42 УДК 666.954.3.004.183 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ Акад. НАН Беларуси, докт. техн. наук, проф. ХРУСТАЛЕВ Б. М., канд. техн. наук, доц. РОМАНЮК В. Н. Белорусский национальный технический университет Снижение энергопотребления – одна из приоритетных задач крупно- тоннажных производств. К числу последних следует отнести и производ- ство асфальтобетонной смеси, в которой годовая потребность Республики Беларусь в 2006−2015 гг. оценивается величиной порядка 61 млн т. Для решения указанной задачи необходим постадийный анализ всего техноло- гического цикла конкретного производства с точки зрения энергоисполь- зования. Производство асфальтобетонной смеси можно представить состо- ящим из четырех основных звеньев (рис. 1), в каждом из которых протекает соответствующий технологический передел. Заключительная стадия производства асфальтобетонной смеси осу- ществляется в смесителе асфальтобетонного завода, где сходятся потоки всех ингредиентов для смешивания, после чего и получается конечный продукт. На рис. 2 приведена принципиальная схема смесителя асфальто- бетонного завода с нанесением всех потоков, имеющих место при его ра- боте, с помощью которой можно записать балансы энергии и эксергии про- текающих в нем процессов. Баланс энергии смесителя, приведенный к тонне асфальтобетонной смеси, имеет вид gмп мпh′ + gмз мзh′ + gб бh′ + gмпkпт вh′ + элw′ = ocq′′ + gмпkпт вh′′ + aбc ,h′′ МДж/т, (1) где мпh′ , МДж/т – удельная массовая энтальпия входного потока минераль- ного порошка; gмп, gмз, gб, доли, − массовые доли компонентов асфальто- бетонной смеси соответственно минерального порошка, минерального за- полнителя, битума. Пересчет состава асфальтобетонной смеси, заданного на массу минеральных материалов, что принято в практике технологов, т е п л о э н е р г е т и к а 43 в состав, определенный на общую массу, используемую в большинстве случаев, осуществляется следующим образом: мм мм , 1 j j i g g g = +∑ (2) где ммig∑ − сумма массовых концентраций ммjg всех неминеральных компонентов асфальтобетонной смеси в составе, заданном на массу мине- ральных материалов асфальтобетонной смеси. Рис. 1. Укрупненная структурная схема производства асфальтобетонной смеси: Gб, tб, hб – соответственно расход, температура, удельная энтальпия потока битума; Gмз, tмз, hмз – со- ответственно расход, температура, удельная энтальпия потока минеральных заполнителей; Gмн, tмн, hмн – то же минеральных наполнителей; Gj, hj, hj – то же j-го материального пото- ка; GАБС, tАБС, hАБС – то же асфальтобетонной смеси; ∑Mj, tj, hj – соответственно все расхо- ды, температуры, удельные энтальпии материальных потоков, поступающих или покидаю- щих ту или иную подсистему; ∑Qj – все тепловые потоки, покидающие или поступающие в дан- ную подсистему В (1) оставшиеся величины представляют: в ,h′ в ,h′′ МДж/т, – соответ- ственно удельные массовые энтальпии входного и выходного потоков воз- духа влагосодержанием dв, кг/кг, обеспечивающего подачу минерального порошка в смеситель с помощью системы пневмотранспорта; kпт − удель- ный расход воздуха на тонну транспортируемого минерального порошка; Комплекс подго- товки минераль- ных наполнителей Комплекс подго- товки минераль- ных заполнителей Комплекс подго- товки битума Смеситель Воздействие на окружа- ющую сре- ду – ∑Qj, ∑Mj, ∑hj, ∑tj GАБС, tАБС, hАБС – к по- требителю Контрольная поверхность ∑Gj, tj, hj – от поставщиков сырья, энергии ∑Gj, tj, hj – влага окружающей среды и внешних объектов Gб, tб, hб Gмз, tмз, hмз Gмн, tмн, iмн 44 мз ,h′ МДж/т, − удельная массовая энтальпия потока минерального заполни- теля (песчано-гравийная смесь); б ,h′ МДж/т, – удельная массовая энталь- пия потока битума; эл ,w′ МДж/т, – удельный поток электроэнергии на тон- ну асфальтобетонной смеси, требуемой на обеспечение работы смесителя: эл эл абс , Ww G ′ = ′ МДж/т, (3) где Wэл, МДж, − электроэнергия, подводимая к смесителю в течение вре- мени протекания фазы смешения; aбc ,G′ т, − масса готовой асфальтобетон- ной смеси, получаемой за то же время протекания фазы смешения. Удель- ная массовая энтальпия выходного потока асфальтобетонной смеси рас- считывается следующим образом: абс , абс0 , t j p jh g c t ′′ ′′ ′′=∑ МДж/т, (4) где gj, доли, − массовые доли компонентов асфальтобетонной смеси; , 0 t p jc ′′ , кДж/(кг⋅К), – теплоемкости компонентов асфальтобетонной смеси удельные массовые, изобарные, средние в интервале температур 0– абсt′′ . Здесь абсt′′ , °С, – температура готовой асфальтобетонной смеси. Теплота процесса рассеяния энергии через ограждающие конструкции осq′′ может быть определена различными способами, например по заданному коэффи- циенту рассеяния ηqптр в долях полезного потока теплоты qсм процессов смешения компонентов асфальтобетонной смеси: осq′′ = (1 − ηqптр)qсм, МДж/т. (5) Рис. 2. Схема потоков смесителя асфальтобетонного завода Поскольку доведение температуры смеси до требуемого значения про- исходит за счет энергии минеральных заполнителей непосредственно в смесителе при перемешивании компонентов и получении асфальтобетон- б ,G′ б ,p′ бh′ абс ,G′′ абс ,p′′ абсt′′ в ,G′′ в ,p′′ вt′′ Смеситель Wэл мп,G′ мп,p′ мпt′ в ,G′ в ,p′ в ,t′ вd ′ Qос мз ,G ′ мз ,p′ мзh′ 45 ной смеси, теплота qсм процесса смешения в этом случае, может быть определена относительно теплоты процесса охлаждения минеральных за- полнителей qсм = gмз( мзh′ − мзh′′ ), МДж/т. (6) В графической форме баланс энергии смесителя приведен на рис. 3. Рис. 3. Баланс энергии смесителя асфальтобетонного завода Эксергетический баланс смесителя, приведенный к тонне асфальтобе- тонной смеси, может быть записан в виде gмп мпе′ + gмз мзе′ + gб бе′ + gмпkпт ве′ + элw′ = dе + di + абс ,е′′ МДж/т, (7) где мп ,е′ мз ,е′ бе′ , кДж/т, − соответственно удельные массовые эксергии по- токов минерального порошка, минерального заполнителя, битума, состав- ляющих, в том числе, приходную часть баланса; прочие статьи приходной части баланса эксергии рассмотрены выше в пояснении баланса энергии. Расходная часть баланса эксергии (7) включает в себя: di, МДж/т, – внутренние потери эксергии блока, определяемые балансовым методом [1]; dе, МДж/т, − внешние потери эксергии блока, которые в данном случае мо- гут быть определены dе = ,осqе′′ + gмпkпт в ,е′′ МДж/т, (8) где в ,е′′ МДж/т, − удельная массовая эксергия выходного потока воздуха пневмотранспорта, обеспечивающего подачу минерального порошка в сме- ситель; ,ос ,qе′′ МДж/т, − удельная эксергия потока теплоты процесса рассе- яния энергии через ограждающие конструкции, отнесенная к единице мас- мнh′ = 1 кДж/кг кДж/кг q = 1 бh′ = 18 кДж/кг с.вh′ = 0,1 кДж/кг с.