Технико-экономические показатели эффективности теплообменного аппарата

Анализ процесса в теплообменных аппаратах с помощью функции теплоэнергетической эффективности а = f(N0) дает возможность определить основной показатель для теплообмен­ников, однако он должен быть дополнен еще рядом других тех­нико-экономических показателей.

Наибольшей технико-экономической эффективностью будет отличаться аппарат, который обеспечивает процесс теплообмена при минимальных затратах материальных средств и труда.

Для осуществления процесса теплообмена необходимы за­траты:

1) материалов и труда на изготовление, монтаж, ремонт и обслуживание теплообменного аппарата;

2) на приобретение требуемого количества рабочих сред;

3) энергии на перемещение рабочих сред через теплообмен­ный аппарат;

4) материалов и труда на изготовление, монтаж, ремонт и обслуживание устройств для перемещения рабочих сред.

Обозначим технико-экономические показатели эффективно­сти осуществления процесса теплообмена:

К — капитальные затраты;

Э — эксплуатационные расходы;

т — срок окупаемости капитальных затрат.

Эти показатели зависят от технологических параметров про­цесса и конструктивных показателей аппарата.

Целью расчета или выбора из серии стандартных аппаратов оптимального варианта является определение для заданных ус­ловий таких конструктивных и технологических параметров, ко­торые обеспечивают минимум эксплуатационных затрат и капи­таловложений в установленный срок окупаемости.

Установление функциональной связи между экономическими, технологическими и конструктивными характеристиками тепло­обменного аппарата дает возможность определить их оптималь­ное значение, основываясь на основании расчетов, дающих в большинстве случаев однозначные решения.

Назовем оптимальным с технико-экономической точки зре­ния такой аппарат, для которого сумма Я годовых эксплуата­ционных затрат Э и капиталовложений К, приходящихся на один год нормативного срока окупаемости т„.0, минимальна:

П = Э + —. (143)

ТН0

Назовем величину Я показателем оптимальности аппарата.

Выбор оптимального варианта математически сводится к на­хождению глобального минимума функции Я. В капиталовло­жения К включаются те затраты, которые влияют на выбор оп­тимального варианта:

К = Кт+ Кмт + Л’„ + /Смн; (144)

здесь Кт — капиталовложения в собственно теплообменник;

А’м. т — стоимость монтажа теплообменника; Ки — капиталовло­жения в нагнетательное устройство; Кы. и — стоимость монтажа нагнетательного устройства.

Капиталовложения в КИП и автоматику включаются в капи­таловложения на теплообменник и нагнетательные устройства.

К капиталовложениям относят также затраты на приобрете­ние рабочих сред для первоначального заполнения системы.

Капиталовложения в теплообменный аппарат с двумя рабо­чими средами определяются уравнением

К = Л’то + Kn а = KrF + K^Ny + A’.v, A/2; (145)

здесь /Сто — стоимость теплообменника и его монтажа в руб.;

Л’па — стоимость нагнетателя и его монтажа в руб.; Кь—удель­ные капитальные вложения в теплообменник в руб./м2; F — при­нятое значение теплопередающей поверхности в м2; Knx—удель­ные капитальные вложения в нагнетательное устройство на сто­роне потока, отдающего тепло, в руб./кВт; Ад — мощность для преодоления гидравлических сопротивлений первой рабочей сре­ды в кВт; Клд—удельные капитальные вложения в нагнета­тельное устройство на стороне потока, воспринимающего тепло, в руб./кВт; К2—мощность для преодоления гидравлических со­противлений второй рабочей среды в кВт.

Эксплуатационные затраты Э включают в себя основные рас­ходы, непосредственно влияющие на выбор варианта. Они мо­гут быть разделены на две группы: а) пропорциональные капи­таловложениям и б) не зависящие от капиталовложений.

К первой группе могут быть отнесены: амортизационные от­числения на капиталовложения В теплообменники Кто-то и в на­гнетатели /Спаяна, расходы на текущий ремонт и содержание оборудования теплообменников КтоРто и нагнетателей /Спаяна, включая расходы па разработку и чистку поверхности теплопе­редачи от загрязнения.

К расходам, не зависящим от капиталовложений, относятся: расходы энергии на привод нагнетателей, пропорциональные мощности Эу = Ngтг, расходы на восполнение потерь рабочих сред, пропорциональные расходу сред Gі и Ог, их стоимостям Sth и Sth и годовому числу часов работы оборудования тг 5ТН= (Gi5TH + G2 5тн)тг, основная и дополнительная заработная плата персонала, обслуживающего оборудование, Sn и некото­рые другие производственные расходы Slip.

Сумма годовых эксплуатационных расходов равна

з = АТо(°то + Р то) + А’на{Она + Р на) + (Л’і + i:V2) S3Tr +

+ (GiS-гн + G2Sth) тг + Sn + Snp; (146)

здесь

Ато = Кт "Ь Амт, и Л „а = + /См„.

Подставляя значения К и Э из уравнений (145) и (146) в уравнение (143), получим основное расчетное уравнение

П = ЭЛ KfP (tf-ro + Р, о) + (Kn, N і + Ку, м 2) (й„а + Р на)тг +

Т-по

+ + yV2) S3Tr + (G^th + G2Sth) тг — f — Sn — f — Snp H x

X (KfF + KkxN{ + Kn2N2). (147)

Независимыми переменными в уравнении (147) являются F, Лц и iV2. На основании уравнений теплообмена и гидравлики эти переменные могут быть выражены как функции технологи­ческих и конструктивных параметров: скоростей потоков, темпе­ратур, физических свойств этих потоков, конструктивных разме­ров элементов теплообменника.

ВеЛИЧИНЫ Ctjot Fто» Тцо» Дна» ^на» ^т» *^тн» ^тн» *^э> ^п» ^пр ЯВЛЯ­

ЮТСЯ заданными постоянными.

Величины Kf, Кх, , Кх2у Gі, Go переменные, зависящие от F, iVj и N2> следовательно, и от технологических и конструктивных параметров теплообменника.

Для решения уравнений типа (147), записанных в разверну­том виде, целесообразно применение ЭВМ, поскольку число не­зависимых переменных может достигать 15—18.

Таким образом экономический оптимум теплообменников со­ответствует условиям, при которых сумма годовых эксплуатаци­онных затрат Э и капиталовложений К составляет наименьшее значение (Птш).

Практически капиталовложения и пропорциональные * им амортизационные расходы в первом приближении зависят от величины теплопередающей поверхности F.

При выбранной конструкции теплообменника параллельное включение каналов приводит к уменьшению скорости рабочих
сред, уменьшению гидравлических сопротивлений и мощности на их преодоление, но к увеличению потребной теплопередающеп поверхности F.

Таким образом, существует тенденция уменьшения эксплуа­тационных затрат с увеличением капиталовложений.

Рис. 106. График к определению эко­номического оптимума выбора вели­чины допустимого гидравлического сопротивления в пластинчатом кон­денсаторе: К — капитальные затраты (амортизационные расходы); Э — экс­плуатационные затраты; П — сум­марные затраты

На рис. 106 показано графическое определение экономиче­ского оптимума выбора допустимого гидравлического сопротив­ления по стороне нагреваемой среды в пластинчатом конденса­торе. Для построения такого графика экономического опти­мума необходимо задать ряд допустимых гидравлических сопротивлений ДР2 и вычис­лить потребную для этих усло­вий поверхность теплопередачи F. Далее следует вычислить соответствующие капитальные затраты и амортизационные расходы и построить на графи­ке кривую К. Затем для этого же ряда сопротивлений Д Р2 следует вычислить эксплуата­ционные расходы Э. Далее по­лученные в одинаковом мас­штабе кривые К и Э графиче­ски суммируют и строят кри­вую суммарных затрат П. Ми­нимальному значению суммарных затрат соответствует опти­мальный вариант выбора аппарата.

Рассмотрим пример выбора оптимального варианта пластин­чатого конденсатора.

Пример. Пусть необходимо сконденсировать 2,6 кг/с водяного пара при температуре 104° С при помощи 72,8 кг/с морской воды. Допустимое гидрав­лическое сопротивление по стороне воды находится в пределах 500— 50 000 Н/м2. Известно также, что аппарат должен работать 600 ч в год. Сто­имость 1 м3 воды — 0.001 р., стоимость 1 кВт/ч электроэнергии, расходуемой двигателем насоса,— 0,25 р. Стоимость теплопередающей поверхности из ти­тана в пластинчатом аппарате 250 р./м2. Предполагаемый минимальный срок работы аппарата 10 лет.

Решение. Прежде всего рассчитаем необходимый ряд поверхностей теплообмена ‘ при заданных гидравлических сопротивлениях. Расчет ведется методом последовательных приближений. Получим, что при АР2 = 500 Н/м2 необходима поверхность теплообмена F = 160 м2, при ЛР2 = 5000 Н/м2 F =

= 120 м2. при Р2 = 50 000 Н/м2 F = 100 м2.

Далее рассчитаем для каждого из трех случаев принятых значений АР2, чему равны амортизационные расходы по фор­муле

XT = F-^,

тно

где F — потребная поверхность теплопередачи; Kf — стоимость 1 м2 поверхности теплообмена; т110 — срок амортизации аппара­та (10 лет);

Лт, = = 4000 р./год;

12^50 = зооо р./год;

г, 100-259 оспЛ I

Лт =———- = 2500 р./год.

