Термодинамика как наука

В практике для определения коэффициента избытка воздуха по данным анализа на RO₂ пользуются номограммами (рисунок 12). Анализ порции дымовых газов на содержание RO₂ проводят ручными газоанализаторами.

Содержание RO₂ в дымовых газах, %

Рисунок 12. Номограмма для приближённого определения коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания

Данный метод определения коэффициента является косвенным. Надёжность определения зависит от того, насколько точно известно для данного топлива значение RO₂^МАКС, поскольку на электростанцию топливо поступает не всегда постоянного состава, а также от тщательности выполнения анализа отбираемых дымовых газов на содержание RO₂.

Контроль над избытком кислорода в котле обычно производят в двух точках газового тракта: в поворотной камере и за воздухоподогревателем (в уходящих газах). Значение О₂ в поворотной камере характеризует долю избытка воздуха в топке, поскольку присосы в горизонтальном газоходе, как правило, небольшие, так как незначительно разрежение газов этой части тракта. Полученное значение О₂ достаточно точно может быть пересчитано на условия выхода из топки. Избыток воздуха в уходящих газах характеризует общее состояние плотности котла и общий объём уходящих газов, а разность показателей О₂ в поворотной камере и уходящих газах даёт оценку доли присосов холодного воздуха в конвективной шахте.

Через неплотности топки и газовых котлов, работающих при давлении ниже атмосферного, а также системы пылеприготовления в газовоздушный тракт котла может поступать дополнительное количество воздуха из окружающей среды (присосы воздуха). По ходу движения продуктов сгорания количество присасываемого воздуха непрерывно возрастает.

Экономичный топочный режим горения твердого топлива обеспечивается при избытке воздуха в горелках (организованно подаваемый воздух) б_т=1ё1,1.

Лекция 4. Котельные установки. Двигатели внутреннего сгорания

4.1 Типы топок

Механической топкой называется слоевое топочное устройство с колосниковой решеткой, в котором необходимые операции обслуживания выполняются с помощью тех или иных механизмов. Как известно, таких операций три:

питание слоя топливом;

шурование слоя;

удаление шлака.

Операция шурования для некоторых топлив не требуется или же ее удается избежать.

Топка может считаться в полной мере механической только при 100%-ной механизации всех операций обслуживания. Если какая-то доля ручного труда остается, то топку следует относить к категории полумеханических. Важно, чтобы средства механизации действовали автоматически и не требовали специального управления кочегаром на основе визуального наблюдения.

Есть типы топки шахтного типа с естественным движением слоя топлива под действием силы тяжести; они являются механизированными, но не могут называться механическими, так как лишены механизмов. В них можно сжигать лишь некоксующиеся и нешлакующиеся топлива с небольшим содержанием золы (древесину, древесную кору и кусковой торф). Такие типы топки в данной книге не рассматриваются.

К топкам не относятся внешние механизмы для подачи топлива в приемные топливные воронки (до питателей) и для удаления шлака из шлаковых бункеров (исключая те из них, которые представляют одно целое с топками).

В настоящее время в разных странах применяются следующие типы топок:

топки с цепной решеткой;

топки с переталкивающими решетками;

топки с нижней подачей;

топки с шурующей планкой;

кольцевые топки;

топки с вибрирующей решеткой;

топки с забрасывателями.

Первые три названные группы топочных устройств вошли в практику давно, остальные стали распространяться за последние 20 лет. Применение разных типов топок неодинаково в отдельных зонах и странах мира, что обусловливается, с одной стороны, наличием тех или иных сортов топлив, а с другой стороны, своеобразием направления технической мысли и привычкой к определенной организации топочного процесса.

Типы топок с цепной решеткой распространены везде, где имеются высококачественные каменные угли. Типы топок с переталкивающими решетками получили большое развитие в довоенной Германии и некоторых соседних с ней странах, поскольку одним из основных топлив являлись относительно малозольные бурые угли. В США, располагающих умеренно спекающимися битуминозными углями, долгое время имели преимущественно применение топочные устройства с нижней подачей. Типы топок с забрасывателями, с шурующей планкой, кольцевые и с вибрирующей решеткой появились в связи с использованием ухудшенных сортов топлив, на которых другие топочные устройства не смогли работать.

Имеются новые предложения в части слоевого сжигания. Так, во Франции рекламируется тип топки с кипящим слоем; у нас находится в стадии опытно-промышленного освоения топочное устройство с обращенным слоем на решетке из охлаждаемых водой труб.

За границей механические топки весьма разнообразны в конструктивном отношении. Это, безусловно, объясняется не только стремлением обеспечить наилучшие условия сжигания топлива, но и патентными, а также конкурентными соображениями многочисленных фирм, изготовляющих топочное оборудование. Ряд конструкций топок является слишком сложным, что затрудняет их эксплуатацию и ремонт.

В наших условиях широкая номенклатура топочного оборудования не может быть полезной. С целью унификации котлов, а также удешевления изготовления топок важно отобрать для производства ограниченное число типов топок.

Исходя из тенденций развития нашего и зарубежного котлостроения, проявившихся за последние 20 лет, можно сформулировать следующие требования, которым должны удовлетворять механические топки в современных условиях.

Обеспечение полной механизации и автоматизации сжигания топлива;

Возможность выполнения рациональных компоновок с современными малогабаритными и блочными котлами (без подъема последних и без выполнения в котельной зольного этажа или подвала);

Большая универсальность по топливу. В этом отношении допустимы типы топок только по таким назначениям:

для всех каменных углей (включая сильно спекающиеся);

для всех бурых углей (включая высоковлажные и многозольные);

для антрацита;

для кускового торфа;

для сланца;

для древесины, древесной коры и отходов сельскохозяйственного производства.

Простота устройства, малая металлоемкость, небольшая стоимость, высокая надежность в эксплуатации, долгий срок службы и несложность ремонта. Выполнение всех этих требований представляет весьма трудную задачу. Она может решаться как за счет усовершенствования существующих типов топок, так и за счет создания принципиально новых конструкций.

4.2 Паровые и водогрейные котлы, котлы-утилизаторы

Типы паровых и водогрейных котлов (справочные)

Все разнообразие котлов, именуемых в действующих стандартах паровыми, водогрейными, с принудительной циркуляцией, естественной циркуляцией, с естественной тягой, с наддувом, уравновешенными, водотрубными, газотрубными, жаротрубными и прочими - в конечном итоге предназначены для удовлетворения следующих потребностей индивидуума и общества:

- теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуальных домов, в том числе объектов коммунально-бытового назначения - Бытовые котлы;

- теплоснабжения и горячего водоснабжения коллективных (многоквартирных) жилых домов, в том числе зданий различного социального назначения - Отопительные котлы;

- теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых домов с одновременным удовлетворением технологических потребностей различных производств (фабрик, заводов) - Отопительно-производственные котлы (к этим котлам в том числе относят и котлы-утилизаторы);

- преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую (с участием прямого термодинамического цикла) - Энергетические котлы;

- обеспечения сложных технологических процессов химических производств - Энерготехнологические котлы. Эти котлы в данном справочнике не рассматриваются.

Перечисленные назначения являются основополагающими признаками, по которым следует в первую очередь различать котлы, назовем это классами.

В то же время все разнообразие котлов по их главным конструктивным особенностям, в наибольшей степени обеспечивающим или влияющим на качество и количество теплоносителя, допустимо объединить в 14 основных типов.

Приведена Справочная классификация котлов. Предлагаемая классификация представляет и объединяет марки котлов по их назначению, конструктивным особенностям, характеристикам и показателям. Указанные заводские марки (графа 3) являются только наиболее известными типичными представителями великого множества отечественных и зарубежных котлов, т.е. графа 3 является самопополняющейся графой. Достоинства и недостатки каждого конструктивного типа (графа 2) разобраны в разделе 3 справочника.