вh′′ = 0,1 кДж/кг w ′ o = 6 ,5 к Д ж /к г h ′ м м = 1 33 к Д ж /к г Σ w ′ = 1 58 ,5 к Д ж /к г С м ес ит ел ь h ′ аб с = 1 57 ,5 к Д ж /к г 46 сы асфальтобетонной смеси, определяемая в соответствии с соотношения- ми для эксергии потока теплоты [1]. При расчете величины ,осqе′′ в качестве определяющей температуры следует принимать температуру асфальтобе- тонной смеси. В то же время при оценке воздействия на окружающую сре- ду того же потока рассеяния энергии, определяющей температурой уже будет температура наружной поверхности смесителя. Наконец, в расход- ную часть баланса эксергии (7) входит абс ,е′′ кДж/т, − удельная массовая эксергия потока готовой асфальтобетонной смеси, которая характеризуется наличием всех составляющих эксергии потока вещества. В общем случае асфальтобетонная смесь состоит из потоков минерального заполнителя, минерального наполнителя и битума. Химическая составляющая эксергии минеральных заполнителей еμ,мз = 0, поскольку минеральный заполнитель в первую очередь SiO2, химическая эксергия которого определена в [2] равной нулю. Из того же источника находится химическая составляющая эксергии минеральных наполнителей еμ,мн = 1045 МДж/т, так как мине- ральный порошок чаще всего представлен доломитом CaCO3. Химическая составляющая эксергии битума еμ,б не может быть рассчитана по методи- кам, предназначенным для чистых химических соединений. Главная труд- ность состоит в том, что точная молекулярная структура битума неизвест- на. Картина усугубляется тем, что нефтеперегонные заводы СНГ произво- дят битум не как целевой товар, полноправный, например со светлыми нефтепродуктами, а как остаточный продукт произвольного качества. В этом случае можно использовать методику, рекомендуемую для опреде- ления химической составляющей эксергии нефти [1]: еμ = к(1066 + 67,4ω + 1875ν + 3784σ + 177,8ξ), кДж/кг, где к = 7,817C; ω = 6H/C; ν = (3/7)(N/C); σ = 1 + 3(H – (O – S)/8)/C; ξ = (3/8) S/C; C + H + O + N = 1 − массовые доли. Состав битума осредненный [3]: С содержит от 70 до 85 %; Н − от 8 до 12 %; О − от 0,2 до 5 %; S − от 0,5 до 7 %; N − от 0,2 до 1 %. Расчеты с учетом записанного состава дают величину химической со- ставляющей эксергии потока битума еμ = 38–44 МДж/кг. Учитывая все по- грешности приведенной расчетной цепи, можно записать еμ = 41 МДж/кг, что хорошо согласуется с еμ других нефтепродуктов [4]: неочищенный бензин еμ = 46 МДж/кг; мазут еμ = 42 МДж/кг. Учитывая шаг изменения еμ, при переходе к более тяжелой фракции нефтепродуктов следует считать приведенную здесь величину химической составляющей эксергии потока битума приемлемой. Величина к,абс ,е′′ МДж/т, − составляющей эксергии потока асфальтобе- тонной смеси, которую принято называть концентрационной, – определя- ется адгезионным взаимодействием вяжущего компонента асфальтобетон- ной смеси (битума) с минеральными материалами. Значение данной со- ставляющей однозначно связано с качеством готовой асфальтобетонной смеси, в этой связи представляет интерес более подробный ее анализ. С этой целью целесообразно рассмотреть эксергетические превращения, протекающие в ходе процессов, осуществляемых в смесителе. 47 Рис. 4. Эксергетические превращения процесса образования асфальтобетонной смеси в смесителе Смеситель Di De к,абс .Е′′ т,пгсЕ′′ т,пгсЕ′ т,мпЕ′′ т,бЕ′′ т,бЕ′ эл.