Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая теплотехника. Учебное пособие
.pdf
TT
)(
21
ln
ff
d
2
1
dd
221
)(
TTk
21
ff
R
(м·град)/Вт.
k и R рассчитываются
q
11
где
k – линейный коэффициент теплопередачи через цилиндрическую
стенку,
Вт/(м·К);
2
d
11
R – линейное термическое сопротивление теплопереда-
че через стенку цилиндрической формы,
Из анализа последней формулы следует, что
)(
TT
21
ff
(115)
,
по формулам:
d
k
d
11
1
d
11
2
ln
2
,
R
1
dd
221
l
111
2
dk
11
ln
2
1
.
dd
221
Линейное термическое сопротивление теплопередачи равно сум-
ме линейного термического сопротивления теплоотдачи от горячей среды
стенке
проводности цилиндрической стенки
), линейного термического сопротивления тепло-
)(1(
dR
111,
)/ln)2(1(
ddR
и линейного
122,
термического сопротивления теплоотдачи от стенки к холодной среде
)(1(
dR
).
223,
При теплопередаче через цилиндрическую стенку также следует, что
перепады температур на участках теплообмена прямо пропорциональны
линейным термическим сопротивлениям этих участков
::::
Для расчета неизвестных температур
RRRTTT
.
3,2,1,321
TиT необходимо вы-
2,1, ww
брать участок теплообмена таким образом, чтобы на его границах одна
температура была известна, а другая искомая. Например, если для расчета
температуры
– температуру
выберем температуру
T
1,w
T
2,f
, то получим:
TT
1,1,
R
R
wf
1,
)(
TT
2,2,
fw
3,
q
q
, а для расчета температуры
T
1,f
R
1,
qTT
1,1,
fw
qTT
2,2,
fw
; (116)
R
3,
. (117)
T
2,w
2.19. Теплообменные аппараты
Теплообменный аппарат (теплообменник)
– это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или изменения агрегатного состояния теплоносителя.
71
Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется передача
теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.
Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на три основные группы:
– рекуперативные;
– регенеративные;
– смесительные.
Рекуперативные аппараты (рис. 32) получили особенно широкое
развитие во всех областях техники, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.
Рис. 32
Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется
рабочей поверхностью теплообменника. Она выполняется из мате-
риала с хорошей теплопроводностью (меди, стали, латуни).
Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых
один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном про-
странстве. В таких теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители не контактируют, поэтому можно использовать самые разнообразные их сочетания.
Регенеративные теплообменники – аппараты, в которых поверх-
ность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде. В качестве поверхности нагрева
в таких теплообменных аппаратах используется твердый, достаточный
массивный материал (кирпичи, листы металла).
Смесительные теплообменники – аппараты, в которых теплота пе-
редается при непосредственном смешении охлаждаемой и нагреваемой
среды (контактные теплообменники).
В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по
трем основным схемам (рис. 33).
72
Рис. 33
Если направление движения горячего и холодного теплоносителей
совпадают, то такое движение называется
прямотоком.
Если направление движения горячего теплоносителя противополож-
но движению холодного теплоносителя, то такое движение называется
противотоком.
Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движе-
нию холодного теплоносителя, то такое движение называется
перекрест-
ным током.
В теплообменных аппаратах применяют также комбинированные
схемы движения.
Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей.
73
РАЗДЕЛ 3. ТОПЛИВО.
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
3.1. Классификация, состав и общие технические
характеристики топлива
Топливом
называется горючее вещество, которое используется для
получения тепла в энергетических, промышленных и отопительных установках.
Основные требование к топливу – оно должно встречаться в при-
роде в достаточно больших количествах, быть доступным для добычи, выделять большое количество тепла при сгорании, сохранять свои свойства
при длительном хранении, быть пригодным для транспортировки.
Классификация топлива:
По методу получения – естественное (дрова, торф, каменный уголь,
нефть) и искусственное (кокс, бензин, генераторный газ).
По агрегатному состоянию – твердые, жидкие и газообразные (ка-
менные угли, торф; керосин, дизельное топливо; природный горючий газ)
Компонентами любого топлива являются горючие элементы и него-
рючие примеси или балласт. К
горючим элементам топлива относятся: уг-
лерод С, водород Н и горючая сера S, образующие вместе с внутренним
балластом (кислород О и азот N) сложные химические соединения. Негорючие примеси (внешний балласт) составляют зола А и влага W. Например, газообразное топливо представляет собой механическую смесь горючих газов (СО, H
газов (СО
, O2, N2) и водяного пара H2O.
2
, метана СН4 и других углеводородов СmHn), негорючих
2
Элементы, входящие в состав топлива:
Углерод С
– основной горючий элемент топлива, содержится в нем в
виде органических соединений типа СN. Содержание в топливе 40-95%.
Водород Н – при сгорании выделяет вчетверо больше тепла, чем уг-
лерод. Содержится он в виде углеводородных соединений С
, во внут-
mHn
ренней влаге топлива. Содержание в топливе 1,5-12%.
Сера S входит в состав органических соединений S
соединений S
гипса СаSO
4
).
, а также в виде сернистых солей – сульфатов (например,
к
, колчеданных
ор
Кислород О находится в химических соединениях с горючими эле-
ментами. Содержание в топливе 1-30%.
Азот N – инертный газ, в топливе его содержится 1 … 6 %.
Зола А – негорючий остаток, полученный после полного сгорания
топлива. В зависимости от вида топлива ее доля может составлять 1-25%.
Влага W – является вредной примесью топлива, т.к. уменьшает долю
горючих веществ в 1 кг топлива. Часть тепла, выделяемого при сгорании
топлива, тратится на испарение влаги. Содержание влаги в топливе 5-60 %.
74
Рабочая масса – это масса и состав топливо, в котором оно поступа-
ет к потребителю и подвергается сжиганию.
Состав топлива характеризуют массовым содержанием образую-
щих его элементов, выраженным в процентах. Элементарный состав, отнесенный к рабочей массе топлива отмечают буквой р:
С
р
+ Hp + S
р
+ Op + Np + Wp + Ap = 100 %. (118)
ор + к
Если удалить полностью влагу из топлива, то такую массу называют
сухой. Состав при сухой массе:
С
с
+ Нс + S
Если мысленно удалить золу, то получим
C
г
+ Hг + S
с
+ Ос + Nc + Aс = 100 %. (119)
ор + к
горючую массу:
г
+ Ог + Nг = 100 %. (120)
ор + к
Общие технические характеристики топлива:
Теплота сгорания
– характеристика топлива, которая показывает,
какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг твердого
или жидкого топлива или 1 м
3
газа.
Теплоту сгорания можно рассчитать, зная химический состав топли-
ва и количество тепла, выделяемое при сгорании каждого элемента.
Различают
р
Q – тепло, рассчитанное без учета потерь на испарение влаги топ-
в
высшую и низшую теплоту сгорания
р
Q и
в
р
Q :
н
лива и влаги, полученной при сгорании водорода.
р
– теплота сгорания, определенная с учетом расхода тепла на ис-
Q
н
парение влаги.
Теплоту сгорания газообразных топлив относят обычно к 1 нм
(нормальному м
3
).
Зольность – содержание минеральных примесей. Наибольшее коли-
чество примесей имеют твердые топлива. Примеси попадают в топливо
главным образом при его добыче из окружающих пород и состоят в основном из глины Al
FeS
. При сжигании топлива минеральные примеси в зоне высоких темпе-
2
· 2SiO2 · 2Н2О, силикатов SiO2 и железного колчедана
2O3
ратур ядра факела претерпевают ряд превращений, в процессе которых образуется
зола.
Влагосодержание (влажность). Влажность, как и зольность топли-
ва, относится к его балласту и снижает теплоту сгорания. Влага в твердом
топливе разделяется на внешнюю W
и внутреннюю W
внш
. Внешняя влага
внт
механически удерживается на поверхности топлива и ее количество в
натуральном топливе зависит от его фракционного состава: влаги тем
больше, чем мельче топливо Внутренняя влага входит в органическое вещество топлива.
Серосодержание (сернистость). Сера имеет невысокую теплоту
сгорания, а продукты ее сгорания (оксиды серы SO
и SO3) оказывают
2
чрезвычайно вредное воздействие.
3
75
Наличие летучих веществ и кокса. Летучие вещества – это газооб-
разные продукты, которые выделяются при нагревании топлива без доступа воздуха. Твердый остаток называют коксом. При большом выходе летучих топливо легко воспламеняется, горит ярким пламенем.
Для сопоставления расходов разных топлив пользуются понятием
условного топлива – такого топлива, которое при сгорании выделяет 7000
ккал/кг или 29,3 МДж/кг тепла. Пересчет любого топлива в условное производится умножением
р
Q на коэффициент K = 1/7000 или K = 1/29,3.
н
3.2. Процесс горения твердого, жидкого и газообразного тела
Горение топлива – химическая реакция соединения горючих эле-
ментов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты.
В качестве окислителя используют кислород воздуха.
Процессы горения разделяют на 2 группы:
– гомогенное горение – горение газообразных горючих (характеризу-
ется системой «газ+газ»);
– гетерогенное горение – горение твердых и жидких горючих (харак-
теризуется системой «твердое тело+газ» или «жидкость+газ»).
Горение – это в основном химический процесс, т.к. в результате его
протекания происходят качественные изменения состава реагирующих
масс. Но в то же время химическая
реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: переносом теплоты, диффузионным переносом реагирующих масс и др.
Горение газообразного топлива.
Процесс горения газообразного топлива будет рассмотрен ниже.
Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси,
называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для
различных газов различно.
Горение твердого топлива.
Процесс горения состоит из следующих стадий:
1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода
летучих веществ;
2) воспламенение летучих веществ и их выгорание;
3) нагревание кокса до воспламенения;
4) выгорание горючих веществ из кокса.
Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.
Горение жидкого топлива.
Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и
промышленной теплотехнике, является мазут.
Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие
стадии:
76
1) нагревание и испарение топлива;
2) образование горючей смеси;
3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры,
раскаленной спирали и т.п.);
4) собственно горение смеси.
3.3. Расчет горения топлива. Действительный
и теоретический расход воздуха
Расчет горения топлива.
Целью расчета горения является определение:
– расхода окислителя на единицу топлива (м
3
или кг);
– выхода продуктов сгорания на единицу топлива;
– состава продуктов сгорания, %;
Покажем выполнение расчета на примере газообразного топлива. Все
расчеты выполняются на основе химических реакций окисления топлива.
Основные химические реакции для важнейших горючих компо-
нентов имеют вид:
СО + 0,5О2 = СО2;
Н
СН
Из реакций видно, что при сжигании 1 м
образуется 1 м
3
1 м
Н2О, при сжигании 1 м3 СН4 требуется 2 м3 О2 и образуется 1 м3 СО2 и
3
2 м
Н2О.
3
СО2, при сжигании 1 м3 Н2 требуется 0,5 м3 О2 и образуется
В газообразном топливе наряду с СН
+ 0,5О2 = Н2О; (121)
2
+ 2О2 = СО2 + 2Н2О.
4
3
СО требуется 0,5 м3 О2 и
содержится С2Н6, С3Н8 и т.д.
4
Реакцию горения тяжелых углеводородов CmHn можно выразить одной
химической формулой:
СmНn + (m + n/4) О2 = m · СО2 + (n/2) · Н2О. (122)
Формула справедлива и для метана.
Пересчет состава топлива.
В качестве исходных данных при расчете горения газообразного
топлива обычно задан сухой состав топлива в объемных процентах и
влажность топлива - f, выраженная в кг водяных паров на 1 м
с
топлива. При пересчете сухого состава (CO
состав (CO, H
СО = СО
H
СH
, CH4 и т.д.) используются следующие соотношения:
2
с
· ρ
Н2О
с
= H
2
= СH
4
2
· ρ
с
· ρ
4
Н2О
Н2О
и т.д. для остальных компонентов, где ρ
с
, H
, CH
2
/ (f + ρ
/ (f + ρ
/ (f + ρ
Н2О
Н2О
), (123)
Н2О
Н2О
= 18/22,4 = 0,8036 кг/м3 – плот-
с
и т.д.) на влажный
4
),
)
3
сухого
ность водяных паров.
77
Процентное содержание влаги во влажном топливе определяет-
ся по соотношению:
Н2О = 100 · f / (f + ρ
Н2О
), %
или исходя из соотношения
Н
О = 100 – (CO + H2 + CH4 + …), %. (124)
2
Расчет теплотворной способности топлива.
Низшая объемная теплота сгорания газообразного топлива
считывается по следующей формуле, МДж/м
Q
где Q
CH
CH4
, C2H6, …, H2S – объемные доли горючего газа, %.
4
р
= 0,01 · (Q
н
, Q
C2H6
, … , Q
· CH4 + Q
CH4
– теплота сгорания метана, этана и т.д., МДж/м3;
H2S
· C2H6 + … + Q
C2H6
3
:
· H2S), (125)
H2S
рас-
Определение расхода воздуха на горение топлива.
Для горения топлива необходим кислород, обычно поступающий из
ный состав сухого атмосферного воздуха: 21 %
Влажность воздуха обычно составляет f
возд
в
О
и 79 %
2
= 10-20 г Н2О / м3 сухого
N
в
.
2
воздуха, что соответствует содержанию примерно 1-2 % водяных паров во
влажном воздухе.
T
Теоретический расход кислорода
где
T
L
– измеряется в м
2
O
T
O
ных веществ в 1 м
Теоретический расход воздуха
K
где
– объемная доля кислорода в воздухе, %.
2O
3
О2 на 1 м3 газа;
3
влажного газа, м3/м3.
T
T
O
В
,/
KLL
22 O
L
определяется по формуле:
O
2
)4/(25,05,0
T
L
определяется по формуле:
В
33
газамвоздухам
/
VVnmVVVL
(126)
2422
OCmHnCHHCO
,,,,
VVVVV – объемы дан-
242
OCmHnCHHCO
, (127)
Чтобы топливо наверняка сгорело в печи, действительный расход
Д
L
воздуха
должен превышать теоретический
В
тельного расхода воздуха к теоретическому называется
T
L
. Отношение действи-
В
коэффициентом
расхода воздуха – n:
Т
L
. (128)
LLn /
В
В
Для хорошо работающих горелок, сжигающих топливо, n = 1,05-1,1.
Если действительный расход воздуха меньше теоретического, т.е.
n<1, то имеет место неполное сжигание топлива, называемое
химическим
недожогом.
3.4. Элементы котельной установки
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, раз-
мещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования
химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды.
78
Каждая котельная установка состоит из отдельных элементов –
устройств. Одни устройства являются основными и без них котельная
функционировать не может, другие можно назвать дополнительными и без
них установка будет работать, но с большим расходом топлива, а, следовательно, с меньшим коэффициентом полезного действия; третьи – механизмы и устройства, выполняющие вспомогательные функции.
К основным элементам котельной относятся:
Котел –
аппарат, служащий для получения пара или горячей воды,
Котлы бывают паровыми и водогрейными. В паровых котлах вода превра-
туры.
По давлению получаемого пара котельные агрегаты разделяются на
следующие: низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14МПа) и сверхвысокого давления (25-31
Мпа).
Топочное устройство (топка) служит для сжигания топлива и пре-
вращения его химической энергии в тепло нагретых газов.
Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для
подачи воды в котел.
Газоходы, по которым перемещаются дымовые газы и, соприкасаясь
со стенками котла, отдают последним свою теплоту.
Дымовые трубы, с помощью которых дымовые газы перемещаются
по газоходам, а затем после охлаждения удаляются в атмосферу.
Без перечисленных элементов не может работать даже самая простая
котельная установка.
К вспомогательным элементам котельной относят:
– устройства топливоотдачи
;
– золоуловители, применяемые при сжигании твердых видов топли-
ва и предназначенные для очистки уходящих дымовых газов;
– дутьевые вентиляторы, необходимые для подачи воздуха в топку
котлов;
– дымососы-вентиляторы, способствующие усилению тяги и тем
самым уменьшению размеров дымовой трубы;
– питательные устройства (насосы), необходимые для подачи во-
ды в котлы;
– устройства по очистки питательной воды, предотвращающие
накипеобразование в котлах и их коррозию;
– водяной экономайзер, служит для подогрева питательной воды до
ее поступления в котел.
– воздухоподогреватель предназначен для подогрева воздуха пе-
ред его поступлением в топку горячими газами, покидающими котлоагрегат.
– приборы теплового контроля и средства автоматизации, обес-
печивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.
79
3.5. Классификация котельных установок
1. В зависимости от типа потребителя котельные установки разделя-
ются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные.
Энергетические котельные установки вырабатывают пар для па-
ровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют,
как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.
Производственно-отопительные котельные установки (обычно
паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и
для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но
они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем
отопления, горячего водоснабжения и вентиляции производственных и
жилых помещений.
2. В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные ко-
тельные разделяются на местные (индивидуальные), групповые и районные.
Местные отопительные котельные обычно оборудуют водо-
грейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115°С или
паровыми котлами с рабочим давлением до 70 ткПа. Такие котельные
предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.
Групповые отопительные котельные обеспечивают теплотой
группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Такие котельные оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами, как правило, большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специальных зданиях.
Районные отопительные котельные предназначены для тепло-
снабжения крупных жилых массивов; их оборудуют сравнительно мощными водогрейными и паровыми котлами.
3. По виду вырабатываемого теплоносителя котельные установки
делятся на
паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки
горячей воды). Водогрейная котельная имеет один теплоноситель (воду) в
отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя – вода и пар.
В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также бака для сбора конденсата.
3.6. Принципиальная схема паровой и водогрейной котельных
В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных уста-
новок имеются существенные различия.
Паровая котельная установка
(рис. 34) из двух паровых котлов 1,
оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]