5.4 Уравнение теплового баланса в общем виде

Уравнение баланса или просто баланс в физике, химии или экономике описывается простой формулой, которую в самом общем виде можно записать

Приход – Расход = Накопление

Теплоэнергетическая установка – это своеобразный проточный химический реактор, в котором протекает реакция горения органического топлива.

Поэтому естественно к такой установке применить подход, обычно используемый в химической технологии при составлении теплового и материального балансов химических реакторов.

Составим тепловой баланс топки энергетической установки (печи) в виде:

С учетом возможных фазовых переходов как исходного органического топлива (например, испарения жидкого мазута – Q_фп) продуктов сгорания (например, конденсации паров воды + Q_фп) уравнение теплового баланса топки для нестационарного режима примет вид:

(5.10)

Составляя такой баланс необходимо учитывать отклонения теоретических тепловых эффектов отдельных стадий процесса. Отклонения возникают по следующим причинам: (*) термодинамическое равновесие не позволяет проводить реакцию горения до конца; (**) вследствие относительно низких скоростей реакций не достигается полное сжигание топлива; (***) часть топлива и/или тепла расходуется на протекание побочных реакций с образованием, например, токсичных продуктов сгорания; (****) часть топлива или окислителя берется в избытке.

5.5 Диаграммы энергетического и материального потоков

Полосовые диаграммы потоков энергии и тепла (диаграммы Сенке) давно и широко применяют в энергетике. На этих диаграммах потоки энергии изображаются полосами, ширина которых пропорциональная соответствующим величинами энергии. Направление каждого потока энергии указывается стрелкой.

В силу закона сохранения энергии полосы на диаграмме Сенке не могут менять свою ширину. Но они могут разделяться и сливаться. Такие диаграммы служат также для демонстрации перехода одного вида энергии в другой. Следует отметить, что полосовые диаграммы также используются и для потоков вещества.

На рис. 5.1 приведена диаграмма Сенке, отражающая в определенном масштабе потоки тепла для некоторой печи. На входе в печь имеем два тепловых потока: Q_ВХ – нагретая топливно-воздушная смесь, тепло реакции горения этой смеси Q_pr . Выходят из печи три потока тепла: Q_BЫX – полезная теплота дымовых газов (продуктов сгорания), Q_фп – теплота со знаком (-) предположительно израсходованная, например, на испарение топлива (мазута), Q_ТП – потери тепла через стенку печи и/или рекуператора и/или теплообменника. При этом Q_фп и Q_ТП представляют потери тепла.

Рис. 5.1 Поточная диаграмма Сенке для теплового баланса печи

В уравнении теплового баланса учитываются все потоки тепла, как входящие в топку, так и выходящие из нее. Если принять для стационарного режима работы печи Q_HAK = 0, то исходя из рис. 5.1 и сделанных предположений по закону сохранения энергии можно записать:

(5.11)

Энергетический (тепловой) КПД

Определим тепловой КПД печи ( ) в %, как отношение суммы полезно использованных энергий (∑Q_ПИЭ), к сумме полных энергетических затрат (∑Q_ПЭЗ). Тогда получим:

(5.12)

Применительно к рассматриваемой печи имеем

(5.13)

Из рис. 5.1 видно, что КПД печи существенно меньше 100%.