2293

G1 G2c2 t2" t2' ;

h1

для тепломассообмена

G1 G2c2 t2" t2' ,

K H

где с1 , с2 – теплоемкости теплоносителей; t1' , t1", t2' , t2" начальные и ко-

нечные температуры теплоносителей; H и K – начальное и конечное влагосодержание.

Средний температурный напор в теплообменнике

Θ tБ tМ ,

ln tБ

tМ

где tБ – больший температурный напор на конце теплообменника; tМ – меньший температурный напор.

Коэффициент теплоотдачи:

для плоских поверхностей теплообмена

для труб с наружными ребрами

где 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной по-

верхностях стенки соответственно; 2ПР – приведенный коэффициент теплоотдачи для ребристой поверхности; толщина стенки; коэффициент теплопроводности материала стенки; d1 и d2 – внутренний и наружный диаметры труб; FС и FРС – площадь гладкой и ребристой поверхностей

стенки; RЗ – термическое сопротивление, учитывающее загрязнение стен-

ки, RЗ = 0,009 м2·К/Вт.

Коэффициенты теплоотдачи определяют, пользуясь теорией подобия. Интенсивность конвективного теплообмена между жидкостью (газом) и

60

поверхностью твердого тела характеризует критерий подобия Нуссельта

Nu.

Если найден критерий Nu, то

где l – определяющий размер; Ж – коэффициент теплопроводности жидкости.

При движении потока внутри прямой трубы в случае развитого турбулентного течения справедливо критериальное уравнение

(3.41)

где число Рейнольдса Re = w l / ; число Прандтля Рr = cP / ; w, сР скорость и теплоемкость теплоносителя; , кинематическая и динамическая вязкости теплоносителя.

При поперечном обтекании пучка труб зависимость между критериями подобия, определяющими процесс теплоотдачи, имеет вид:

для коридорного пучка

Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в большом

где р – давление; qС – удельная тепловая нагрузка.

Определение конструктивных размеров теплообменников

Кожухотрубные теплообменники

Для определения общей теплопередающей поверхности кожухотрубных теплообменников определяют коэффициенты теплоотдачи по уравнениям (3.40) (3.43), если теплоносители не меняют агрегатного состояния. В случае кипения теплоносителя (воды) применяют формулу (3.14), затем определяют коэффициент теплопередачи и общую поверхность теплообмена.

После этого определяют конструктивные размеры теплообменника. Поверхность нагрева одного хода кожухотрубного теплообменника

FX = dCP l n,

где dСР – средний диаметр труб; l – длина труб; n – число труб.

61

S2 d.

Длина каждого из змеевиков

l F ,dBH n

где n – число параллельных змеевиков, по которым движется теплоноситель,

При расчете характеристики навивки необходимо, чтобы длина каждого змеевика в ряду была приблизительно одинаковой.

Регенеративные теплообменники

Для расчета регенераторов необходимо определить характеристики насадки. В качестве насадки низкотемпературных регенераторов используется алюминиевая гофрированная лента.

Обычно применяют следующие характеристики насадки: толщина ленты = 0,3 мм; высота диска b = 34 мм; шаг рифа а = 4,71 мм; высота рифа h = 1,9 мм; приведенный диаметр насадки dП = 1,21 мм; свободный объем

64

насадки = 0,768 м3/м3 ; удельная поверхность S0 = 1156 м2/м3 ; удельная теплоемкость с = 0,16 кДж/(кг·К).

Тепловая нагрузка на регенератор

Q = G cP T,

где G – расход газа; сР – теплоемкость газа. Средняя скорость газа

CP G / 0,785DP2 ,

где DР – диаметр регенератора (диаметр регенератора подбирается по заводской характеристике выпускаемых регенераторов); р – плотность газа.

Критерий Нуссельта

Nu Re0,007b/dПР 0,65 .

100,024b/dПР 0,6

Критерий Рейнольдса

Re CPdПР .

Коэффициент теплоотдачи от газа к насадке и наоборот

Nu Ж .

dПР

Коэффициент теплопередачи

k0 /2.

Действительный коэффициент теплопередачи

k 0,8 k0.

Теплопередающая поверхность регенератора

F Q/ tk ,

где t – недорекуперация, обычно принимается t = 4 0С.

