сборник задач по теплотехнике / ГЛАВА 9

ГЛАВА 9

ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ

§ 9.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ КОТЕЛЬНЫХ И ПЕЧНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ И ПАРА

Важным источником для добавочного получения теплоты являются уходящие котельные и печные газы. Уходящие котель­ные и печные газы используются в водяных утилизаторах (эконо­майзерах) и в котлах-утилизаторах для получения горячей воды и пара.

Количество теплоты (кДж/с), отдаваемое уходящими котель­ными и печными газами утилизатору, находится по формуле

Q_т=V_гcрс(θ-θ’), (9.1)

где V_гcp — средний расход уходящих газов при их охлаждении в утилизаторе от θ до θ', м³/с; c — средняя объемная теплоем­кость газов, кДж/(м³·К); θ' — температура газов на выходе из утилизатора, °С.

Расход (м³/с) уходящих газов из котельной определяется по формуле

, (9.2)

где п — число котлоагрегатов; В_р — расчетный расход топлива, кг/с; V — теоретический объем газов, м³/кг (м³/м³); α_y — коэф­фициент избытка воздуха за утилизатором; V⁰ — теоретически необходимый объем воздуха, м³/кг (м³/м³); θ — температура газов на входе в утилизатор, °С.

Количество выработанной теплоты (кДж/с) в утилизаторе за счет теплоты уходящих газов находится по формуле

Q=B_р(J_г-J)β(1-ξ), (9.3)

где J_г — энтальпия газов на выходе из печи, кДж/кг (кДж/м³); J — энтальпия газов на выходе из утилизатора, кДж/кг (кДж/м³); β — коэффициент, учитывающий несоответствие режи­ма и числа часов работы утилизатора и агрегата — источника вторичных энергоресурсов; ξ — коэффициент потерь теплоты утилизатора в окружающую среду.

Коэффициент утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР) определяется по формуле

δ=Q_ВЭР/Q, (9.4)

где Q_ВЭР — использованная теплота ВЭР, кДж/с.

Задача 9.1. Определить количество теплоты, отдаваемое ухо­дящими газами котельной спиртового завода водяному эконо­майзеру (утилизатору), для получения горячей воды, если тем­пература газов на входе в экономайзер θ=350°С, температура газов на выходе из экономайзера θ'=200°С, коэффициент избыт­ка воздуха за экономайзером α_y=1,3, средняя объемная теплоем­кость газов c=1,415 кДж/(м³·К) и расчетный расход топлива одного котлоагрегата B_p=0,3 м³/с. В котельной установлены два одинаковых котлоагрегата, работающих на природном газе Дашавского месторождения состава: СО₂=0,2%; СН₄=98,9%; С₂Н₆=0,3%; С₃Н₈=0,1%; С₄Н₁₀=0,1%; N₂=0,4%.

Ответ: Q_m=3437 кДж/с.

Задача 9.2. Определить количество теплоты, отдаваемое ухо­дящими газами котельной спиртового завода водяному эконо­майзеру (утилизатору), для получения горячей воды, если тем­пература газов на входе в экономайзер θ=340°С, температура газов на выходе из экономайзера θ'=200°С, теоретический объем газов V=11,48 м³/кг, теоретически необходимый объем воздуха V⁰=10,62 м³/кг, коэффициент избытка воздуха за экономайзе­ром α_y=1,4, средняя объемная теплоемкость газов c=1,415 кДж/(м³·К) и расчетный расход топлива одного котлоаг­регата В_р=0,2 кг/с. В котельной установлены три одинаковых котлоагрегата, работающих на малосернистом мазуте.

Ответ: Q_m=3714 кДж/с.

Задача 9.3. Определить количество теплоты, отдаваемое ухо­дящими газами котельной спиртового завода водяному эконо­майзеру (утилизатору), для получения горячей воды, если тем­пература газов на выходе из экономайзера θ'=200°С, температу­ра газов на входе в экономайзер θ=320°С, коэффициент избытка воздуха за экономайзером α_y=1,4, средняя объемная теплоем­кость газов c=1,415 кДж/(кг·К) и расчетный расход топлива одного котлоагрегата B_р=0,25 кг/с. В котельной установлены два одинаковых котлоагрегата, работающих на донецком камен­ном угле марки Д состава: C^p=49,3%; Н^р=3,6%; S=3,0%; N^p= 1%; О^р=8,3%; A^p=21,8%; W^p=13,0%.

Решение: Теоретически необходимый объем воздуха опреде­ляем по формуле (1.27):

V⁰=0,089C^p+0,226H^p+0,033(S-O^p)=0,089·49,3+0,266·3,6+0,033(3,0-8,3)=5,17 м³/кг.

Теоретический объем газов находим по формуле (1.36):

V=0,0187(C^P+0,375S)+0,0124(9H^p+W^p)+0,0161V⁰=0,0187(49,3+0,375·3)+0,79·5,17+0,8·1,0/100+0,0124(9·3,6+13)+ 0,0161·5,17=5,67 м³/кг.

Расход уходящих газов перед экономайзером, по формуле (9.2),

=2·0,25[5,67+(1,4-1)5,17]=8,4 м³/с.

Расход уходящих газов за экономайзером, по формуле (9.2),

= 2·0,25[5,67+(1,4-1)5,17]=6,7 м³/с.

Средний расход уходящих газов при их охлаждении в эконо­майзере от θ до θ'

V_гcp=(V_г+V)/2=(8,4+6,7)/2=7,55 м³/с.

Количество теплоты, отдаваемое уходящими котельными га­зами водяному экономайзеру, определяем по формуле (9.1):

Q_т=V_гcрс(θ-θ’)=1,55·1,415(320-200)=1282 кДж/с.

Задача 9.4. Определить количество выработанной теплоты в виде пара в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов двух хлебопекарных печей, если энтальпия газов на выходе из печи J_г=9800 кДж/м3, температура газов на выходе из кот­ла-утилизатора θ'=200°С, коэффициент избытка воздуха за кот­лом-утилизатором α_y=1,3, расчетный расход топлива двух печей В_р=0,025 м³/с, коэффициент, учитывающий несоответствие ре­жима и числа часов работы котла-утилизатора и печей, β=1,0 и коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружа­ющую среду ξ=0,1. Хлебопекарные печи работают на природ­ном газе Саратовского месторождения состава: СО₂=0,8%; СН₄=84,5%; С₂Н₆=3,8%; С₃Н₈=1,9%; С₄Н₁₀=0,9%; С₅Н₁₂=0,3%; N₂=7,8%.

Ответ: Q= 138 кДж/с.

Задача 9.5. Определить количество использованной теплоты ВЭР при использовании выработанной теплоты в виде пара в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов двух хлебо­пекарных печей, если температура газов на выходе из печей θ=700°С, температура газов на выходе из котла-утилизатора θ'=200°С, коэффициент избытка воздуха за котлом-утилизато­ром α_y=1,355 расчетный расход топлива двух печей В_р=0,036 м³/с, коэффициент, учитывающий несоответствие ре­жима и числа часов работы котла-утилизатора и хлебопекарных печей, β=1,0, коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружающую среду ξ=0,12 и коэффициент утилизации ВЭР δ=0,74. Хлебопекарные печи работают на природном газе Шебелинского месторождения состава: СН₄=94,1%; С₂Н₆=3,1%; С₃Н₈=0,6%; С₄Н₁₀=0,2%; C₅H₁₂=0,8%; N₂=1,2%.

Ответ: Q_ВЭР =208,7 кДж/с.

Задача 9.6. Определить количество использованной теплоты ВЭР при использовании выработанной теплоты в виде пара в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов трех хлебо­пекарных печей, если температура газов на выходе из печей θ=700°С, температура газов на выходе из котла-утилизатора θ'=200°С, коэффициент избытка воздуха за котлом-утилизато­ром α_y=1,3, расчетный расход топлива трех печей B_p=0,05 м³/с, коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа ча­сов работы котла-утилизатора и хлебопекарных печей, β=1,0, коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружающую среду ξ=0,1 и коэффициент утилизации ВЭР δ=0,75. Хлебопекарные печи работают на природном газе Ставропольского месторождения состава: СО₂=0,2%; СН₄=98,2%; С₂Н₆=0,4%; С₃Н₈=0,1%; С₄Н₁₀=0,1%; N₂=1,0%.

Решение: Теоретически необходимый объем воздуха опреде­ляем по формуле (1.28):

V⁰=0,0478[0,5(CO+H₂)+1,5H₂S+2CH₄+Σ(m+n/4)C_mH_n-O₂]=0,0478(2·98,2+3,5·0,4+

+5·0,1+6,5·0,1)=9,51 м³/м³.

Объем трехатомных газов находим по формуле (1.39):

V=0,01[CO₂+CO+H₂S+ΣmC_mH_n]=0,01(0,2+98,2+2·0,4+3·0,1+4·0,1)=1,0 м³/м³.

Теоретический объем азота определяем по формуле (1.38):

=0,79·9,51+1/100=7,52 м³/м³.