эL′ ,бrЕ′′ ,мr пE′′ ,мпrЕ′ ,бrЕ′ На рис. 4 эксергетические превращения представлены в виде полосовой диаграммы Грассмана. Очевидно, что потоками транзитной эксергии являются составляющие потоки т,пгс ,Е′′ тб ,Е′′ ,мп ,rЕ′′ ,б .rЕ ′′ Частью полезного эффекта превращений являются: термическая составляющая эксергии по- тока МП ,мпrЕ′′ и главное – анализируемая составляющая эксергии потока асфальтобетонной смеси к,абс ,Е′′ определение которой в требуемом аспекте, насколько известно, не решено. Ее решение позволяет получить оценку требуемого энергетического воздействия в смесителе на ингредиенты ас- фальтобетонной смеси, без которого не может быть обеспечено качество продукции. Физически это вытекает из следующего. Для наступления адгезионного взаимодействия необходим контакт вя- жущего битума со всеми частицами минеральных заполнителей и мине- рального порошка, в том числе и агрегатированными. Для обеспечения требуемого контакта необходимо в смесителе затратить энергию, мини- мальное значение которой и определяет к,абс .Е′′ Это следует из анализа диа- граммы (рис. 4): работа механического перемешивания L′ не должна быть меньше к,абс ,Е′′ поскольку лишь в этом случае выполняется необходимое условие, вытекающее из баланса эксергии [1], ΣЕ′ > ΣЕ″. Необходимое вза- имодействие обеспечивается через затраты энергии на перемешивание ин- гредиентов, которые в идеальном варианте в свою очередь определяются энергией адгезионного взаимодействия. ,мпrE′′ 48 В Ы В О Д Таким образом, из изложенного выше следует, что составляющая эк- сергии асфальтобетонной смеси к,абсЕ′′ определяет энергетический мини- мум затрат идеального смесителя, затраты энергии на смешение в реаль- ном смесителе могут быть только равными или большими. Кроме того, решение задачи расчета концентрационной составляющей эксергии потока асфальтобетонной смеси к,абсЕ′′ имеет и технологическое звучание, по- скольку, как и в случае с цементом [5, 6], открывает путь для получения количественной оценки качества асфальтобетонной смеси, что весьма важ- но для практики. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Б р о д я н с к и й, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродян- ский, В. Фратшер, К. Михалек. − М.: Энергоатомиздат, 1998. − 288 с. 2. С т е п а н о в, В. С. Химическая энергия и эксергия веществ / В. С. Степанов. − Но- восибирск: Наука, 1985. – 100 с. 3. Л е о н о в и ч, И. И. Дорожно-строительные материалы: учеб. для вузов по специ- альности 1211 «Автомобильные дороги» / И. И. Леонович, К. Ф. Шумчик. − Минск: Вышэйш. шк., 1983. − 399 с. 4. Л е й т е с, И. Л. Теория и практика химической энерготехнологии / И. Л. Лейтес, М. Х. Сосна, В. П. Семенов. − М.: Химия, 1988. − 280 с. 5. Э к с е р г е т и ч е с к и й анализ при снижении энергозатрат в технологии цемента / М. А. Вердиян [и др.] // Цемент и его применение. − 1995. − № 5–6. − С. 35−44. 6. Р а с ч е т и формирование эксергии цемента в мельницах дискретно-непрерывного действия / М. А. Вердиян [и др.] // Цемент и его применение. − 2003. − № 9–10. − С. 41−43. Представлена кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Поступила 25.05.2009 УДК 669.04 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ФУТЕРОВКИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Доктора техн. наук, профессора ТИМОШПОЛЬСКИЙ В. И., ТРУСОВА И. А., НЕСЕНЧУК А. П., асп. МЕНДЕЛЕВ Д. В., канд. физ.-мат. наук ГЕРМАН М. Л. ПИИ «Евросталь ЛТД» (Украина), Белорусский национальный технический университет, РУП «Белорусский теплоэнергетический институт» В настоящее время при проектировании или модернизации нагрева- тельных и термических печей машиностроительных предприятий приме-