט די צוגאב פון היץ א פאזע ענדערונג פון פליסיקייט צו פארע. אין דעם פאזע בלייבט די טעמפעראטור רעלאטיוו קאנסטאנט, אבער די ענטהאלפי וואקסט באדייטנד צוליב דער לאטענטער פארדאמפונג היץ.
3. איבערהיצונג (אויב עס איז דא א איבערהיצונג)
געזעטיגטע פארע ווערט ווייטער געהייצט צו הייבן זיין טעמפּעראַטור העכער די זעטיגטע טעמפּעראַטור ביים זעלבן דרוק. איבערהייצן פארגרעסערט די ענטהאַלפּיע און רעדוצירט די הומידיטי פון דעם פארע, וואָס איז נוצלעך פֿאַר טורבינע אַפּליקאַציעס און פּראָצעס עפעקטיווקייט.
אין מאָדערנע בוילער דיזיינס, ווערט היץ-ריקאַווערי אָפט פֿאַרבעסערט מיט נאָך קאָמפּאָנענטן ווי עקאָנאָמיזערס (פֿיטער-וואַסער כיטערס), לופֿט פֿאָרהייצער (פֿאַרברענונג-לופֿט כיטערס), און סופּערהייצער. יעדער צילט צו רעדוצירן סטאַק פֿאַרלוסטן און פֿאַרגרעסערן היץ-איבערפֿירונג עפֿעקטיווקייט.
ענערגיע וואָג און קעסל עפעקטיווקייט
קעסל עפעקטיווקייט איז בכלל דעפינירט אלס די פראפארציע פון די נוצלעכע ענערגיע וואס ווערט אבסארבירט דורך וואסער/פארע צו די כעמישע ענערגיע פון די פארברענטע ברענשטאף. צוויי פאפולערע צוגאנגען זענען:
1. דירעקטע מעטאָדע (דירעקטע מעטאָדע / אינפוט-אויסגאַנג מעטאָדע)
\[
ηνονονονον = θελονονον (θελονονον - θελονον)/θελον ...
\]
מיט LHV (נידעריקער הייצונג ווערט) אדער HHV (העכערער הייצונג ווערט) לויטן סטאַנדאַרט וואָס ווערט גענוצט.
2. אינדירעקט מעטאָד (היץ-פאַרלוסט מעטאָד)
עפעקטיווקייט ווערט אויסגערעכנט פון 100% מינוס גאַנץ היץ פארלוסט, למשל:
– טרוקענע רויך גאז פארלוסט
– פארלוסט צוליב וואסער פארע פון וואסערשטאף פארברענונג
– פארלוסט צוליב ברענשטאָף און לופט-פייכטקייט
– פארלוסט צוליב נישט-פארברענטן קוילן
– ראַדיאַציע און קאָנוועקשאַן פארלוסטן פון די קעסל ייבערפלאַך
– בלאָודאַון פארלוסט
אינדירעקטע מעטאָדן ווערן אָפט גענוצט פֿאַר ענערגיע אַודאַץ ווײַל זיי העלפֿן אידענטיפֿיצירן די הויפּט קוואלן פֿון אינעפֿעקטיווקייט.
גרויסע היץ פארלוסטן אין בוילער אפעראציע
א גוטע טערמאדינאמישע שטודיע שטעלט זיך נישט אפ ביי אויסרעכענען ארויס-אריינגאנג, נאר מאפירט אויך די דאמינירנדע ענערגיע פארלוסטן.
1. פארלוסט פון דעם קוימען (שטאק פארלוסט)
אויספּוסט גאַזן וואָס קומען אַרויס ביי הויכע טעמפּעראַטורן טראָגן אַ גרויסע ענטהאַלפּיע. מען קען זיך אָנשטרענגען דאָס צו רעדוצירן מיט עקאָנאָמיזערס און לופט פאָרהייצער, אָבער מען מוז זיין אָפּגעהיט צו זיכער מאַכן אַז זיי גייען נישט איבער דעם זויערן טוי פּונקט (ספּעציעל פֿאַר שוועבל-האַלטיקע ברענשטאָפֿן) כּדי צו פאַרמייַדן קעראָוזשאַן.