65

4. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ТУРБОДЕТАНДЕРЕ

4.1.Компонентный состав ПСТ и его теплофизические свойства

Втеплохладоэнергетическом агрегате источником получения твердого СО2 являются продукты сгорания топлива (ПСТ). Компонентный состав ПСТ обусловлен химическим составом сжигаемого топлива, составом топливной смеси, температурой и давлением, которые, в свою очередь, определяют условия тепло- и массообмена в процессе кристаллизации СО2 . При всем разнообразии свойств, различных по составу топлива, горючая масса включает в основном три элемента: углерод, водород и кислород. От соотношения этих элементов в горючей массе зависит состав ПСТ. В табл.

4.1приведен массовый состав некоторых видов топлива [17].

Если горение топлива осуществляется в атмосферном воздухе, содержащем по объему 21 % кислорода и 79 % азота (включая аргон и ряд других незначительных примесей), то объемный состав продуктов сгорания безводных и беззольных жидких и таких же твердых топлив может быть рассчитан по следующим формулам [17]:

здесь rC', rН' , rO' и rN' – содержание СО2 , водяных паров, кислорода и азота

в ПСТ; a коэффициент избытка воздуха, характеризующий отношение общего объема воздуха, участвующего в процессе горения, к общему необходимому для окисления сжигаемому топливу; коэффициент,

1 3 H 0,125 O S /C,

где С, Н, О и S – соответственно массовые доли углерода, водорода, кислорода и серы в топливе.

66

Массовая концентрация i-го компонента рабочего вещества может быть определена через объемную концентрацию по соотношению

а объемную концентрацию можно определить через массовую по формуле

В последних соотношениях i и CМ – молекулярная масса i-го компонента и смеси.

На рис. 4.1 приведен компонентный состав ПСТ, полученный при сжигании топлива с массовым составом по углероду С = 0,86 и водороду Н = 0,14. Анализ зависимостей показывает, что ПСТ содержат по массе от 0,017 до 0,0805 водяных паров в зависимости от коэффициента избытка

Отклонение газовой постоянной ПСТ RПСТ 8314,41/ ПСТ от газовой постоянной сухого воздуха

67

для a = 1 составило 0,06 %, а для a = 5 – 0,01 % .

Отклонение показателя адиабаты ПСТ кПСТ от показателя адиабаты су-

хого воздуха к = 1,408 для a = 1 составило 1,75 % , а для a = 5 – 0,39 % .

На рис. 4.2 представлена зависимость влагосодержания продуктов сго-

где GH – масса водяного пара, содержащаяся в рассматриваемом объеме;

GC ПСТ – масса сухих ПСТ. Анализ показывает, что влагосодержание ПСТ

зависит от коэффициента a. Влагосодержание dПСТ = 0,0876 кг/кг сухих

ПСТ при a = 1 и dПСТ = 0,017 кг/кг сухих ПСТ при a= 5.

В области давлений и температур ниже температуры тройной точки СО2 количество водяных паров в ПСТ ничтожно мало. Следовательно, объемный состав рабочего вещества может быть определен как

где rС, rO, rN – объемная концентрация СО2 , кислорода и азота.

При известном составе сжигаемого топлива и концентрации rС коэффициент a может быть определен следующим выражением:

Для углеводородного топлива при известной массовой концентрации

На рис. 4.3 приведен компонентный состав продуктов сгорания для различного сжигаемого топлива. Анализ зависимостей показывает, что рабочее вещество турбодетандера во многом определяется составом сжигаемого топлива и массовой концентрацией gC диоксида углерода. Максимально возможная концентрация СО2 , которая может быть получена при сжигании природного газа с a = 1, составляет 0,173, керосина – 0,219, ка-

68

менного угля – 0,270. Здесь же показан состав искусственной смеси воздуха и СО2 , определяемой соотношением

В дальнейшем при рассмотрении процесса расширения в турбодетандере в качестве исходного рабочего вещества используются ПСТ, полученные при сжигании топлива с массовым составом по углероду С = 0,86 и водороду Н = 0,14. Данный состав характерен для широкого круга углеводородных топлив, применяемых в теплоэнергетике. Это керосин, бензин, мазут топочный, дизельное топливо и др.

На рис. 4.4 показано изменение массовой концентрации компонентов рабочего вещества на входе в детандер в зависимости от коэффициента a. Приведенные данные свидетельствуют о том, что концентрация gC в ПСТ с уменьшением коэффициента a возрастает и достигает своего максимального значения ( gC = 0,219 при a= 1). Массовая концентрация азота gN остается практически постоянной во всем диапазоне a, кислорода gO

с уменьшением a снижается, и при a = 1 концентрация gO = 0. В этом случае весь кислород воздуха участвует в процессе окисления топлива.

69