Указанный в таблице 2.5 КПД (графа 8) является обобщенным средним коэффициентом полезного действия, приведенным к условиям работы всех котлов на природном газе (к условиям однозначности). При расчетах применялись следующие поправочные коэффициенты:

- для слоевых топок % КПД ґ 1,15;

- для пылеугольных топок % КПД ґ 1,025;

- для жидкого топлива % КПД ґ 1.

Справочная классификация разработана для оперативной ориентации в оценке действующего рынка.

4.3 Тепловой баланс котлоагрегата, КПД и способы его повышения

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 топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

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

Q^p_p=Q₁+ Q_п

илиQ^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 является суммой следующих величин:

Q^р_р=Q^р_н+Q_в.вн+Q_пар+Q_физ.т.

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),

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.

4.4 Тепловой баланс двигателя, КПД и способы его повышения

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, не может быть полностью превращено в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть этого тепла должна быть передана холодному источнику. В реально выполненных двигателях, работающих по действительному циклу, имеют место дополнительные потери тепла в охлаждающую воду, с отработавшими газами и др. Количественное распределение тепловой энергии топлива на полезную работу и потери при превращении тепла в механическую работу в цилиндрах двигателя носят название теплового баланса.

Тепловой баланс двигателя определяется не аналитически, а на основании экспериментальных данных при испытании двигателя. Однако и в этом случае часть тепловых потерь не поддается учету.

Токсичность отработавших газов и меры борьбы с ней

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов. Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. По своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека вещества, содержащиеся в отработавших газах, подразделяются на несколько групп:

1. нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

2. токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы - диоксиды серы и сероводород.

Токсичные компоненты составляют 0,2-5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе

1. Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NO_x, поэтому применяются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтрализатором.

2. Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

3. Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) - в настоящее время наиболее актуальный.

4. Классификация систем впрыска бензина и общая характеристика.

Одноточечный впрыск проще, он менее начинен управляющей электроникой, но и менее эффективен. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Немаловажно и то, что под моновпрыск легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. У одноточечного впрыска преимущество перед карбюратором состоит в экономии топлива, экологической чистоте и относительной стабильности и надежности параметров. А вот в приёмистости двигателя одноточечный впрыск проигрывает. Еще один недостаток: при использовании одноточечного впрыска, как и при использовании карбюратора до 30% бензина оседает на стенках коллектора.

Системы одноточечного впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами питания, но уже не удовлетворяют современным требованиям.

Более совершенными являются системы многоточечного впрыска, в которых подача топлива к каждому цилиндру осуществляется индивидуально. Распределенный впрыск мощнее, экономичнее и сложнее. Применение такого впрыска увеличивает мощность двигателя примерно на 7-10 процентов. Основные преимущества распределенного впрыска:

возможность автоматической настройки на разных оборотах и соответственно улучшение наполнения цилиндров, в итоге при той же максимальной мощности автомобиль разгоняется гораздо быстрее;

Бензин впрыскивается вблизи впускного клапана, что существенно снижает потери на оседание во впускном коллекторе и позволяет осуществлять более точную регулировку подачи топлива.

Непосредственный впрыск как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует простые принципы. А именно: более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. В итоге двигатели с непосредственным впрыском потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы (в особенности при спокойной езде на невысокой скорости); при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля; у них чище выхлоп; они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.

Система впрыска бензина во впускной трубопровод.

Одноточечный впрыск проще, он менее начинен управляющей электроникой, но и менее эффективен. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Немаловажно и то, что под моновпрыск легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. У одноточечного впрыска преимущество перед карбюратором состоит в экономии топлива, экологической чистоте и относительной стабильности и надежности параметров. А вот в приёмистости двигателя одноточечный впрыск проигрывает. Еще один недостаток: при использовании одноточечного впрыска, как и при использовании карбюратора до 30% бензина оседает на стенках коллектора.

Системы одноточечного впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами питания, но уже не удовлетворяют современным требованиям.

термодинамика газ пар воздух

Размещено на Allbest.ru