Теоретический объем водяных паров находим по формуле (1.41):

V=0,01[H₂S+H₂+Σ(n/2)С_mН_n+0,124d_г]+0,0161V⁰=0,01(2·98,2+3·0,4+4·0,1+5·0,1)+

+0,0161·9,51=2,13 м³/м³.

Энтальпию газов на выходе из печей определяем по формуле (1.60):

J_г=J+(α_y-1)J= V(cθ)+V(cθ)+V(cθ)+(α_у-1)V⁰(cθ)_в=1·1461+

+7,52·946+2,13·1147+(l,3-1)9,51·979=13 811 кДж/м³.

Значения (cθ), (cθ), (cθ), (cθ)_в взяты из табл. 1 (см. Приложение).

Энтальпию газов на выходе из котла-утилизатора находим по формуле (1.60):

J_г=J+(α_y-1)J= V(cθ’)+V(cθ’)+V(cθ’)+(α_у-1)V⁰(cθ’)_в=1·357+

+7,52·260+2,13·304+(l,3-1)9,51·266=5489 кДж/м³.

Значения (cθ’), (cθ’), (cθ’), (cθ’)_в взяты из табл. 1 (см. Приложение).

Количество выработанной теплоты в виде пара в котле-ути­лизаторе за счет теплоты уходящих газов определяем по формуле (9.3)

Q=B_р(J_г-J)β(1-ξ)=0,005(13811-5489) ·1· (1-0,1)=375 кДж/с.

Количество использованной теплоты ВЭР находим из фор­мулы (9.4)

Q_ВЭР=δQ=0,75·375=281,25 кДж/с.

Задача 9.7. Определить коэффициент утилизации ВЭР кот­ла-утилизатора при использовании выработанной теплоты в виде пара в нем за счет теплоты уходящих газов хлебопекарной печи, если количество использованной теплоты ВЭР Q_ВЭР=108 кДж/с, энтальпия газов на выходе из печи J_г=9800 кДж/м³, температура газов на выходе из котла-утилизатора θ'=200°С, коэффициент избытка воздуха за котлом-утилизатором α_y=1,3, расчетный рас­ход топлива двух печей B_p=0,025 м/с, коэффициент, учитыва­ющий несоответствие режима и числа часов работы котла-утили­затора и печей, β=1,0, коэффициент потерь теплоты котла-утили­затора в окружающую среду ξ=0,1. Хлебопекарные печи работа­ют на природном газе Саратовского месторождения состава: СО₂=0,8%; СН₄=84,5%; С₂Н₆=3,8%; С₃Н₈=1,9%; C₄H₁₀=0,9%; C₅H₁₂=0,3%; N₂=7,8%.

Ответ: δ=0,78.

§ 9.2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЭР

Экономическая эффективность использования ВЭР оценивает­ся как экономией топлива, так и эффектом от внедрения утилиза­ционных установок ВЭР и сроком окупаемости дополнительных капитальных затрат на их устройство.

Экономия условного топлива (кг/с) за счет использования вторичных энергоресурсов находится по формуле

В_эк=Q_ВЭР/(29300η_ку), (9.5)

где η_ку — кпд замещаемой котельной.

Годовой экономический эффект (руб/год) от внедрения утили­зационной установки вторичных энергоресурсов определяется по формуле

Э_год=Q_ВЭРS_Q-(К+И), (9.6)

где S_Q — себестоимость теплоты, руб/ГДж; К — капитальные затраты на устройство утилизационной установки, руб/год; И — дополнительные затраты, связанные с эксплуатацией утилизаци­онной установки, руб/год.

Срок окупаемости (год) дополнительных капитальных затрат на устройство утилизационной установки находится по формуле

T=K/(Q_ВЭРS_Q-И). (9.7)

Задача 9.8. Определить экономию условного топлива при ис­пользовании теплоты вторичных энергоресурсов в котле-утили­заторе за счет теплоты уходящих газов двух хлебопекарных печей, если температура газов на выходе из печей θ=700°С, температура газов на выходе из котла-утилизатора θ'=200°С, коэффициент избытка воздуха за котлом-утилизатором α_y=1,35, расчетный расход топлива двух печей В_р=0,036 м³/с, коэффици­ент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы котла-утилизатора и хлебопекарных печей, β=1,0, коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружающую среду ξ=0,12, кпд замещаемой котельной η_ку=0,86 и коэффициент утилизации ВЭР δ=0,76. Хлебопекарные печи работают на природном газе Шебелинского месторождения состава: СН₄=94,1%; С₂Н₆=3,1%; С₃Н₈=0,6%; С₄Н₁₀=0,2%; С₅Н₁₂=0,8%; N₂=1,2%.