2. בלאָודאַון
בלאָודאַון איז נייטיק צו קאָנטראָלירן די קאָנצענטראַציע פון אויפגעלייזטע סאָלידס (TDS) אין די בוילער טרומל. אָבער, די באַזייַטיקונג פון דעם הייס וואַסער רעפּרעזענטירט אַ אָנווער פון ענטהאַלפּי. א בלאָודאַון היץ אָפּזוך סיסטעם קען נוצן די היץ צו וואַרעמען פיטער וואַסער אָדער צושטעל וואַסער.
3. איבעריגע לופט און אומפארענדיקטע פארברענונג
איבעריגע לופט איז נויטיק פאר א סטאבילן פארברענונג, אבער צו פיל איבעריגע לופט פארגרעסערט די מאסע פון די רויך גאז, וואס פארגרעסערט די פארלוסט פון די שטאקן. פארקערט, נישט גענוג לופט פירט צו פארגרעסערטע CO2 און נישט-פארברענטע ברענשטאף - ביידע שעדלעך. אפטימיזאציע ווערט דערגרייכט דורך רויך גאז O₂/CO2 קאנטראל און ברענער טונינג.
4. ראַדיאַציע און קאָנוועקשאַן פֿון דער ייבערפלאַך
שלעכטע טערמישע איזאָלאַציע פאַרגרעסערט היץ פארלוסט צו דער סביבה. פֿאַרבעסערונגען אין היץ-רייכע מאַטעריאַלן און איזאָלאַציע האָבן בכלל אַ דירעקטן השפּעה אויף עפעקטיווקייט און זיכערקייט.
עקסערגיע אנאליז: אפשאצן ענערגיע קוואליטעט
אין צוגאב צו ענערגיע (געזעץ I), ניצט מאדערנע אינזשעניריע טערמאדינאמיק אפט עקסערגיע אנאליז צו אפשאצן די "קוואליטעט" פון ענערגיע און אירעווערסיביליטי (געזעץ II). עקסערגיע באשרייבט די מאקסימאלע ארבעט וואס קען באקומען ווערן ווען א סיסטעם ווערט געבראכט צו אירע אמביאנט באדינגונגען.
אין בוילערס, פאסירט גרויסע אומרעווערסיביליטי ביי:
– פארברענונג פראצעס (כעמישע רעאקציעס און מישן ביי הויכע טעמפעראטורן)
– היץ איבערפיר מיט א גרויסן טעמפעראטור אונטערשייד, למשל צווישן א פלאם און דער אויבערפלאך פון א רער
– שטראָם רייַבונג אויף די גאַז און וואַסער/דאַמף זייטן (דרוק פאַל)
מיט עקסערגיע אנאליז, קענען אפעראטארן אנטדעקן אז כאטש עטוואס היץ ווערט איבערגעפירט צום וואסער, ווערט די ענערגיע קוואליטעט פארערגערט צוליב די אומרעווערסיביליטעט פונעם פראצעס. דאס העלפט פריאריטיזירן פארבעסערונגען: למשל, פארבעסערן לופט-ברענשטאָף פארשפרייטונג, פארגרעסערן היץ-אויפנעמער, אדער רעדוצירן איבערגעטריבענע הויכע ΔT אין דעם היץ-אויסטוישער.
ווירקונג פון אָפּערייטינג באדינגונגען אויף טערמאַל פאָרשטעלונג
קעסל פאָרשטעלונג איז שטארק באַאיינפלוסט דורך דרוק, טעמפּעראַטור און וואַסער קוואַליטעט.
1. אפערירן דרוק
העכערן דעם דרוק פארגרעסערט די זעטיקונג טעמפּעראַטור. פֿאַר געוויסע פּראָצעס רעקווייערמענץ, קען דאָס פארגרעסערן די ענערגיע געדיכטקייט פון דעם פארע. אָבער, העכערע דרוקן דאַרפן שטאַרקערע מאַטעריאַלן און אַ שטרענגערע קאָנטראָל.
