9604
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
рекуператорами и регенераторами. |
|
|
|||
|
|
Моноблоки и рекуператоры из гладких |
|||||
|
|
стальных труб |
|
|
|
|
|
|
|
Радиационные |
рекуператоры |
и |
|||
|
|
комбинированные рекуператоры |
|
|
|||
|
|
Особенности использования |
рекуператоров |
в |
|||
|
|
зависимости от типов промышленных печей |
|
||||
|
|
Котлы-утилизаторы |
|
|
|
|
|
|
|
Контактные теплообменники |
|
|
|
||
|
|
Определение состава продуктов сгорания при |
|||||
|
|
полном сгорании |
|
|
|
|
|
|
|
Поверхностные теплообменники |
|
|
|||
|
|
Комбинированные |
теплообменники |
и прочие |
|||
|
|
теплоутилизаторы |
|
|
|
|
|
|
|
Расчет |
комплексных |
установок |
по |
||
|
|
использованию теплоты природного газа в |
|||||
|
|
которых |
происходит конденсация |
водяных |
|||
|
|
паров |
|
|
|
|
|
3 |
Применение энергоэффективных |
Сушильные установки |
|
|
|
||
|
технологий в различных отраслях |
Использование |
природного |
газа |
в |
||
|
промышленности |
промышленности строительных материалов |
|
||||
|
|
Определение параметров сушильного агента |
|
||||
|
|
Использование |
природного |
газа |
в |
||
|
|
машиностроении |
|
|
|
|
|
|
|
Использование природного газа в стекольной |
|||||
|
|
промышленности |
|
|
|
|
|
|
|
Определение количества воды, нагретой |
|||||
|
|
контактным способом. |
|
|
|
||
1.3 Порядок освоения материала |
|
|
|
|
|
|
На освоение материала студентам выделяется 32 часа лекционных и 16 часа практических занятий, а также отводится 132 часов на самостоятельное обучение. За это время, по мере освоения учебного материала, студенты также должны выполнить расчетно-графическую работу. По окончанию курса сдается зачет с оценкой. Студенты, не выполнившие расчетно-графическую работу, до зачета с оценкой не допускаются.
11
2. Методические указания по подготовке к лекциям
2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях
Лекция – это важнейшее звено дидактического цикла обучения, цель которой - формирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лекции преподаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обучаемым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.
Назначение лекции состоит в доходчивом изложении основных положений изучаемой дисциплины и ориентации на наиболее ее важные вопросы.
Большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей предоставляет личное общение на лекции преподавателя со студентами.
При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.
2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций
Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. Он помогает внимательно слушать и лучше запоминать в процессе осмысленного записывания. Также конспект незаменим, как опорный материал при подготовке к семинару, зачету, экзамену.
Вслучае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины.
2.3Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис
2.3.1 Раздел 1: Введение
Одним из самых важных моментов в теплотехнических расчетах является выбор теплоты (высшей или низшей), по которой будет вестись весь расчет. Для лучшего понимания данного вопроса приведем уравнение горения метана (основного компонента природного газа) в воздухе:
CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2
Таким образом, при сжигании 1м3 CH4 получается 2м3 водяного пара, или с учетом его плотности (800г/м3) – 1,6 кг. Этот пар в продуктах сгорания начнет конденсироваться, выделяя дополнительную теплоту, при температуре ниже температуры точки росы. Таким образом, вводится два разных понятия, для оценки данного явления:
низшая теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при сжигании 1кг или 1м3 сухого топлива без учёта теплоты конденсации водяных паров;
высшая теплота сгорания учитывает теплоту конденсации водяных паров.
Определение низшей и высшей теплоты сгорания.
Для природного газа определяется по следующим зависимостям:
QcH = 358CH4 + 636C2H6 + 913С3H8 + 1189C4H10 + 1465C5H12
CH4, C2H6, … - содержание в природном газе метана, этана, … в % по объёму.
358, 636, … - низшая теплота сгорания каждого компонента формулы, пересчитанная на 1% горючего компонента, содержащегося в природном газе.
12
QcB = 398CH4 + 699C2H6 + 992С3H8 + 1285C4H10 + 1578C5H12 QCB = 1,11QCH
Конденсация продуктов сгорания природного газа наступает при снижении t ух. газов ниже 55-65°С. Когда t ух. газов выше t т. росы, весь расчёт ведётся по низшей теплоте сгорания, и наоборот, при t ух. газов ниже t т. росы по высшей теплоте сгорания (даже когда происходит только на выходе из самой последней ступени).
Также, важную роль играют определения, приводимые ниже. Жаропроизводительность топлива – максимальная температура горения,
развиваемая при полном сгорании топлива без избытка в условиях, когда всё выделяющееся при сгорании тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания.
При подсчёте жаропроизводительности температура топлива и воздуха принимают равной нулю.
Определение жаропроизводительности топлива:
QcH tmax = VΣ0 ∙ C0−tmax
VΣ0 – объём продуктов сгорания
C0−tmax – средневзвешенная теплоёмкость от 0 до tmax.
Для инженерных расчётов значение теплоёмкости можно принять равным 1,67
кДж/(м3∙°С).
Калориметрическая температура – максимальная температура сгорания без учёта диссоциации, развиваемая при полном сгорании топлива, но учитывающая реальные начальные температуры газа и воздуха при α=1.
Теоретическая температура – величина, учитывающая понижение температуры вследствие распада тепла на диссоциацию.
Действительная температура – практическая величина, достигаемая в реальных условиях в наиболее нагретой точке зоны сгорания.
При её определении учитывают наличие избытка воздуха, влияние диссоциации и отвод тепла во внешнюю среду.
Действительная температура может быть повышена предварительным нагревом воздуха, уменьшением его избытка до возможных пределов и снижением тепловых потерь агрегата, которым сжигается газ.
2.3.2 Раздел 2: Топливоиспользующее оборудование
В топливоиспользующем оборудовании выделяют следующие потери теплоты: q1 – КПД
q2 – потери с уходящими газами
q3 – потери с химическим недожогом q4 – потери с механическим недожогом q5 – потери в окружающую среду
q6 – потери со шлакообразованием q1 = КПД =100 – (q2 + q3 + q5)
Для оценки эффективности использования топлива вводят величину – коэффициент использования топлива.
КИТ (коэффициент использования топлива) = 100 – (q2 + q3)
Для того чтобы определить неполное сгорание топлива, нужно искать в составе продуктов сгорания CH4 и CO.
В случае полного сгорания топлива:
КИТ = 100 – q2
13
Таким образом, повышение эффективности использования топлива во многом зависит от величины потерь теплоты с уходящими газами – чем эта величина меньше, тем выше значение коэффициента использования топлива.
В целом все схемы по использованию теплоты уходящих газов можно классифицировать следующим образом (рис 1).
Схема 1. Замкнутая. Используется для нужд топливоиспользующей установки.
I II
Схема 2. Разомкнутая. Используется для нужд предприятия.
I II
Схема 3. Замкнуто-разомкнутая. Используется для нужд предприятия и для нужд топливоиспользующей установки.
I II III
Cхема 4. Энерго-технологическая. Использование продуктов сгорания в качестве сырья.
I IV
Рис 1: Классификация схем использования теплоты уходящих газов. Примечание к схемам: I – топливоиспользующий агрегат (печь, котел); II, III - теплоутилизатор (экономайзер, рекуператор, регенератор); IV – устройство, в котором продукты сгорания используются в качестве сырья.
2.3.3 Раздел 3: Турбины
14
Под турбиной понимают ротационный тепловой двигатель, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу.
Основным элементом паровой турбины (рис. 2) является металлический вал (ротор), на который крепятся рабочие лопатки. Вал помещается внутрь корпуса (кожуха), также к корпусу крепится диафрагма – диск с неподвижными сопловыми лопатками (направляющими соплами). В соплах тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию, а затем на рабочих лопатках в механическую работу, передавая вращательное движение ротору турбины. Ротор турбины соединяется с ротором электрогенератора для выработки в последнем электрического тока.
Рис. 2. Принцип работы паровой турбины Стоит отметить, что для работы турбины необходим источник пара, как правило -
паровой котел (в ТЭЦ температура пара для турбин варьируется в пределах 450-550ºС). Совокупность этих элементов представляет собой достаточно громоздкую конструкцию, в то время как современные газовые турбины, как правило, уже содержат все элементы для их работы внутри одного корпуса. Газотурбинная установка условно делится на три области: область компрессора, в которой происходит забор и сжатие воздуха; камера сгорания, в которую подается сжатый воздух и топливо, и впоследствии осуществляется сжигание газо-воздушной смеси; турбина, где тепловая энергия дымовых газов (температура достигает 1500ºС) преобразуется в механическую работу на лопатках соединенных с валом. Как и в паровой турбине, вращательное движение ротора турбины передается на вал электрогенератора (рис 3).
Рис. 3. Схематичное сравнение паровой и газовой турбин.
15
2.3.4 Раздел 4: Теплоутилизационное оборудование
На выходе из паровой или газовой турбины рабочее тепло может содержать достаточно высокие параметры для возможности дальнейшего применения. Таким образом, появляются перспективы для использования отработанного рабочего тела в качестве вторичного энергетического ресурса.
Хорошим примером будет газопаровая установка (рис. 3), где после газотурбинной установки дымовые газы направляются в котел-утилизатор.
Рис. 4. Схема газопаровой установки.
Котел-утилизатор представляет собой теплообменник, в котором теплота уходящих газов используется для получения (в данном случае) пара.
Особенностью котла-утилизатора является отсутствие топочной камеры – продукты сгорания органического топлива поступают непосредственно в котел.
После котла-утилизатора пар поступает в паровую турбину, далее в конденсатор, где отработанный пар конденсируется и, с помощью циркуляционного насоса, возвращается в котел-утилизатор для повторения цикла.
Помимо котла-утилизатора для использования высокотемпературных ВЭР широкое распространение получили рекуператоры и регенераторы.
В рекуператоре (рис. 5) теплота уходящих газов передается воздуху через поверхности пластин, отделяющих течение уходящих газов от течения воздуха. В рекуператоре процесс теплообмена между дымовыми газами и воздухом происходит непрерывно. С одной стороны это положительный момент, поскольку в рекуператоре отсутствуют сложные конструктивные элементы, требующие дополнительного обслуживания. С другой стороны, невозможно добиться такой же эффективности использования теплоты дымовых газов как в регенераторе.
Регенератор снабжается поворотным механизмом, через ротор которого попеременно проходят то уходящие газы, то нагреваемый воздух. Насадки в роторе нагреваются после прохождения через них уходящих газов, и эта теплота затем передается воздуху. Регенератор позволяет добиться более высокой эффективности использования
16
теплоты, чем рекуператор, но из-за сложности конструкции (рис. 6) по сравнению с рекуператором, имеет более высокую стоимость и стоимость обслуживания.
Рис. 5. Принцип работы рекуператора.
Рис. 6. Принцип работы регенератора.
В качестве насадок могут быть использованы: диски из алюминиевой гофрированной ленты; пакет пластин; различные виды кирпичных насадок; насадки из
17
керамических колец и т.д. Среди керамических колец наибольшее распространение получили кольца Рашига, в качестве альтернативы можно рассмотреть кольца Палля.
Процесс теплообмена в регенераторе происходит посредством прямого контакта уходящих газов и продуктов сгорания (и греющая и нагреваемая среда омывают насадки, передавая им свою теплоту) – такой способ передачи теплоты называется контактным. В рекуператоре теплота от уходящих газов к воздуху осуществляется через стенку (поверхность) отделяющих среды пластин – такой способ передачи теплоты называют поверхностным.
Если рассматривать паровую котельную малой производительности, то самым часто встречающимся теплообменником будет экономайзер ВТИ чугунно-ребристый (хвостовая поверхность нагрева), который используется для подогрева питательной воды и охлаждения уходящих газов.
Рис. 7. Принцип работы экономайзера.
В качестве контактных теплообменников, которые также могут применяться в котельных, рассмотрим насадочный контактный утилизатор (рис. 8).
18
Рис. 8. Контактный насадочный утилизатор. 1 – влагоуловитель; 2 – рабочий слой насадки из керамических колец; 3 – газоотводящие трубы; 4 – каскадный дегазатор; 5 – переливная труба с гидравлическим затвором; 6 – корпус экономайзера.
Холодная вода через водораспределитель равномерно распространяется по сечению контактной камеры. В качестве насадки в этом теплообменнике используются керамические кольца Рашига, которые были описаны выше. Стекая по кольцам в виде тонкой пленки, вода подогревается восходящим потоком продуктов сгорания и затем собирается в нижней части экономайзера. Для предотвращения выноса капель из контактной камеры, охлажденные уходящие газы проходят нерабочий слой колец, который служит влагоуловителем.
Контактный утилизатор обладает достаточно большими габаритами, однако, в отличие от конденсационного, он может быть установлен вместо хвостовой поверхности нагрева. Насадочные утилизаторы проходили испытания не только в котельных, но и в цехах, где температура уходящих газов от печей достигала 550 ºС и выше.
2.4 Контрольные вопросы
Раздел 1
Уравнение горения метана в воздухе. Определение низшей и высшей теплоты сгорания. Определения жаропроизводительности топлива. Определение пределов воспламеняемости.
Определение объема воздуха необходимого для горения топлива и продуктов сгорания.
Раздел 2
Топливоиспользующее оборудование. Общее сведения. Потери теплоты.
Сравнительный анализ расчета объема продуктов сгорания по разным методикам. Особенности работы различных топливоиспользующих установок.
Проверка правильности работы газоанализитора.
Применение топливоиспользующих установок в различных отраслях промышленности. Определение потерь теплоты.
Раздел 3
Турбины. Общие сведения.
Основные схемы турбинных установок. Паровые турбины.
Особенности расчета паровых турбин.
Раздел 4
Виды теплоутилизационного оборудования. Коэффициент полезного действия. Коэффициент использования топлива. Рекуператоры.
Регенераторы.
Особенности расчетов по низшей теплоте сгорания. Контактные теплообменники.
Поверхностные теплообменники.
Особенности расчетов по высшей теплоте сгорания. Котлы-утилизаторы.
Оценка параметров сушильного агента. Определение эффективности работы рекуператора.
Оценка количества воды, подогреваемой контактным способом.
Расчет многоступенчатых установок использование теплоты уходящих газов. Комплексные теплотехнические расчеты.
19