Решение: Теоретически необходимый объем воздуха опреде­ляем по формуле (1.28):

V⁰=0,0478[0,5(CO+H₂)+1,5H₂S+2CH₄+Σ(m+n/4)C_mH_n-O₂]=0,0478(2·94,1+3,5·3,1+

+5·0,6+6,5·0,2+8·0,8)=9,98 м³/м³.

Объем трехатомных газов находим по формуле (1.39):

V=0,01[CO₂+CO+H₂S+ΣmC_mH_n]=0,01(94,1+2·3,1+3·0,6+4·0,2+5·0,8)=1,07 м³/м³.

Теоретический объем азота определяем по формуле (1.38):

=0,79·9,98+1,2/100=7,9 м³/м³.

Теоретический объем водяных паров находим по формуле (1.41):

V=0,01[H₂S+H₂+Σ(n/2)С_mН_n+0,124d_г]+0,0161V⁰=0,01(2·94,1+3·3,1+40,6+5·0,2+

+6·0,8)+0,0161·9,98=2,22 м³/м³.

Энтальпию газов на выходе из печей определяем по формуле (1.60):

J_г=J+(α_y-1)J= V(cθ)+V(cθ)+V(cθ)+(α_у-1)V⁰(cθ)_в=1,17·1461+

+7,9·946+2,22·1147+(1,35-1)9,98·979=15017 кДж/м³.

Значения (cθ), (cθ), (cθ), (cθ)_в взяты из табл. 1 (см. Приложение).

Энтальпию газов на выходе из котла-утилизатора находим по формуле (1.60):

J_г=J+(α_y-1)J=V(cθ’)+V(cθ’)+V(cθ’)+(α_у-1)V⁰(cθ’)_в=1,07·357+

+7,9·260+2,22·304+(1,35-1)9,98·266=6130кДж/м³.

Значения (cθ’), (cθ’), (cθ’), (cθ’)_в взяты из табл. 1 (см. Приложение).

Количество выработанной теплоты в виде пара в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов определяем по формуле (9.3):

Q=B_р(J_г-J)β(1-ξ)=0,036(15017-6130) ·1· (1-0,12)=282 кДж/с.

Количество использованной теплоты ВЭР находим из фор­мулы (9.4):

Q_ВЭР=δQ=0,76·282=214 кДж/с.

Экономию условного топлива при использовании теплоты вторичных энергоресурсов в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов определяем по формуле (9.5):

В_эк=Q_ВЭР/(29300η_ку)=214/(29300·0,86)=0,0085 кг/с, или В_эк=30,6 кг/ч.

Задача 9.9. Определить экономию условного топлива при ис­пользовании теплоты вторичных энергоресурсов в котле-утили­заторе за счет теплоты уходящих газов двух хлебопекарных печей, если энтальпия газов на выходе из печей J_г=13000 кДж/м³, энтальпия газов на выходе из котла-утилиза­тора J=5000 кДж/м3, расчетный расход топлива двух печей В_р=0,035 м³/с, коэффициент, учитывающий несоответствие ре­жима и числа часов работы котла-утилизатора и хлебопекарных печей, β=1,0, коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружающую среду ξ=0,1, коэффициент утилизации ВЭР δ=0,75 и кпд замещаемой котельной η_ку=0,87. Хлебопекарные печи работают на природном газе.

Ответ: В_эк=0,0074 кг/с, или В_эк=26,6 кг/ч.

Задача 9.10. Определить годовой экономический эффект от внедрения утилизационной установки вторичных энергоресурсов, если количество использованной теплоты ВЭР Q_ВЭР=21000 ГДж/год, себестоимость теплоты S_Q=1,5 руб/ГДж, ка­питальные затраты на устройство утилизационной установки К=9000 руб/год и дополнительные затраты, связанные с эксплу­атацией утилизационной установки, И=4000 руб/год.

Ответ: Э_год=18 500 руб/год.

Задача 9.11. Определить срок окупаемости дополнительных затрат на устройство и эксплуатацию утилизационной установки, если количество использованной теплоты ВЭР Q_ВЭР=20000 ГДж/год, себестоимость теплоты S_Q=1,5 руб/ГДж, ка­питальные затраты К=8500 руб/год и дополнительные затраты, связанные с эксплуатацией утилизационной установки, И=3500 руб/год.

Ответ: Т=0,32 года.