7844

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.М.Соколов

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИКИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТОПЛИВОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТАНОВОК

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации

самостоятельной работы и выполнению расчетно-графической работы) по дисциплине «Современные методики теплотехнических расчетов топливоиспользующих установок» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство,

профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий (заочное отделение)

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.М.Соколов

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИКИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТОПЛИВОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТАНОВОК

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации

самостоятельной работы и выполнению расчетно-графической работы) по дисциплине «Современные методики теплотехнических расчетов топливоиспользующих установок» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство,

профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий (заочное отделение)

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 662.99

Соколов М.М. Современные методики теплотехнических расчета топливоиспользующих установок. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / М.М. Соколов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 23 с; ил. 1 электрон.

опт. диск (CD-RW)

В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Современные методики теплотехнических расчетов топливоиспользующих установок» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины и тем самым способствующие достижению целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в усвоении лекций, в подготовке к практическим занятиям, а также в написании расчетно-графической работы.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы и выполнению расчетно-графической работы) по дисциплине «Современные методики теплотехнических расчетов топливоиспользующих установок» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий (заочное отделение).

Оглавление

4

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целью изучения учебной дисциплины Б1.В.ОД.2 Современные методики теплотехнического расчета топливоиспользующих установок является освоение современных методик теплотехнического расчета топливоиспользующих установок.

В процессе освоения дисциплины студент должен Знать:

−основные направления развития современных технологий в области применения топливоиспользующих установок.

−особенности ранее проходимых фундаментальных и прикладных дисциплин.

−состояние вопросов, затрагиваемых дисциплиной на текущий момент со способностью прогнозировать дальнейшее развитие научно-промышленного комплекса.

−особенности проведения технико-экономического анализа топливоиспользующей установки.

−особенности производственных и технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Уметь:

−анализировать эффективность работы топливоиспользующих установок с целью корректировки ее работы в сторону улучшения эффективности.

−применять полученные ранее знания при проведении теплотехнических расчетов, сопоставляя разные методы.

−оценивать эффективность работы установки на текущий момент, с помощью теоретического анализа и математических зависимостей.

−производить оценку и технико-экономическое обоснование на основе проводимого анализа.

−составлять соответствующие рекомендации для обслуживающего персонала топливоиспользующих установок.

Владеть:

−соответствующими методами анализа эффективности работы топливоиспользующей установки.

−необходимой информацией, подкрепляемой современными бумажными (справочники, каталоги продукции различных компаний) и электронными источниками.

Данная дисциплина позволит студентам не только систематизировать полученные теоретические знания, укрепить исследовательские навыки, но и даст возможность ориентироваться в области современных теплотехнических расчетов.

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

1. Введение

Введение. Определение низшей и высшей теплоты сгорания. Основные термины и определения. Определения жаропроизводительности топлива.

2. Топливоиспользующее оборудование

5

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.

3. Турбины

Турбины. Общие сведения. Основные схемы турбинных установок. Паровые турбины. Особенности расчета паровых турбин. Газовые турбины. Особенности расчета газовых турбин.

4. Теплоутилизационное оборудование

Виды теплоутилизационного оборудования. Коэффициент полезного действия и коэффициент использования топлива. Рекуператоры и Регенераторы. Особенности расчетов по низшей теплоте сгорания. Контактные и поверхностные теплообменники. Особенности расчетов по высшей теплоте сгорания. Котлы-утилизаторы. Оценка параметров сушильного агента. Работа с I-d диаграммой. Определение эффективности работы рекуператора. Оценка количества воды, подогреваемой контактным способом. Расчет многоступенчатых установок использование теплоты уходящих газов. Комплексные теплотехнические расчеты.

1.3 Порядок освоения материала

На освоение материала студентам выделяется 2 часа лекционных и 10 часов практических занятий, а также отводится 105 часов на самостоятельное обучение. За это время, по мере освоения учебного материала, студенты также должны выполнить расчетнографическую работу. По окончанию курса сдается экзамен. Студенты, не выполнившие расчетно-графическую работу, до экзамена не допускаются.

6

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:

Q = 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.

Q = 398CH4 + 699C2H6 + 992С3H8 + 1285C4H10 + 1578C5H12

7

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, разви-

ваемая 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:

Q t = V ∙ C

V – объём продуктов сгорания

C – 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 – (q 2 + q3 + q5)

Для оценки эффективности использования топлива вводят величину – коэффициент использования топлива.

КИТ (коэффициент использования топлива) = 100 – (q 2 + q3)

Для того чтобы определить неполное сгорание топлива, нужно искать в составе продуктов сгорания CH4 и CO.

В случае полного сгорания топлива:

КИТ = 100 – q 2

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.

8

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

Под турбиной понимают ротационный тепловой двигатель, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу.