Теплотехника

I_l / I_sl = e = const. (11.9)

Величину e называют степенью черноты. Она зависит от физических свойств тела. Степень черноты серых тел всегда меньше единицы.

Большинство реальных твердых тел с определенной степенью точности можно считать серыми телами, а их излучение -- серым излучением. Энергия интегрального излучения серого тела равна:

Е = e*E_s = С* (Т/100)⁴ . (11.10)

Лучеиспускательная способность серого тела составляет долю, равную е от лучеиспускательной способности черного тела.

Величину С = e*E_s называют коэффициентом излучения серого тела. Величина С реальных тел в общем случае зависит не только от физических свойств тела, но и от состояния поверхности или от ее шероховатости, а также от температуры и длины волны. Значения коэффициентов излучения и степеней черноты тел берут из таблиц.

Таблица 11.1. Степень черноты полного нормального излучения для различных материалов

Наименование материала	t ,°С	?
Алюминий полированный	50--500	0,04--0,06
Бронза	50	0,1
Железо листовое оцинкованное, блестящее	30	0,23
Жесть белая, старая	20	0,28
Золото полированное	200 - 600	0,02--0,03
Латунь матовая	20-350	0,22
Медь полированная	50--100	0,02
Никель полированный	200--400	0,07--0,09
Олово блестящее	20--50	0,04--0,06
Серебро полированное	200--600	0,02--0,03
Стальной листовой прокат	50	0,56
Сталь окисленная	200--600	0,8
Сталь сильно окисленная	500	0,98
Чугунное литье	50	0,81
Асбестовый картон	20	0,96
Дерево строганое	20	0,8--0,9
Кирпич огнеупорный	500--1000	0,8--0,9
Кирпич шамотный	1000	0,75
Кирпич красный, шероховатый	20	0,88--0,93
Лак черный, матовый	40--100	0,96--0,98
Лак белый	40--100	0:8--0,95
Масляные краски различных цветов . . .	100	0,92--0,96
Сажа ламповая	20--400	0,95
Стекло	20--100	0,91--0,94
Эмаль белая	20	0,9

Закон Кирхгофа. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от температуры и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

Е = Е_s*А или Е /А = Е_s = Е_s/А_s = С_s*(Т/100)⁴ . (11.11)

Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности (А) одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью (полированные металлы). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.

Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения. Отношение интенсивности излучения тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же, если они находятся при одинаковых температурах, и численно равно интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же длине волны и температуре, т.е. является функцией только длины волны и температуры:

Е_l / А_l = I_l / А_l = Е_sl = I_sl = f (l ,T). (11.12)

Поэтому тело, которое излучает энергию при какой-нибудь длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектра, то оно в этой части спектра и не излучает.

Из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты серого тела е при одной и той же температуре численно равно коэффициенту поглощения А:

e = I_l / I_sl = Е / Е_sl = C / C_sl = А . (11.13)

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF₁ в направлении элемента dF₂, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQ_n, на величину пространственного угла dщ и cosц, составленного направлением излучения с нормалью (рис.11.2):

d²Q_n = dQ_n* dw*cosj. (11.14)

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, т. е. при (j = 0). С увеличением j количество лучистой энергии уменьшается и при j = 90° равно нулю. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при j = 0 - 60°.

Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле j будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Тема 12. Теплопередача

12.1 Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен, поэтому будут рассматриваться такие задачи.

1). Теплопередача через плоскую стенку.

Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l (рис12.1).

Температура горячей жидкости (среды) t^'_ж, холодной жидкости (среды) t^''_ж.

Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Q = a₁ · (t^'_ж - t₁) · F, (12.1)

где a₁ - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t^'_ж к поверхности стенки* с температурой t₁;

F - расчетная поверхность плоской стенки.

Тепловой поток, переданный через стенку определяется по уравнению:

Q = l/d · (t₁ - t₂) · F. (12.2)

Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде определяется по формуле:

Q = б₂ · (t₂ - t^''_ж) · F, (12.3)

где a₂ - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t^''_ж.

Решая эти три уравнения получаем:

Q = (t^'_ж - t^''_ж) * F * К, (12.4)

где К = 1 / (1/a₁ + / l + 1/a₂) - коэффициент теплопередачи, (12.5)

или

R₀ = 1/К = (1/a₁ + d/l + 1/a₂) - полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. (12.6)

1/a₁, 1/a₂ - термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

d/l - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной плоской стенки полное термическое сопротивление будет определяться по следующей формуле:

R₀ = (1/a₁ + d₁/l₁ + d₂/l₂ + … + d_n/l_n +1/a₂), (12.7)

термодинамика теплообмен топливо

а коэффициент теплопередачи:

К = 1 / (1/a₁ + d₁/l₁ + d₂/l₂ + … + d_n/l_n +1/a₂), (12.8)

12.2 Теплопередача через цилиндрическую стенку

Принцип расчета теплового потока через цилиндрическую стенку аналогична как и для плоской стенки. Рассмотрим однородную трубу (рис.12.2) с теплопроводностью l, внутренний диаметр d₁, наружный диаметр d₂, длина l. Внутри трубы находится горячая среда с температурой t^'_ж, а снаружи холодная среда с температурой t^''_ж.

Количество теплоты, переданной от горячей среды к внутренней стенке трубы по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Q = p·d₁·a₁·l·(t^'_ж - t₁) , (12.9)

где a₁ - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t^'_ж к поверхности стенки* с температурой t₁;

Тепловой поток, переданный через стенку трубы определяется по уравнению:

Q = 2·p·l·l·(t₁ - t₂) / ln (d₂/d₁). (12.10)

Тепловой поток от второй поверхности стенки трубы к холодной среде определяется по формуле:

Q = p·d₂·a₂·l·(t₁ - t^''_ж) , (12.11)

где a₂ - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t^''_ж.

Решая эти три уравнения получаем:

Q = p l·(t^'_ж - t^''_ж) * К, (12.12)

где К_l = 1/[1/(a₁d₁) + 1/(2lln(d₂/d₁) + 1/(a₂d₂)] - (12.13)

- линейный коэффициент теплопередачи,

или R_l = 1/ К_l = [1/(a₁d₁) + 1/(2lln(d₂/d₁) + 1/(a₂d₂)] - (12.14)

- полное линейное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку.

1/(a₁d₁), 1/(a₂d₂) - термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

1/(2lln(d₂/d₁) - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной (n слоев) цилиндрической стенки полное линейное термическое сопротивление будет определяться по следующей формуле:

R_l = 1/ К_l = [1/(a₁d₁) + 1/(2l₁ln(d₂/d₁) + 1/(2l₃ln(d₃/d₂) + …

+ 1/(2l_nln(d_n+1/d_n) + 1/(a₂d_n)] - (12.15)

12.3 Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость -- горячая среда, передает теплоту другой жидкости - холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку. Только такие аппараты будут рассмотрены в дальнейшем.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения -- паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг -от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.12.3,а).

Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.12.3,б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.12.3,в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

12.4 Расчет теплообменных аппаратов

Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Уравнение теплопередачи:

Q = k·F·(t₁ - t₂ ) ,

где Q -- тепловой поток, Вт,

k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²град), F -- поверхность теплообмена в аппарате, м², t₁ и t₂ - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов:

Q = = m₁ ·Dt₁ = m₂·Dt₂ ,

или

Q = V₁ r₁·c_р1·(t^/₁ - t^//₁) = V₂ r₂·c_р2 ·(t^//₂ - t^/₂), (12.16)

где V₁ r₁, V₂ r₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/сек, с

c_р1 и c_р2 - средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур от t^ґ до t^//,

t^/₁ и t^//₁ температуры жидкостей при входе в аппарат;

t^/₂ и t^//₂ - температуры жидкостей при выходе из аппарата.

Величину произведения

V·r·c_р = W, Вт/град

называют водяным, или условным, эквивалентом.

С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:

(t^/₁ - t^//₁) / (t^//₂ - t^ґ₂) = W₂ / W₁ , (12.17 )

W₂ , W₁ - условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.12.4 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоков, а на рис.12.5 для аппаратов с противотоком.

Как видно из рис.12.4 , при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис.12.5) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температуря между рабочими жидкостями, или температурный напор Dt.

Величины Dt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной форме:

dQ = k·dF·Dt . (12.18)

Тепловой поток, переданный через всю поверхность F при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (12. ):

Q = т k·dF·Dt= k·F·Dt_ср , (12.19)

где Dt_ср - средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.

Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:

k_ср = (F₁·k₁ + F₂·k₂ + … + F_n·k_n) / (F₁ + F₂ + … + F_n).

Тогда при k_ср = const уравнение (12.9 ) примет вид

Q = тk_ср Dt ·dF = k_ср ·Dt_ср ·F. (12.20)

Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии (рис.12.6, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

Dt_ср = (t^/₁ + t^//₁)/2 - (t^//₂ + t^/₂)/2 . (12.21)

Однако температуры рабочих жидкостей меняются по криволинейному закону. Поэтому уравнение (12.21) будет только приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей. При криволинейном изменении температуры величину Dt_ср называют среднелогарифмическим температурным напором и определяется по формулам:

для аппаратов с прямотоком

Dt_ср = [(t^/₁ - t^/₂) - (t^//₁ - t^//₂)] / ln[(t^/₁ - t^/₂)/(t^//₁ - t^//₂)] . (12.22)

для аппаратов с противотоком

Dt_ср = [(t^/₁ - t^//₂) - (t^//₁ - t^/₂)] / ln[(t^/₁ - t^//₂)/(t^//₁ - t^/₂)] . (12.23)

Численные значения Dt_ср для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда больше Dt_ср для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.

Тема 13. Энергетическое топливо

13.1 Состав топлива

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.

В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

Таблица 13.1. Потребление органического топлива в1993 г.

Потребитель	Вид топлива
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Во всем мире, млрд.т у.т.	3,21	4,29	2,66
Россия, млн.т у.т.	226	232	503

Примечание: у.т. - условного топлива

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах - в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Таблица 13.2. Классификация органических топлив по агрегатному состоянию.

Топливо	Агрегатное состояние
	Твердое	Жидкое	Газообразное
Природное	Дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы	Нефть	Природный газ
Искусственное	Древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты	Мазут, керосин, бензин, соляровое масло, газойль, печное топливо	Газы нефтяной, коксовый, генераторный, доменный, газ подземной газификации

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - S_л = S_ор + S_к) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W).

Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива.

Рабочая масса - это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Состав рабочей, горючей, сухой и органической массы обозначается соответственно индексами "р", "с", "г" и "о" и выражаются следующими равенствами:

С^р + Н^р + S^р_л + N^р + O^р + A^р + W^р = 100 % ; (13.1)

С^с + Н^с + S^с_л + N^с + O^с + A^с = 100 % . (13.2)

С^г + Н^г + S^г_л + N^г + O^г = 100 % ; (13.3)

С^о + Н^о + S^о_орг + N^о + O^о = 100 % . (13.4)

Органическая масса топлива в отличии от горючей массы содержит только органическую серу и не включает колчеданную:

S^о_орг = S^о_л - S^о_к . (13.5)

Коэффициенты пересчета состава топлива из одной массы в другую приведены в табл. 13.3.

Т а б л и ц а 13.3

Заданная масса топлива	Коэффициенты пересчета на массу
	рабочую	горючую	сухую
Рабочая	1	100/[100 - (Aр + Wр)]	100/(100 - Wр)
Горючая	[100 - (Aр + Wр)]/100	1	(100 - Aс)/100
Сухая	(100 - Wр) / 100	100 / (100 - Aс)	1

Для сланцев состава (С^р, Н^р, S^р_л, N^р, O^р, A^р, W^р) пересчет с рабочей

массы на горючую осуществляется с помощью коэффициента:

К = 100 / [100 - A^р_и - W^р - (СО₂)^р_к] , (13.6)

где A^р_и - истинная зольность рабочей массы, %·, W^р - влажность рабочей массы, %, (СО₂)^р_к - содержание углекислоты карбонатов, %. Истинная зольность рабочей массы определяется по формуле

A^р_и = A^р - [2,5(S^р_а - S^р_с ) +0,375S^р_к] [(100 - W^р) / 100], (13.7)

где S^р_а - содержание серы в лабораторной золе в процентах к массе топлива; S^р_с - содержание сульфатной серы в топливе, %.

Величина [2,5(S^р_а - S^р_с) +0,375S^р_к] для ленинградских и эстонских сланцев может быть принята равной 2,0, для кашпирских - 4,1.

Пересчет состава (%) рабочей массы топлива при изменении влажности производится по формулам:

С^р₂ = С^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ц

э

H^р₂ = H^р₁(100 - W^р₂) / (100 - W^р₁) ш, (13.8)

где W^р_{1 -} начальная влажность топлива, %, W^р_{2 -} конечная влажность топлива, %.

Средний состав (%) смеси двух твердых или жидких топлив, заданных массовыми долями, - первого (С^р₂, H^р₂ ....)и второго (С^р₁, H^р ...) - определяется по уравнениям:

С^р_см = b₁ C^р₁ + (1 - b₁) C^р₂ ц

э , (13.9)

H^р_см = b₁ H^р₁ + (1 - b₁) H^р₂ш

где массовая доля b₁ одного из топлив в смеси находится по формуле:

b₁ = В₁ /(В₁ + В₂) . (13.10)

Здесь В₁ и В₂ - массы топлив, входящих в смесь, кг.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных (?С_nH_2n+2) и непредельных (?С_nH_2n) углеводородов, водорода Н₂, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н₂S). В состав негорючих элементов входит азот (N₂) , углекислый газ (СO₂) и кислород (О₂). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH₄), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С₂H₆), пропана (С₃H₈), бутана (С₄H₁₀), этилена (С₂H₄), и пропилена (С₃H₆). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота - 55-75%.

Состав газообразного топлива задается в объемных долях и в общем виде можно записать следующим образом:

SС_nH_2n+2 + SС_nH_2n + Н₂ + СО + Н₂S + О₂ + N₂ + CО₂ = 100% , (13.11)

где SС_nH_2n+2 - предельные углеводороды;

SС_nH_2n - непредельные углеводороды;

Н₂S - сернистый водород.

СО - окись углерода;

CО₂ - углекислый газ.

13.2 Характеристика топлива

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 - более 40% влажности; группа Б2 - 30-40%; группа Б3 - менее 30%.

Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание.

Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина - 1; торф - 10; кузнецкий уголь - 10-20; подмосковный бурый уголь - 30; сланцы - 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N₂, кислород О₂, водород Н₂, окись углерода СО, углеводородные газы СH₄, С₂H₄ и т.д, а также водяные пары.

Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, S_л, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся.

В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный - ГЖ, жирный - Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй - К₂, отощенный спекающийся - ОС, слабоспекающийся - СС, тощий - Т.

Теплота сгорания. Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т.е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового - к 1 м³ при нормальных условиях.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания. В высшую теплоту сгорания входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива.

При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания (кДж/кг) определяют по эмпирическим формулам, предложенной Д.И. Менделеевым:

Q^p_н = 340С^р + 1035Н^р - 109(О^р - S^р_л) - 25W^р . (13.12)

Q^p_в = 340С^р + 1260Н^р - 109(О^р - S^р_л) ; (13.13)

Теплота сгорания сухого газа (кДж/м³) определяют по объемному составу,%, и известной теплоте сгорания компонентов:

Q^p_н = 358СН₄ + 640С₂Н₆ + 915С₃Н₈ + 1190С₄Н₁₀ +

+ 1465 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 107,5Н₂ + 234Н₂S; (13.14)

Q^p_н = 398СН₄ + 700С₂Н₆ + 995С₃Н₈ + 1285 С₄Н₁₀ +

+ 1575 С₅Н₁₂ + 126,5 СО + 127,5Н₂ + 257Н₂S; (13.15)

Если в состав газа входят неизвестные углеводородные компоненты (при условии, что содержание метана известно), то сумму углеводородов условно принимают как содержание этана С₂Н₄ и теплоту сгорания рассчитывают по формулам, аналогичным уравнениям (13.14) и (13.15).

Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту вводят понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29300 кДж/кг.

Отношение Q^p_н данного топлива к Q_у.т. условного топлива называется топливным эквивалентом - Э. Тогда для расчета расхода натурального топлива В_н в условное В_у.т. , достаточно величину В_н умножить на эквивалент Э, т.е.:

В_у.т. = В_у.т*Э = В_у.т.*(Q^p_н / Q_у.т.) (13.16)

13.3 Моторные топлива для поршневых ДВС

Основными моторными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти. Кроме этого также используют сжатые и сжиженные газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битумонозных песков; спирты; эфиры.

Автомобильные бензины представляют собой смеси углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35…205?С и вырабатываются следующих марок: по ГОСТу 2084-77 А-76, АИ-93 (А-92), АИ-95, а также неэтилированный АИ-91; экспортные бензины А-80, А-92, А-96, с улучшенными экологическими свойствами - НОРСИ АИ-80, НОРСИ АИ-92, НОРСИ АИ-95. Цифры в марке бензина показывает октановое число (ОЧ), которое характеризует детонационную стойкость бензина.

Дизельные топлива вырабатываются в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. В России вырабатывают три сорта дизельного топлива:

"л" (летнее) - для эксплуатации при температуре 0?С и выше;

"з" (зимнее) - для эксплуатации при температуре -20?С и выше;

"а" (арктическое) - для эксплуатации при температуре -50?С и выше.

Углеводородные газообразные топлива при нормальных условиях подразделяют на сжатые (СПГ) и сжиженные (СНГ). В качестве сжатого газа используют природный газ (95% метана СН₄). Сжиженные газы являются продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений и в основном содержат бутанпропановые и бутиленпропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии.

Основным преимуществом газовых топлив является их чистота, более легкий запуск в холодное время, высокие экологические качества.

Тема 14. Котельные установки

14.1 Котельный агрегат и его элементы

Как уже указывалось, устройства, в которых непосредственно вырабатывается пар и нагревается вода, называют паровыми или водогрейными котлами. Если котлы в отопительных котельных вырабатывают пар давлением Р

В производственных и энергетических котельных по давлению получаемого пара котельные агрегаты разделяются на следующие: низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14МПа) и сверхвысокого давления (25-31Мпа). Паровые котельные агрегаты стандартизированы (ГОСТ 3619-76) по параметрам вырабатываемого пара (Р и Т) и мощности.

Котельные агрегаты производительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, производительностью до 30 кг/с к котлам средней мощности и более 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) - к котлам большой мощности.

Водогрейные котлы унифицированы по теплопроизводительности на восемь типов: 4, 6,5, 10, 20, 30, 50, 100 и 180 Гкал/ч. Котлы теплопроизводительностью ниже 30 Гкал/ч предназначаются для работы только в одном режиме (основном). Котлы теплопроизводительностью 30 Гкал/ч и выше допускают возможность работы как в основном, так и в пиковом режимах, т.е. в период максимального теплопотребления при наиболее низких температурах наружного воздуха.

Для котлов теплопроизводительностью до 30 Гкал/ч температура воды на выходе принимается 432 К, а давление воды на входе в котел - 1,6 МПа. Для котлов теплопроизводительностью 30 Гкал/ч и выше максимальная температура воды на выходе принимается 450-470 К, а давление воды на входе - 2,5 МПа.

По конструкции паровые котлы можно разделить на два типа - газотрубные и водотрубные. В газотрубных котлах основные поверхности нагрева находятся внутри цилиндрического сосуда большого диаметра в виде так называемых жаровых или дымогарных труб или различных их комбинаций, по которым движутся продукты сгорания топлива. На рис. 14.1 показаны схемы котлов с жаровыми и дымогарными трубами.

Более совершенными являются водотрубные паровые котлы. Они имеют развитые поверхности нагрева, состоящие из труб, заполненных внутри водой и пароводяной смесью, а снаружи обогреваемых продуктами сгорания топлива. Котлы относятся к горизонтально-водотрубным, если трубы расположены под углом к горизонту не более 25^о, и к вертикально-водотрубным, если трубы идут более круто или вертикально. В этих котлах путем изменения числа труб в пучках и числа самых пучков удалось увеличить площадь поверхности нагрева, не увеличивая диаметр их барабанов, что в свою очередь дало возможность получить в этих котлах пар высокого давления.

При работе парового котла очень важно обеспечить надежное охлаждение поверхностей нагрева, в которых происходит парообразование. Для этого необходимо соответствующим образом организовать движение воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева. По характеру организации движения рабочего тела в испарительных поверхностях котельные агрегаты делятся на три типа:

1. с естественной циркуляцией (рис 14.2,а);

2. с принудительной циркуляцией (рис 14.2,б);

3. прямоточные.

Принципиальная схема прямоточного котла показана на рис 14.3. Питательная вода подается в конвективный экономайзер 6, где она подогревается за счет тепла газов, и поступает в экранные трубы 2, выполненные в виде параллельно включенных змеевиков, расположенных на стенах топочной камеры. В нижней части змеевиков вода нагревается до температуры насыщения. Парообразование до степени сухости 70-75% происходит в змеевиках среднего уровня расположения. Пароводяная смесь затем поступает в переходную конвективную зону 4, где происходит окончательное испарение воды и частичный перегрев пара. Из переходной зоны пар направляется в радиационный перегреватель 2, затем доводится до заданной температуры в конвективном перегревателе 3 и поступает на турбину. В опускной шахте котлоагрегата расположены первая (по ходу газов) и вторая ступени 5 и 7 воздухоподогревателя.

К основным элементам котельных агрегатов относятся пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели.

Пароперегреватель представляет собой змеевиковую поверхность теплообмена, предназначенную для перегрева пара, полученного в испарительной части котельного агрегата. Пар движется внутри трубок, омываемых снаружи дымовыми газами. Пароперегреватель - неотъемлемый элемент энергетических котельных агрегатов. Если для некоторых технологических процессов требуется перегретый пар, то котельные агрегаты малой и средней мощности также снабжают пароперегревателями.

Водяные экономайзеры предназначены для подогрева питательной воды до поступления ее в испарительную часть котельного агрегата. Предварительный подогрев воды за счет теплоты дымовых газов существенно увеличивает КПД котельного агрегата .

В зависимости от применяемого материала экономайзеры делятся на чугунные и стальные, по типу поверхности - на ребристые и гладкотрубные, по степени подогрева воды - на не кипящие и кипящие.

Воздухоподогреватели. В отличие от водяного экономайзера и пароперегревателя воздухоподогреватель. отнимая теплоту от уходящих дымовых газов и уменьшая таким образом потери ее с этими газами, непосредственно отнятую теплоту не передает рабочему телу (воде или пару). Горячий воздух, направляемый в топку котла, улучшает условия сгорания топлива, уменьшает потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива, повышает температуру его горения, интенсифицирует теплообмен, что в итоге повышает КПД установки. В среднем понижение температуры уходящих газов на каждые 20-25 К повышает КПД примерно на 1%.

14.2 Вспомогательное оборудование котельной установки

Сепарационные устройства. Влажный насыщенный пар, получаемый в барабане котлоагрегатов низкого и среднего давлений, может уносить с собой капли котловой воды, содержащей растворенные в ней соли. В котлоагрегатах высокого и сверхвысокого давлений загрязнение пара обуславливается еще и дополнительным уносом солей кремниевой кислоты и соединений натрия, которые растворяются в паре.

Примеси, уносимые с паром, откладываются в пароперегревателе, что крайне нежелательно, так как может привести к пережогу труб пароперегревателя. Поэтому пар перед выходом из барабана котла подвергается сепарации, в процессе которой капли котловой воды отделяются и остаются в барабане. Сепарация пара осуществляется в специальных сепарирующих устройствах, в котором создаются условия для естественного или механического разделения воды и пара.

Естественная сепарация происходит вследствие большой разности плотностей воды и пара. Механический инерционный принцип сепарации основан на различии инерционных свойств водяных капель и пара при резком увеличении скорости и одновременном изменении направления или закручивания потока влажного пара.

На рис 14.4 показаны принципиальные схемы сепарирующих устройств.

Тягодутьевые устройства. Для нормальной работы котельного агрегата необходимы непрерывная подача воздуха для горения топлива и непрерывное удаление продуктов сгорания.

В современных котельных установках широко распространена схема с разрежением по газоходам. К недостаткам этой схемы следует отнести наличие присосов воздуха в газоотходы через неплотности в ограждениях и работу дымососов на запыленных газах. Достоинство такой схемы - отсутствие выбивания и утечек дымовых газов в помещение котельной, так как воздух в топку нагнетает вентилятор, а дымовые газы удаляет дымосос. В последнее время в мощных энергетических котельных установках широко применяется схема с наддувом. Топка и весь газовый тракт находятся под давлением 3-5 кПа. Давление создается мощными вентиляторами; дымосос отсутствует. Основной недостаток этой схемы - трудности, связанные с обеспечением надлежащей герметичности топки и газоходов котельного агрегата.

Для получения тяги необходимо увеличивать высоту трубы или температуру уходящих газов. Однако при использовании любого из этих способов необходимо иметь в виду, что высота трубы ограничена ее стоимостью и прочностью, а температура газов - оптимальным значением КПД котельной установки. Поэтому большинство современных котельных установок оборудуют искусственной тягой, для создания которой применяют дымосос, преодолевающий сопротивление газового тракта. В этом случае высоту трубы выбирают в соответствии с санитарно-техническими требованиями.

Напор воздуха, создаваемый вентилятором, также следует определять на основании аэродинамического расчета воздушного тракта (воздуховодов, воздухоподогревателя, горелочного устройства и т.д.) Максимальный напор вентилятора должен быть на 10% больше (b₂ = 1,1) потерь напора в воздушном тракте котельного агрегата.

Основы водоподготовки. Одной из основных задач безопасной эксплуатации котельных установок является организация рационального водного режима, при котором не образуется накипь на стенках испарительных поверхностей нагрева, отсутствует их коррозия и обеспечивается высокое качество вырабатываемого пара. Пар, вырабатываемый в котельной установке, возвращается от потребителя в конденсированном состоянии; при этом количество возвращаемого конденсата обычно бывает меньше, чем количество выработанного пара.

Потери конденсата и воды при продувке восполняются за счет добавки воды из какого-либо источника. Эта вода должна быть соответствующим образом подготовлена до поступления в котельный агрегат. Вода, прошедшая предварительную подготовку, называется добавочной, смесь возвращаемого конденсата и добавочной воды - питательной, а вода, которая циркулирует в контуре котла, котловой.

От качества питательной воды зависит нормальная работа котельных агрегатов. Физико-химические свойства воды характеризуют следующие показатели: прозрачность, содержание взвешенных веществ, сухой остаток, солесодержание, окисляемость, жесткость, щелочность, концентрация растворенных газов (СО₂ и О₂).

Прозрачность характеризуется наличием взвешенных механических и коллоидных примесей, а содержание взвешенных веществ определяет степень загрязнения воды твердыми нерастворимыми примесями.

Топливоподача. Для нормальной и бесперебойной работы котельных установок требуется, чтобы топливо к ним подавалось непрерывно. Процесс подачи топлива складывается из двух основных этапов: 1) подача топлива от места его добычи на склады, расположенные вблизи котельной; 2) подача топлива со складов непосредственно в котельные помещения.

Очистка дымовых газов и удаление золы и шлака. При сгорании твердого топлива образуется много золы. При слоевом процессе сжигания основная часть минеральных примесей топлива (60-70%) превращается в шлак и проваливается через колосниковые решетки в зольник. В пылеугольных топках большая часть (75-85%) золы уносится из котлоагрегатов с дымовыми газами.

В настоящее время в котельных применяют следующие типы золоуловителей: 1) инерционные механические; 2) мокрые; 3) электрофильтры; 4) комбинированные.

Инерционные (механические) золоуловители работают по принципу выделения золовых частиц из газового потока под влиянием сил инерции.

В настоящее время широко применяются золоулавители мокрого типа. На рис.14.5 показана схема мокрого золоулавителя (скруббера) с нижним тангенциальным подводом запыленного газа.

Принцип действия электрофильтров заключается в том, что запыленные газы проходят через электрическое поле, образуемое между стальным цилиндром (положительный полюс) и проволокой, проходящей по оси цилиндра (отрицательный полюс). Основная масса частиц золы получает отрицательный заряд и притягивается к стенкам цилиндра, незначительная часть частиц золы получает положительный заряд и притягивается к проволоке. При периодическом встряхивании электрофильтра электроды освобождаются от золы. Электрофильтры применяют в котельных с расходом дымовых газов более 70000 м³/ч, отнесенных к нормальным условиям.