3 10

Эксплуатационные расходы определим по упрощенному для прикидочных расчетов уравнению, учитывающему только основ­ные затраты:

Э — Лт (ато + Р то) + N 2-S/tr

где Лт(Ото 4- Pi о) —годовые расходы на обслуживание приня­того аппарата; jV2S’tt — годовые расходы па прокачивание ра­бочей среды при заданных гидравлических сопротивлениях; C2S"Tr — годовая стоимость расходуемой рабочей среды.

Расходы на обслуживание (включая текущие ремонты и чи­стки) аппарата для всех вариантов принимаем пропорциональ­ными поверхности теплопередачи:

1) Лт,(ото + Рто) = 500 р./год;

2) Лт,(аТо + Pro) = 400 р./год;

3) ЛтзКо + Pro) = 300 р./год.

Годовая стоимость электроэнергии, расходуемой на преодо­ление гидравлических сопротивлений при прокачивании рабо­чей среды:

TOC o "1-5" h z Л7 о/ V&P2Qr 0,0728-500 0,25 7 Q.

1) NoS тг = — S тг = —1 .-^—-600 = 7,8 р./год;

її 0,7 1000

о at ev 0,0728-5000 0,25 ГГіґлГі,

2) . N2S тг = — . 6000 = 78 р./год;

; 0,7 1000 Р/

ат с/ 0,0728-50 000 0,25 тол,

3) N2S tp = —- 600 = 780 р./год.

0,7 1000

Годовая стоимость расходуемой охлаждающей воды (и по­полнения ее потерь) для всех трех сопоставляемых вариантов одинакова и равна

осллсл — 72,8-3600 (

025»тг = 3600S’rr = —— — 0,001 • 600 = 157 р./год.

р 1000

Тогда общие эксплуатационные расходы составят:

3, = 500 + 7,8 + 157 = 664,8 р./год;

32 = 400 + 78 + 157 = 635 р./год;

33 = 300 + 780 + 157 = 1237 р./год.

Суммарные затраты для каждого варианта составят

П = Э + К;

1) Я[ — 664,8 + 4000 = 4664,8 р./год;

2) П2 = 635 + 3000 = 3635 р./год;

3) Я3 = 1237 + 2500 = 3737 р./год.

Исходя из минимума суммарных затрат, целесообразно при­нять за оптимальный вариант второй вариант, т. е.

ДРГ = 5000 Н/м2 и F = 120 м2.

Технико-экономические показатели не всегда могут быть при­няты в качестве определяющих при выборе теплообменного ап­парата. Часто определяющими являются конструктивные, техно­логические либо эксплуатационные критерии.

К конструктивным относятся: ограничения по массе аппара­та, величине, габаритам и компоновке теплопередающей по­верхности, по применяемым материалам и их эффективному ис­пользованию.

К технологическим показателям, которые могут также вли­ять на конструкцию аппарата, относятся: абсолютные значения и перепады давления рабочих сред, их температуры и физиче­ские свойства, а также вид процесса (изменяется агрегатное состояние сред в аппарате или нет, химические реакции в аппа­рате и др.).

Поскольку теплообменный аппарат является элементом тех­нологической либо энергетической линии, управляемой и регу­лируемой с помощью автоматических устройств, особое значение приобретают динамические характеристики аппарата.

К эксплуатационным характеристикам могут быть отнесены: скорости образования отложений на поверхностях теплообмена и трудоемкость их удаления, интенсивность коррозии и ремон — тоспособность аппарата и др.

Конструирование теплообменного аппарата минимальной массы является самостоятельной задачей, имеющей широкое практическое применение.

Связь между массой теплообменного аппарата, его конструк­тивными и технологическими параметрами может быть пред­ставлена как сумма масс активной теплопередающей поверхно­сти и рамы аппарата (либо кожуха, камер, крышек)

В первом приближении зависимость между массой активной теплопередающей поверхности и ее площадью описывается урав­нением

Gf = F6npM. (149)

Для снижения массы теплообменного аппарата необходимо:

1) уменьшить эквивалентный диаметр каналов

2) интенсифицировать процесс теплопередачи как путем по­вышения скоростей движения рабочих сред, так и за счет искус­ственной турбулизации пограничного слоя;

3) предотвратить образование отложений на теплопередаю­щей стенке либо обеспечить быстрое их удаление;

4) увеличить температурный напор между рабочими сре­дами.

Масса аппарата прямо пропорциональна отношению плотно­сти материала к допустимому для него напряжению и соответ­ственно К Временному сопротивлению СГвр-

Поэтому при выборе материалов для создания аппарата ми­нимальной массы следует выбирать такие, у которых это отно­шение минимально (например, легированные стали, титан и др.).

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru