Теплотехника и энергосберегающие технологии



Значение коэффициента В и показателя степени n для вертикальной и горизонтальной поверхностей в зависимости от произведения приведены ниже:

Для труб и шаров определяющим линейным размером, входящим в безразмерные числа Nuж и Grж, является диаметр d; для вертикальных труб большого диаметра и пластин - высота Н.

Теплоотдача при конденсации. Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (tс<tн). Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например, ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку. Пленочная конденсация встречается значительно чаще.

Аналитическое решение для расчета локального коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки (Re=w/v<400) имеет вид

где r - теплота парообразования.

Из формулы видно, что интенсивность теплоотдачи убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н рассчитывается по формуле:

Re=0.95Z0.78t;

где

Теплофизические параметры конденсата в формулы следует подставлять при температуре насыщения tн, а с и с при температуре стенки.

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи. Чтобы не допустить грубой ошибки, нужно четко представлять диапазоны изменения коэффициентов теплоотдачи в различных условиях. Они приведены ниже, Вт/(мІК)

Свободная конвекция в газах	5-30
Свободная конвекция воды	102-103
Вынужденная конвекция газов	10-500
Вынужденная конвекция воды	500-2104
Жидкие металлы	102-3104
Пленочная конденсация водяного пара	4103-104
Капельная конденсация водяного пара	4104-105

Лекция 13. Описание процесса излучения. Основные определения

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний.

Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны и частотой колебаний

=с/,

где с - скорость света (в вакууме с=3108 м/с).

Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока интегрального излучения Е, Вт/мІ.

Часть энергии излучения Е_пад, падающего на тело, поглощается (Е_а), часть отражается (ЕR) и частично проникает сквозь него (Е_D).

Таким образом,

Е_а+Е_R+E_D=E_пад.

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

A+R+D=1.

Величина А называется коэффициентом поглощения, R - коэффициентом отражения, D - коэффициентом пропускания.

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Для этого тела А=1. Тела для которых А<1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R=1, для абсолютно прозрачного D=1.

Сумма потоков собственного и отраженного телом излучения называется его эффективным излучением:

Е_эф=Е+RE_пад.

Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом. Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от его температуры описывается законом Стефана-Больцмана:

Е₀=₀Т⁴.

Здесь ₀=5,6710^-8 Вт/(мІК⁴) - постоянная Стефана-Больцмана. Для технических расчетов закон Стефана-Больцмана обычно записывают в виде:

Е₀=С₀(Т/100)⁴.

Где

С₀=₀10⁸=5,67 Вт/(мІК⁴)

называется коэффициентом излучения абсолютно черного тела.

Тела, с которыми мы имеем дело на практике, излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения Е данного тела к поверхностной плотности потока интегрального излучения Е₀ абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

=Е/Е 0.

Степень черноты меняется для различных тел от нуля до единицы в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степени черноты, можно записать закон Стефана-Больцмана для реального тела:

Е=Е₀=С₀(Т/100)⁴=С(Т/100)⁴.

Здесь

С=С₀

- коэффициент излучения реального тела, Вт/(мІК⁴).

13.1 Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Рассмотрим теплообмен между двумя единичными поверхностями, обращенными друг к другу с небольшим зазором, причем Т₁>Т₂. В этой системе Е 1 - энергия собственного излучения первого тела на второе, Е₂ - второго на первое. Ввиду малого расстояния между ними практически все излучение каждой из рассматриваемых поверхностей попадает на противоположную. Воспользуемся понятием эффективного излучения Еэф, представленного выражением

Е_эф=Е+RE_пад.

Для непрозрачного тела (D=0 и R=1-A) выражение

Е_эф=Е+RE_пад

запишется в виде

Е_эф=Е+E_пад(1-А).

Каждое из рассматриваемых тел имеет эффективное (полное) излучение, соответственно Е_эф1 и Е_эф2. Для первого тела Е_эф2 является падающим излучением, поэтому

Е_эф1=Е_эф1+Е_эф2(1-_А1)

Аналогично для первого тела

Е_эф2=Е_эф2+Е_эф1(1-А₂)

Плотность результирующего теплового потока от первого тела на второе равна

q_1,2=Е_эф1-Е_эф2

Подставляя найденные из совместного решения уравнений выражение Е_эф1 и Е_эф2 в формулу

q_1,2=Е_эф1-Е_эф2

получаем



Заменим величины Е₁ и Е₂ по формуле

Е=Е₀=С₀(Т/100)⁴=С(Т/100)⁴.

Тогда

Будем считать что степень черноты обеих поверхностей не меняется в диапазоне температур от Т₁ до Т₂. Следовательно по закону Кирхгофа А₁=₁ и А₂=₂. Заменяя А на и вынося ₁₂с₀, получаем:

величина

=_пр

называется приведенной степенью черноты системы тел. С учетом пр и выражения

формула для полного топливного потока записывается в виде

где F - площадь теплообменной поверхности одинаковая в нашем случае для обоих тел.

Из

=_пр

видно, что _пр меняется от нуля до единицы, оставаясь всегда меньше ₁ и ₂.

В соответствии с формулой

полный поток теплоты, передаваемый излучением от горячего тела более холодному, пропорционален поверхности тела, приведенной степени черноты и разности четвертых степеней абсолютных температур тел.

На практике часто наблюдается одна теплообменная поверхность полностью охватываемая другой. В отличии от теплообмена между близко расположенными поверхностями с равными площадями здесь лишь часть излучения поверхности F2 попадает на F1. Остальная энергия воспринимается самой же поверхностью F2. Тепловой поток, передаваемый излучением от внутреннего тела к внешнему, можно также определить по формуле



если вместо F подставить поверхность меньшего тела F1, а степень черноты системы определить по формуле:

В случае теплообмена между произвольными телами каждое из них излучает на другое лишь часть энергии, излучаемой им по всем направлениям; остальная энергия рассеивается в пространстве или попадает на другие тела. В этом случае в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, называемый коэффициентом облученности тела 1,2 и учитывающий долю излучения первого тела, которая воспринимается вторым телом.

Таким образом, теплообмен между двумя произвольно расположенными телами может быть рассчитан по формуле

13.2 Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде

Продукты сгорания топлив представляют собой смесь нескольких газов. Различные газы обладают различной способностью излучать и поглощать энергию. Одно- и двухатомные газы (кислород, азот и др.) практически прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода и серы, водяной пар, аммиак и др. Наибольший интерес представляют сведения об излучении диоксида углерода и водяного пара, образующихся при сгорании топлив. Интенсивностью их излучения в основном определяется теплообмен раскаленных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми телами в топках. С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в область коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень черноты газа r существенно зависит от температуры, "закон четвертой степени" Стефана-Больцмана строго не выполняется. Так, плотность черноты потока ЕН 2О Т 3, а ЕСО 2Т 3,5.

Излучение газов носит объемный характер. Способность газа излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяется парциальным давлением p, и чем больше толщина слоя газа l, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому степень черноты газа r обычно представляют в виде зависимости от произведения pl или приводят в номограммах. Поскольку полосы излучения диоксида углерода и водяных паров не перекрываются, степень черноты содержащего их топочного газа в первом приближении можно считать по формуле:

r=co2+H2O.

Излучение чистых газов находится в инфракрасной части спектра. Имеющиеся в продуктах сгорания раскаленные твердые частицы придают пламени видимую окраску, и его степень черноты может быть большой, достигая значений 0,6-0,7. Основное количество теплоты в топках передается излучением пламени.

Лекция 14. Теплообменные аппараты

14.1 Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Чаще всего в теплообменных аппаратах (ТОА) осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на три основные группы:

1) рекуперативные;

2) регенеративные;

3) смесительные.

Рисунок 14.1 - Схема простейшего кожухотрубного рекуперативного теплообменника для передачи теплоты от одного теплоносителя (l) к другому (ll)

1) Рекуперативные ТОА - аппараты, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника. Она выполняется из материала с хорошей теплопроводностью (меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т.д.).

Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном пространстве. В таких ТОА горячий и холодный теплоносители не контактируют, поэтому можно использовать самые разнообразные их сочетания.

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей на:

а) прямоточные - если теплоносители движутся в одинаковом направлении;

б) противоточные - если теплоносители движутся в противоположном направлении;

в) с перекрестным током - если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. Возможен многократный перекрестный ток.

На практике встречаются более сложные схемы движения теплоносителей, включающие различные комбинации основных.

К рекуперативным теплообменникам можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем.

Регенеративные ТОА- аппараты, в которых поверхность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде. В качестве поверхности нагрева в таких теплообменных аппаратах используется твердый, достаточный массивный материал (кирпичи, различные засыпки, листы металла). Режим работы генераторов в отличии от рекуператоров нестационарный, периодический.

Регенераторы и рекуператоры по способу передачи теплоты относятся к поверхностным теплообменникам.

3) Смесительные ТОА - аппараты, в которых теплота передается при непосредственном смешении охлаждаемой и нагреваемой среды (контактные теплообменники). Они просты и компактны.

Используются смесительные теплообменники для легко разделяющихся теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи.

Из всех типов теплообменников наиболее широкое распространение получили рекуперативные.

14.2 Расчетные уравнения

Сущность расчета любого ТОА - совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.

1) Уравнения теплового баланса.

Тепловой поток Q1, отраженный в теплообменнике горячим теплоносителем при его охлаждении от температуры t1' до t1" равен:

Q1=m1(Cp1't1'-Cp1"t1"), кДж

где индекс 1 относится к горячему теплоносителю; m - массовый расход теплоносителя, кг/с; Cp' и Cp" - теплоемкости соответственно на входе и выходе ТОА, кДж\(кг град); t' и t" - температура теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, C.

Из-за потерь (до 10%) второму теплоносителю передается не вся теплота Q1, а часть ее

Q2=Q1

( - КПД теплообменника)

Тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Q2=Q1

или

,

2) Уравнение теплопередачи.

В простейших случаях, когда поверхность теплообмена можно считать плоской (тонкие стенки трубок рекуперативных ТОА практически всегда считают плоскими), можно записать уравнение теплопередачи:

,

где к - коэффициент теплопередачи через поверхность;

- среднее по поверхности значение температурного напора (t1-t2). Изменения температурного напора показаны на рисунке ниже.

Рисунок 10.4 - Изменение температур горячего и холодного теплоносителей по длине рекуперативного ТОА

Пользоваться среднеарифметическим значением tcp=0,5(tб+tм) можно только при tб/tм <=1,4, когда ошибка составляет не более 4% ; что допустимо для технических расчетов.

Во всех остальных случаях следует пользоваться среднелогарифмическим температурным напором:

,

Эта формула справедлива для любых схем движения теплоносителей.

Следует заметить, что среднелогарифмический напор всегда меньше среднеарифметического: t<tcp.

Лекция 15. Термодинамический анализ топливосжигающих устройств

Промышленная печь - термотехнологическое устройство, предназначенное для осуществления физико-химических превращений исходных материалов путем тепловой обработки их при оптимальных температурах.

Источником теплоты в пламенных печах служат различные виды жидкого и газообразного углеводородного топлива.

Жидким топливом для промышленных печей является мазут, получающийся как остаток после переработки нефти. В соответствии с ГОСТ 1O585-75 для мазутов установлены следующие марки: флотский Ф 5 с государственным Знаком качества, флотский Ф 5; флотский Ф 12 с государственным Знаком качества, флотский Ф 12" топочный с государственным Знаком качества М 40В, топочный М 40; топочный с государственным Знаком качества M100B, топочный M100.

Флотские мазуты относятся к категорий средних топлив, M100 - к категории тяжелых мазутов.

По содержанию серы мазуты подразделяются на малосернистые , сернистые и высокосернистые . В отдельных случаях (при переработке высокосернистой нефти) допускается содержание серы в мазуте до 4,3 %.

Газообразное топливо имеет ряд преимуществ: простота регулирований процесса горения и достижения полного сгорания при малом избытке воздуха, возможность высокотемпературного подогрева перед сжиганием, пренебрежимо малое содержание минеральных примесей.

Печная установка включает следующие элементы:

топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена;

рабочее пространство печи для выполнения целевого технологического режима;

теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев воздуха);

утилизационные установки (запечные котлы - утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов;

тяговое и дутьевое устройства (дымовая труба, дымососы и вентиляторы) для удаления продуктов сгорания топлива, газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам;

очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Широкое применение высокотемпературной тепловой обработки материалов привело к созданию разнообразных технологических печей.

По тепловым режимам выделяют две большие группы печей:

1) печи-теплообменники;

2) печи-теплогенераторы.

Внутри каждой группы различают по две физические модели с соответствующим тепловым режимом: радиационным и конвективным, характерными для печей-теплообменников, и массообменным и электрическим, характерными для печей-теплогенераторов.

В печах-теплообменниках зоны теплогенерации (объем топочного пространства) и технологического процесса (нагреваемая среда) разделены поверхностью теплообмена. Примером печей-теплообменников являются трубчатые печи нефтехимического производства.

В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и теплогенерации совмещены. Пример печи-теплогенератора - печь для обжига в "кипящем слое".

В пособии приводится пример расчёта трубчатых печей, применяемых в химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел и др. В этих печах теплота передается трубчатой поверхности и конвекцией, и радиацией. Поэтому они отличаются высокой тепловой эффективностью.

Трубчатая печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам которого прокачивают нагреваемый продукт. Змеевик такой печи составлен из прямых труб, соединенных между собой калачами или специальными перепускными двойниками. Шаг между трубами циста составляет 1,8 ... 2d (d - нерудный диаметр трубы).

На рис.1 показана типовая двухкамерная печь с наклонным сводом радиационно-конвективного типа. Наклонный свод способствует равномерному поглощению лучистой теплоты. Форсунки размещаются в специальных муфелях, основным видом топлива в трубчатых печах являются - газ и мазут. Распыл мазута осуществляется паром. При сжигании мазута коэффициент избытка воздуха в топке 1,4 ... 1,8. При воздушном распыле мазута коэффициент избытка воздуха в топке снижается до 1,2…1,3, что ведет к снижению потерь теплоты с уходящими газами. КПД трубчатых печей составляет 50 ... 70%, а при утилизации теплоты уходящих газов достигает 80 %.

Тепловая мощность трубчатых печей не превышает 30 МВт, а теплонапряжение поверхности нагрева радиационных труб - 16 ... 55 . Скорость дымовых газов в трубном пучке составляет 3 ... 4 м/с при обычной естественной тяге, которая обеспечивается дымовой трубой высотой 40 ... 50 м. Скорость жидкой среды в трупах составляет 0.5 ... 3 м/с.