Комбинированные золоуловители являются двухступенчатыми , при этом работа каждой ступени основана на различных принципах. Чаще всего комбинированный золоуловитель состоит из батарейного циклона (первая ступень) и электрофильтра (вторая ступень).

Процесс золошлакоудаления можно разделить на две основные операции: очистка шлаковых и зольных бункеров и транспортировка золы и шлака на золоотвалы или шлакобетонных изделий.

14.3 Тепловой баланс котельного агрегата

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса определяют расход топлива и вычисляют коэффициент полезного действия, эффективность работы котельного агрегата.

В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревания воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразования энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания потлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

Уравнение теплового баланса для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде:

Q^p_p=Q₁+ Q_п

или

Q^р_р=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ (14.1)

где Q^p_p - теплота, которой располагают; Q₁ - использованная теплота; Q_{п -} общие потери; Q₂ - потери теплоты с уходящими газами; Q₃ - потери теплоты от химического недожога; Q₄ - потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q₅ - потери теплоты в окружающую среду; Q₆ - потери теплоты с физической теплотой шлаков.

Левая приходная часть уравнения теплового баланса (14.1) является суммой следующих величин:

Q^р_р=Q^р_н+Q_в.вн+Q_пар+Q_физ.т. (14.2)

где Q_в.вн - теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива; эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухонагревателе, то, теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q_пар - теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг потлива; Q_физ.т. - физическая теплота 1 кг или 1 м³ топлива.

Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству:

Q_в.вн = b^/V⁰с_р/(T_г.вз - Т_х.вз), _. (14.3)

где b^/ - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с_р^/= 1,33 кДж/(м³·К), при температуре воздуха до 600К; Т_г.вз , Т_х.вз - температуры горячего о холодного воздуха, обычно Т_х.вз = 300К.

Теплоту, вносимую с паром для распыления мазута (форсуночный пар), находят по формуле:

Q_пар = W_ф (i_ф - r) , _. (14.4)

где W_ф - расход форсуночного пара, равный 0,3-0,4 кг/кг; i_ф - энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; r - теплота парообразования, кДж/кг.

Физическая теплота 1 кг топлива:

Q_физ.т. = с_т (Т_т - 273) , _. (14.5)

где с_т - теплоемкость топлива, кДж/(кг· К); Т_т - температура топлива.

Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q^р_р=Q^р_н.

Тема 15. Топочные устройства

15.1 Топочные устройства

Топка - один из основных элементов котельного агрегата. В ней происходит процесс горения, при котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, передаваемую далее жидкости и пару, находящимся в котле.

Существующие топочные устройства можно разделить на слоевые и камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке. В камерных топках сжигается твердое топливо во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, распыляемое с помощью форсунок, и газообразное. Камерные топки подразделяются на факельные и вихревые.

На рис.15.1 показаны схемы слоевого, факельного и вихревого способов сжигания топлива. При слоевом способе сжигания необходимый для горения воздух попадается к слою топлива через колосниковую решетку.

При факельном способе сжигания твердое топливо предварительно размалывается в мельницах и пыль вместе с воздухом (аэросмесь) попадает в топку. Время пребывания газа и пыли в объеме топки незначительно (1,5-2 с).

Циклонный способ сжигания основан на использовании закрученных топливовоздушных потоков. Транспорт топлива осуществляется воздухом. Топливные частицы циркулируют по определенным траекториям в течение времени, необходимого для завершения их сгорания. Под действием центробежных сил частицы движутся в виде уплотненного пристенного слоя, интенсивно перемешиваясь с воздухом. Время пребывания частиц в циклонной камере выбирается достаточным для выгорания грубой пыли (размер частиц - 200 мкм) или дробленого топлива (размер частиц до 5 мм).

Слоевые топки. По способу механизации операций обслуживания (подача топлива, шировка слоя, удаление зол и шлака) слоевые топки делятся на ручные (немеханизированные), полумеханические и механические. В полумеханических топках механизирована часть операций. В механических топках механизированы все операции.

...