2. פיטער וואַסער טעמפּעראַטור
וואָס העכער די טעמפּעראַטור פֿון דעם וואַסער, אַלץ ווייניקער היץ דאַרף דער בוילער צו דערגרייכן די געוואונטשענע דאַמף באַדינגונגען. דעריבער, שפּילן דער דעאַעראַטאָר און עקאָנאָמיזער אַ באַדייטנדיקע ראָלע.
3. וואַסער קוואַליטעט (באַהאַנדלונג)
אויפגעלייזטע זויערשטאָף לעוועלס, כאַרדנאַס, און TDS האָבן אַן השפּעה אויף סקאַלידינג און קעראָוזשאַן. סקאַלידינג פאַרגרעסערט טערמישע קעגנשטעל, וואָס רעזולטירט אין שלעכט היץ אַריבערפירן, געוואקסענע מעטאַל טעמפּעראַטורן, פאַרקלענערטע עפעקטיווקייט, און געוואקסענע ריזיקע פון רער דורכפאַל.
טערמאָדינאַמיק-באַזירט עפעקטיווקייט פֿאַרבעסערונג סטראַטעגיע
עטלעכע פּראַקטישע טריט וואָס זענען גלייך פֿאַרבונדן מיטן לערנען פֿון טערמאָדינאַמיק זענען:
– אינסטאַלאַציע/אָפּטימיזאַציע פֿון עקאָנאָמיזער צו נוצן אויסגאַנג גאַז היץ צו הייצן פֿיטער וואַסער.
– לופט פאָרהייצער צו פאַרגרעסערן די פארברענונג לופט טעמפּעראַטור, פֿאַרבעסערן פלאַם פעסטקייט און עפעקטיווקייט.
– O₂ טרים קאָנטראָל צו האַלטן אָפּטימאַלע איבעריקע לופט.
– בלאָודאַון אָפּטימיזאַציע און היץ אָפּזוך צו רעדוצירן ענטהאַלפּי פארלוסט.
– היץ איבערפיר ייבערפלאַך וישאַלט (רויך/סקאַלע רייניקונג) צו האַלטן די היץ איבערפיר קאָואַפישאַנט הויך.
– גוטע איזאָלאַציע אויף דאַמף רערן, טרומלען און שאָלן.
– קאָנטינויִערלעכע מאָניטאָרינג פון טערמאָדינאַמישע פּאַראַמעטערס (T, P, לויפן קורס, O₂/CO רויך גאַז) פֿאַר פרי דעטעקציע פון אָפּנייגונגען.
קעסימפּולאַן
די שטודיע פון אינזשעניריע טערמאדינאמיק אין אינדוסטריעלע בוילער סיסטעמען גיט א שטארקע אנאליטישע פריימווערק פארן פארשטיין ווי ענערגיע פון ברענשטאף ווערט פארוואנדלט אין פארע, בשעת אויך אידענטיפיצירן פארלוסט פונקטן וואס רעדוצירן עפעקטיווקייט. דורך אנווענדן אן ענערגיע באלאנס (דער ערשטער געזעץ) און עס קאמפלעמענטירן מיט אן עקסערגיע פערספעקטיוו (דער צווייטער געזעץ), קענען אינזשענירן מאכן דאטן-געטריבענע באשלוסן צו פארבעסערן עפעקטיווקייט, רעדוצירן ברענשטאף פארברויך, אויפהאלטן עקוויפמענט פארלעסלעכקייט, און פארלענגערן בוילער אפערירן לעבן. לעצטנס, א טערמאדינאמיש אפטימיזירטער בוילער שפארט נישט נאר קאסטן נאר שטיצט אויך עמיסיע רעדוקציעס און מער נאכהאלטיקע אינדוסטריעלע אפעראציעס.