На рисунке 15.1 приведена конвективная трубчатая печь с горизонтальным расположением труб. Регулирование температуры газов на входе в конвективный пучок достигается рециркуляцией уходящих газов. Преимуществом печей конвективного типа является большая степень равномерности нагрева труб по сравнению с радиационным обогревом в однорядном экране.

Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими стенками (печи беспламенного горения). В них боковые стенки составляются из беспламенных панельных горелок, позволяющих сжигать топливо с малым коэффициентом избытка воздуха без потерь от химической неполноты сгорания и при больших тепловых напряжениях топочного объема. Необходимей для горения воздух инжектируется топливным газом из атмосферы. Паровоздушная смесь поступает через распределительную камеру горелки в керамические туннели, равномерно расположенные по всей поверхности горелки. Полное горение заканчивается в туннеле. Производительность горелок регулируется изменением давления горючего газа перед соплом инжектора. Высокий к.п.д. данных печей связан с работой горелок при малых , что способствует снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также потерь в окружающую среду вследствие малых габаритов печи. Кроме того, при малых значениях снижаются выбросы оксидов азота в окружающую среду.

Рисунок 15.1 - Схема двухкамерной печи с наклонными сводами

15.1 Полезная тепловая нагрузка печи

Полезно использованное тепло или полезная тепловая нагрузка печи складывается из количеств тепле, которые передаются продукту в печи для его нагрева и частичного испарения.

Если в печи помещены несколько самостоятельных змеевиков, то полезная тепловая нагрузка равна сумме теплот, полученных отдельными потоками.

Полезную тепловую нагрузку рассчитывают по формуле, кВт,

,

где - расход продукта, кг/с;

е - массовая доля отгона на выходе из печи;

- удельная энтальпия продукта на входе в печь, кДж/кг;

, - удельные энтальпии жидкой и паровой фаз нефтепродукта на выходе из печи, кДж/кг.

Энтальпию жидкого нефтепродукта можно рассчитать по формуле, кДк/кг,

,

где - плотность жидкости при температуре 20 °C, отнесенная к плотности воды при 4 °С

=

t,°С - температура, при которой определяется энтальпия.

Энтальпия углеводородных газов и паров при невысоких давлениях" кДж/кг,

15.2 Расчет процесса горения топлива в печи

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формулам:

для жидкого топлива, кДж/кг топл.,

где - содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги в топливе (элементарный состав), % массовый;

для газообразного топлива, кДж/мі топл.,

где Н₂, СО, H₂S и т.д. - объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный.

Высшая теплота сгорания топлива:

для жидкого топлива, кДж/кг,

для газообразного топлива, кДж/мі,

где - объемное содержание газов, входящих

в газообразное топливо, в долях от единицы - высшая теплота сгорания водорода, двуокиси углерода и т.д.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания:

1 кг жидкого топлива, мі/кг топл.,

1 нмі газообразного топлива, мі/мі топл., \

Для обеспечения полноты сгорания топлива практически в печь подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим.

Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

где - действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 мі сжигаемого топлива, кг/кг топл., кг/мітопл.

Значения коэффициента избытка воздуха зависят от способа сжигания и вида топлива, принимаются по таблице:

Таблица 15.1 - Значение коэффициента избытка воздуха в печи

Вид топлива	Способ сжигания	Коэффициент избытка воздуха
Жидкое Жидкое Газообразное	Форсунки с паровым распылом Форсунки с воздушным распылом Горение в объеме	1,3...1,4 1,2.. 1,3 1,05.,.1,2

Состав продуктов сгорания. Продукты полного горения топлива состоят из двуокиси углевода СO₂, двуокиси сернистого газа SO₂, если в топливе есть сера, паров воды Н₂O, азота N₂ и избыточного кислорода O₂ .

При сжигании жидкого или твердого топлива, мі/кг топлива:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

При сжигании газообразного топлива, мі/мі топл.:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)



Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

Энтальпия, кДж/кг топл., кДж/мі топл., продуктов сгорания

воздуха

где и т.д. - энтальпии газов, принимаются в зависимости от их температуры.

15.3 Тепловой баланс печи, коэффициент полезного действия

Уравнение теплового баланса печи составляется для 1 кг жидкого или 1 мі газообразного топлива, при этом составляющие уравнения измерены в кДж/кг или кДж/ мі соответственно.

где - располагаемая теплота, т.е. теплота, вносимая в трубчатую печь при сжигании 1 кг жидкого или 1 мі газового топлива; - полезно используемая теплота в печи; - потери теплоты с уходящими продуктами сгорания; - потери теплоты от химической неполноты сгорания; - потери теплоты от механической неполноты сгорания; - потери теплоты в окружающую среду через ограждения печи (стены, под и т.д.).

Располагаемая теплота

где - низшая теплота сгорания; - физическая теплота используемого жидкого или твердого топлива для газа 0. т ф " 0); Q в - теплота воздуха, подаваемого в печь, если воздух предварительно подогревается до печи; - теплота форсуночного пара.

где Ст - теплоемкость топлива; принять Ст = 1,9 кДж/(кгК) (для жидкого топлива); - температура топлива, °С.

где Нв - энтальпия нагретого воздуха на входе в печь, кДж/кг.

где - расход пара для распыливания 1 кг жидкого топлива; принимается 0,3...0,5 кг пара/кг топл.; - энтальпия пара, поступающего к форсункам, кДж/кг; r - теплота парообразования, кДж/кг.

Разделив уравнение теплового баланса на , получим

где слагаемые представляют собой величины, выраженные в долях от располагаемой теплоты.

При сжигании жидких и газообразных топлив и пренебрежимо малы, а принимают в размере

Тогда

где - определяется по диаграмме Н- t, а - по формуле

при t0 .

Коэффициент полезного действия печи

Расход тетива, кг/с, мі/с,

Проверка теплового баланса, кВт,

Лекция 16. Котельные установки. Общие сведения

Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива или подводимой от посторонних источников (обычно с горючими газами), называют котлами. Они делятся соответственно на котлы паровые и котлы водогрейные. Котлы, использующие (т. е. утилизирующие) теплоту отходящих из печей газов или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами.

С целью обеспечения стабильной и безопасной работы котла его снабжают вспомогательным оборудованием, служащим для подготовки и подачи топлива, воздуха, очистки и подачи воды, отвода продуктов сгорания и их очистки от золы и токсичных примесей, удаления золошлаковых остатков.

Комплекс устройств, включающий в себя собственно котел и вспомогательное оборудование, называют котельной установкой.

16.1 Устройство парового котла

Одна из схем котла с естественной циркуляцией приведена на рисунке. Барабанный паровой котел состоит из топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара), воздухоподогревателя, соединительных трубопроводов и воздуховодов.

Топливо подается к горелкам 7 (рисунок 16.1). К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухоподогревателе 5. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы /, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева - экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого здесь разведены в два-три ряда, и омывают пароперегреватель 3. Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель и покидают котел с температурой около ПО--150 °С.

Рисунок 16.1 - Вертикально-водотрубный барабанный паровой котел с естественной циркуляцией: ПВ - подача питательной воды; НП - линия насыщенного пара; ПП - отвод перегретого пара; Т - подача топлива к горелке; В - подвод воздуха к воздухоподогревателю; ГВ - горячий воздух; ПС - У Г - тракт продуктов сгорания топлива и уходящих (из котла) газов; Ш - шлак; 1 - экранные трубы; 2 - барабан; 3 - пароперегреватель; 4 - водяной экономайзер; 5 - воздухоподогреватель; 6 - коллекторы; 7 - горелка; 8 - топка; 9 контур (стена) топки и газоходов; 10 - опускная труба; 11 - излучающий теплоту топочный факел.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогревается в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходящих газов), экономя тем самым теплоту сожженного топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испарительные поверхности подключены к барабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 3, перегретый пар направляется к потребителю.

Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как правило, трубчатые. Лишь некоторые мощные паровые котлы имеют воздухоподогреватели иной конструкции.

Газоход, в котором расположены водяной экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным (конвективная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовыми, позволяют снизить температуру продуктов сгорания от 500--700 °С после пароперегревателя почти до 100 °С, В газоходах и топке котла за счет тяги специально устанавливаемого дымососа поддерживается разрежение. Оно не позволяет продуктам сгорания выбиваться в атмосферу котельного цеха через возможные неплотности обмуровки, через лючки и лазы.

Паровые котлы оснащаются системами дистанционного управления и автоматизации, обеспечивающими надежную, безопасную и экономичную их работу.

16.2 Тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия

Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характеризуется равенством между количествами подведенной (располагаемой) и расходуемой теплоты:

.

Обычно тепловой баланс составляют на единицу количества сжигаемого топлива 1 кг твердого или жидкого, либо 1 мі газообразного топлива, взятый при нормальных условиях. С учетом этого и пренебрегая физической теплотой топлива и холодного воздуха, можно считать

Здесь -- низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии.

Часть теплоты, затрачиваемая на подогрев, испарение воды и перегрев пара, составляет использованную теплоту , остальное - потери. В итоге уравнение теплового баланса котла будет иметь вид

=

где -- потери теплоты соответственно с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от механического недожога, через ограждения топки и конвективных газоходов.

В процентах от располагаемой теплоты тепловой баланс может быть записан так:

100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6

Доля теплоты, использованной в котельном агрегате (переданной воде и пару), есть коэффициент полезного действия котла брутто , (так называют КПД, подсчитанный без учета затрат энергии на собственные нужды). Таким образом,

,

или

Теплота , воспринятая водой и паром в котле, может быть определена из уравнения

Здесь и -- энтальпии перегретого пара и питательной воды.

Величина взята здесь в долях единицы.

Лекция 17. Состав и основные характеристики жидкого топлива

Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300--370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре : сжиженный газ (выход около 1 %), бензиновую (около 15%, = 30…80°С), керосиновую (около 17%, =120…135°С), дизельную (около 18%, = 180…350 °С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330--350 °С называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьем для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок - бензина, керосина, дизельных топлив и т. д.

Мазутная фракция может подвергаться дальнейшей переработке на светлые нефтепродукты путем крекинга, т. е. расщепления тяжелых молекул на более легкие.

Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (C'= 84-86%) и водород (Н'=10 - 12%).

Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при их сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому ее часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

17.1 Состав и основные характеристики газообразного топлива

К газообразным топливам относится, прежде всего, природный газ, огромными запасами которого располагает СССР. Основным его компонентом является метан СН 4, кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N2, высших углеводородов СnНm, диоксида углерода СO2. В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придающие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы. Принято считать, что концентрация водяного пара в природном газе соответствует состоянию насыщения при температуре газа в трубопроводе.

17.2 Теплота сгорания топлива

Под теплотой сгорания понимается количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного - к 1 мі (в нормальных условиях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние. По ГОСТ 147--74 с изменениями от 01.01.1981 г. и 01.01.1985 г. она определяется в калориметре.

Продукты сгорания пробы топлива охлаждаются в калориметре до комнатной температуры. При этом вода, образующаяся при сгорании водорода и содержащаяся во влажном топливе, оказывается в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидкости, теплота сгорания называется высшей - Qs.

В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Если в результате сгорания вода получается в виде пара, теплота сгорания называется низшей - Qi. Она меньше, чем Qs, на количество затрат теплоты на испарение. В СССР и ряде других стран обычно оперируют низшей теплотой сгорания на рабочее состояние . В США и Великобритании теплотехнические расчеты выполняют на основе высшей теплоты сгорания.

Поскольку 1 кг водорода дает при сгорании 9 кг воды, а конденсация 1 кг пара при 20 °С - около 2,5 МДж теплоты, то приближенно

Значения и подставляются в эту формулу в %, Q- в КДж/кг.

Максимальная теплота сгорания твердых топлив доходит до =28МДж/кг (тощие угли и антрациты), минимальная может в зависимости от содержания балласта опускаться до 10 МДж/кг и ниже.

Теплота сгорания обезвоженных мазутов = 41,54…39 МДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, примерно одинаков, их теплота сгорания также примерно одинакова.

Зависимость теплоты сгорания (МДж/кг) широкого круга органических

веществ от их элементного состава (%) хорошо иллюстрирует формула Д.И. Менделеева:

Калориметр позволяет определить теплоту сгорания с большей точностью, чем эта и аналогичные ей формулы, поэтому она используется как иллюстративная и иногда - для проверки точности элементного анализа.

Теплоту сгорания газообразного топлива обычно относят к 1 мі сухого газа (так называемая низшая теплота сгорания сухого газа ) в нормальных условиях и рассчитывают через теплоты сгорания составляющих его компонентов (кДж/мі), являющиеся коэффициентами в следующей формуле, умноженными на 100:

Здесь СН 4, С 2Н 6 и т. д.-- содержание соответствующих компонентов в газе, % по объему. С другой стороны, теплоту сгорания нетрудно определить экспериментально в калориметре. Значения Qi для основных газообразных топлив приведены в таблице.

Таблица 17.1 - Состав (% об.) и теплота сгорания горючих газов

Газ	СН 4	Н 2	СО	СnНm	O2	СO2	H2S	N2
Природный (газопровод Бухара-Урал) Коксовый (очищенный) Доменный Сжиженный Биогаз	94,9 22,5 0,3 4 55-70	- 57,5 2,7	- 6,8 28	3,8 1,9 -	- 0,8 -	0,4 2,3 10,2	- 0,4 0,3	0,9 7,8 58,5	36,7 16,6 4 88,5 18--23
		Пропан 79, этан 6, бутан 11
		До 0,5		28--43	До 0,5	До 0,5

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе. Поэтому введено понятие так называемого условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю.

17.3 Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота "сгорания"

Каким бы сложным ни был состав углеводородного топлива, при его полном сгорании углерод окисляется до СO₂, водород - до Н₂O, сера - до SO2. Формально полное окисление серы соответствует образованию SO₃, однако при топочных температурах SO₃ практически не образуется. Окислителем обычно служит воздух. Количество его должно быть, естественно, достаточным для полного сгорания всех горючих элементов. Балансовые уравнения, показывающие исходные и конечные состояния участвующих в реакциях компонентов, называются стехиометрическим и.

В соответствии со стехиометрическим уравнением реакции горения водорода

Н₂ + 0,5О₂ = Н₂О

на 2 кг, т. е. на 1 кмоль водорода, необходимо затратить 16 кг (0,5 кмоль) кислорода, при этом образуется 18 кг водяного пара. Аналогично из реакций

C + O₂ = CO₂

S + O₂ = SO₂

следует, что на 12 кг углерода и 32 кг серы нужно затратить по 32 кг кислорода, при этом получается соответственно 44 кг CO₂ и 64 кг SO₂. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода теоретически требуется затратить 2,67 кг кислорода, а 1 кг серы и водорода соответственно 1 и 8 кг кислорода. Часть необходимого кислорода, равная 0,01 Оr кг/кг, содержится в топливе, остальное в количестве

нужно подать с воздухом. Плотность кислорода в нормальных условиях равна 1,43 кг/мі (молекулярная масса, деленная на объем 1 киломоля, т.е. 32/22,4), содержание кислорода в сухом воздухе составляет по объему 0,21. Следовательно, объем воздуха (приведенный к нормальным условиям), теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг топлива, равен, в мі/кг,

V° =

Выше указывалось, что теплоту, выделяющуюся в реакции горения, принято относить к единице массы топлива, называя теплотой его сгорания. Поскольку в реакции в равной мере участвуют и горючие элементы (топливо), и кислород (воздух), эту теплоту можно отнести и к единице массы воздуха. Расчеты показывают, что отнесенная к единице полностью прореагировавшего воздуха теплота сгорания различных топлив несколько различается, однако в среднем ее можно принять равной 3,8 МДж на 1 м (в нормальных условиях) действительно прореагировавшего воздуха. Эта цифра удобна для приближенных расчетов, обеспечивающих точность в пределах 10-15 %. Поэтому для оценочных расчетов можно принять

V°=/3,8.

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку приходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение количества воздуха VB, действительно поданного в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

При нормальной организации топочного процесса , причем чем совершеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится подавать "лишнего" воздуха. В лучших топочных устройствах , в плохих - до 1,3…1,5.

17.4 Объемы и состав продуктов сгорания

При проектировании теплотехнических агрегатов нужно знать количество образующихся газов, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать устройство (дымосос) для удаления этих газов и т. д. Как правило, количества продуктов сгорания (как и подаваемого воздуха) относят на единицу топлива (на 1 кг для твердого и жидкого и на 1 мі в нормальных условиях для газа). Их рассчитывают исходя из уравнения материального баланса горения. Для грубых оценок можно считать, что в нормальных условиях объем продуктов сгорания твердого и жидкого топлив равен объему воздуха , а газообразного топлива , ибо объем основной составляющей дымовых газов - азота, так же как и "избыточного" кислорода, при горении не меняется. В реакциях

C + O₂ = CO2, S + O₂ = SO₂

объем газов тоже остается постоянным. Для более точных расчетов необходимо все же учитывать, что при сжигании твердого топлива > (обычно на 15--25 %) прежде всего из-за испарения содержащейся в нем влаги, а также из-за образования водяного пара при сгорании водородсодержащих соединений.

При полном сгорании

Здесь - избыточный кислород воздуха, "транзитом" проходящий в продукты сгорания; - азот воздуха, также проходящий "транзитом" (азотом топлива пренебрегаем);

- объем сухих трехатомных продуктов сгорания.

Поскольку при сгорании 1 кмоля углерода и серы (соответственно 12 и 32 кг) по реакциям образуется по 1 кмолю CO₂ и SO₂, а объем 1 кмоля идеального газа в нормальных условиях равен 22,4 мі, то объем трехатомных продуктов сгорания, мі/кг, можно записать

При сгорании 1 кг водорода по реакции образуется 9 кг водяного пара, кроме того, испаряется и влага топлива. В идеально-газовом приближении плотность водяного пара в нормальных условиях равна 18/22,4 = 0,805 кг/мі. Водяным паром, содержащимся в воздухе (около 10 г на 1 мі), можно пренебречь. Следовательно,

Для всех топлив СССР значения , и табулированы.

Приведенные формулы позволяют рассчитать также состав продуктов сгорания, т. е. процентное содержание в нем отдельных компонентов, например концентрацию кислорода

,

водяного пара

и т.д.

Лекция 18. Вторичные энергоресурсы. Классификация ВЭР

Под ВЭР подразумевают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов.

Все ВЭР разделяются на 3 основные группы:

Горючие (топливные) ВЭР - горючие газы плавильных печей, горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья (степень использования 90-95%).

Тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, физическая теплота основной и побочной продукции. Теплота рабочих тел системы принудительного охлаждения технологических агрегатов, теплота горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовых установках.

ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которую необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих газов и жидкостей или выбросом их в атмосферу.

18.1 Методы использования тепловых ВЭР

Использование тепловых ВЭР возможно по трем направлениям:

внутреннее регенеративное теплоиспользование, которое характеризуется возвратом теплоты отходящих потоков (их части) для проведения основного технологического процесса; достигается подогревом компонентов горения, предварительным нагревом исходного технологического сырья;

внешнее теплоиспользование, при котором используется теплота отходящих потоков (их часть) для внешних целей, не связанных с процессами в основном технологическом агрегате; теплоту отходящих потоков производства, т.е. ВЭР, используют для организации какого-то нового технологического процесса или для получения энергетической продукции - водяного пара, горячей воды или другого теплоносителя;

комбинированное теплоиспользование, когда теплоту отходящих потоков используют как для внутреннего регенеративного, так и для внешнего теплоиспользования.

При внутреннем регенеративном использовании тепловых ВЭР достигается соответствующая экономия топлива в технологической установке. При внешнем теплоиспользовании экономия топлива имеет место в других установках. Подогрев компонентов горения при регенеративном теплоиспользовании наряду с экономией топлива приводит и к повышению технологической эффективности процесса.

18.2 Установки для внутреннего теплоиспользования

Регенеративное теплоиспользование позволяет не просто утилизировать теплоту отходящих потоков (например, газов, рис.1), но снижает расход топлива и, кроме того, улучшает работу основной технологической (например, печи) или энергетической (например котельной) установки.

Работа технологической печи улучшают повышением температуры горения при использовании подогретого воздуха, что, в свою очередь, повышает полноту горения топлива и интенсифицирует процесс теплообмена между потоком газа и нагреваемой средой.

В некоторых случаях регенерацию теплоты целесообразно использовать и на низкотемпературных потоках. Например, с помощью вентиляционных выбросов подогревают поток воздуха, подаваемого в помещение, уменьшив, таким образом, расход энергии на отопление.

Во многих случаях возможности технологического (внутреннего) теплоиспользования ограничены. Поэтому, если в данном производстве за счет регенерации не удается полностью использовать всю энергию, то нужно попытаться найти других потребителей этой энергии. Главная трудность при решении этой проблемы обычно состоит в том, чтобы найти потребителя. Приходиться анализировать уже не только свое производство, но и другие.

Рисунок 18.1 - Схема нагревательной печи с регенерацией теплоты уходящих газов: 1 - горелка; 2 - рабочий объем печи; 3 - нагреваемые детали; 4 - воздухонагреватель.

Горючие ВЭР (например, доменный и коксовый газы металлургического комбината, жирный газ нефтепереработки) сжигаются в топках котлов, печей вместе с другими видами топлива.

За счет ВЭР избыточного давления в турбинах обычно получают электроэнергию.

Из всех ВЭР наибольшую долю составляют тепловые.

Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой (> 400 °С) и средней (100--400 °С) температурой обычно используют для производства пара и горячей воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов.

Широко распространены в настоящее время системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла - прежде всего это несущие и поддерживающие балки.

Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400-600 °С, а температура в печи намного выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода.

Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в которой теплота уже не сбрасывается окружающую среду, а идет на выработку пара.

18.3 Котлы-утилизаторы

Для использования теплоты отходящих газов различных технологических установок, в том числе и печей, применяются котлы-утилизаторы, вырабатывающие, как правило, пар. При высоких температурах газов (более 900 °С) эти котлы снабжаются радиационными (экранными) поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычный паровой котел, только вместо топки - радиационная камера, в которую снизу входят газы. Воздухоподогреватель отсутствует, если горячий воздух не нужен производству.

Первичное охлаждение газов в свободном от змеевиков объеме необходимо для затвердевания уносимых из печи расплавленных частиц шлака или технологического продукта до того, как они прилипнут к холодным змеевикам и затвердеют на них.

Если отходящий из технологических установок газ не содержит горючие компоненты, то такой котел горелочных устройств не имеет. Эти котлы работают с естественной или принудительной циркуляцией и имеют практически все детали котельных агрегатов.

При конструировании котлов-утилизаторов, использующих тепловые отходы, следует учитывать содержащиеся в греющих газах агрессивные компоненты, например, сернистые газы, поступающие из печей обжига серосодержащего сырья. Если в подводимых к котлу технологических газах есть горючие составляющие, организуют их предварительное дожигание в радиационной камере, которая в этом случае фактически превращается в топку.

При температуре газов ниже 900 °С и котлах-утилизаторах обычно используются только конвективные поверхности нагрева.

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (t<100 °С). В последнее время их используют для отопления и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Такие ВЭР используют только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.

В промышленных условиях охлаждение дымовых газов до температуры ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водяных паров. Холодные стенки труб, по которым циркулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Чтобы исключить коррозию, промышленные подогреватели воздуха иногда изготавливают из некорродирующихся стеклянных труб. Если нет вибрации, такие трубы работают достаточно долго.

Для подогрева воды низкотемпературными газами (t< 100 °С) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смесительные теплообменники.

Вода в них нагревается за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта капель воды с газом большая, и теплообменник получается компактным и дешевым по сравнению с рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вредными веществами, содержащимися в дымовых газах.

Список использованных источников

1. Латыпов Р.Ш., Шарафиев Р.Г. Техническая термодинамика и энерготехнология химических производств.-М.:Энергоатомиздат, 1998.-344 с.

...