- •Введение
- •Лекция 1 Предмет и метод термодинамики
- •Термодинамическая система
- •Термодинамические параметры состояния
- •Уравнение состояния
- •Термодинамический процесс
- •Теплоемкость газов
- •Лекция 2 Смеси идеальных газов
- •Аналитическое выражение первого закона термодинамики
- •Лекция 3 Внутренняя энергия
- •Работа расширения
- •Теплота
- •Энтальпия
- •Энтропия
- •Лекция 4 Общая формулировка второго закона термодинамики
- •Обратный цикл Карно
- •Изменение энтропии в неравновесных процессах
- •Лекция 5 Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах
- •Так как для политропы в соответствии с (5.1)
- •Эксергия
- •Лекция 6 Термодинамические процессы реальных газов
- •Уравнение состояния реальных газов
- •Лекция 7 Уравнение первого закона термодинамики для потока
- •Истечение из суживающегося сопла
- •Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах
- •Разделив уравнение на pv, найдем
- •Расчет процесса истечения с помощью h,s-диаграммы
- •Дросселирование газов и паров
- •Лекция 8 Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок
- •Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •Циклы газотурбинных установок
- •Циклы паротурбинных установок
- •Цикл Ренкина на перегретом паре
- •Термический кпд цикла
- •Общая характеристика холодильных установок
- •Цикл паровой компрессионной холодильной установки
- •Лекция 9 Основы теории теплообмена
- •Основные понятия и определения
- •Теория теплопроводности Закон Фурье
- •О t днослойная плоская стенка
- •Многослойная плоская стенка
- •Однородная цилиндрическая стенка
- •Многослойная цилиндрическая стенка
- •ЛекцИя 10 Теплопередача
- •Плоская стенка
- •Цилиндрическая стенка
- •Интенсификация теплопередачи
- •Тепловая изоляция
- •Задачи по теплопередаче
- •Лекция 11 Конвективный теплообмен (теплоотдача) Основной закон конвективного теплообмена
- •Пограничный слой
- •Числа подобия
- •Массообмен
- •Числа подобия конвективного массообмена
- •Лекция 12 Частные случаи конвективного теплообмена Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб
- •Лекция 13 Описание процесса излучения. Основные определения
- •Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде
- •Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде
- •Лекция 14 Теплообменные аппараты Типы теплообменных аппаратов
- •Расчетные уравнения
- •Лекция 15 Термодинамический анализ топливосжигающих устройств
- •Полезная тепловая нагрузка печи
- •Расчет процесса горения топлива в печи
- •Тепловой баланс печи. Коэффициент полезного действия. Расход топлива
- •Лекция 16 Котельные установки. Общие сведения
- •Устройство парового котла
- •Тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия
- •Лекция 17 Состав и основные характеристики жидкого топлива
- •Состав и основные характеристики газообразного топлива
- •Теплота сгорания топлива
- •Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота “сгорания” воздуха
- •Объемы и состав продуктов сгорания
- •Лекция 18 Вторичные энергоресурсы Классификация вэр
- •Установки для внутреннего теплоиспользования
- •Котлы-утилизаторы
- •Список использованных источников
Расчетные уравнения
Сущность расчета любого ТОА - совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.
1) Уравнения теплового баланса .
Тепловой поток Q1, отраженный в теплообменнике горячим теплоносителем при его охлаждении от температуры t1' до t1" равен:
Q1=m1(Cp1't1'-Cp1"t1"), кДж
где индекс 1 относится к горячему теплоносителю;
m - массовый расход теплоносителя , кг/с;
Cp' и Cp" - теплоемкости соответственно на входе и выходе ТОА , кДж\(кг град);
t' и t" - температура теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА , C.
Из-за потерь ( до 10% ) второму теплоносителю передается не вся теплота Q1, а часть ее Q2=Q1 ( - КПД теплообменника)
Тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид :
Q2=Q1 или
,
2) Уравнение теплопередачи .
В простейших случаях , когда поверхность теплообмена можно считать плоской (тонкие стенки трубок рекуперативных ТОА практически всегда считают плоскими) , можно записать уравнение теплопередачи :
,
где к - коэффициент теплопередачи через поверхность;
- среднее по поверхности значение температурного напора (t1-t2). Изменения температурного напора показаны на рисунке ниже.
t
t
t1 t1
t t1
t t tM t1
tM
t2
t2
t2 t2
L(F) L(F)
Рисунок 10.4 - Изменение температур горячего и холодного теплоносителей по длине рекуперативного ТОА
Пользоваться среднеарифметическим значением tcp=0,5(tб+tм) можно только при tб/tм <=1,4, когда ошибка составляет не более 4% ; что допустимо для технических расчетов.
Во всех остальных случаях следует пользоваться среднелогарифмическим температурным напором :
,
Эта формула справедлива для любых схем движения теплоносителей.
Следует заметить, что среднелогарифмический напор всегда меньше среднеарифметического: t<tcp.
Лекция 15 Термодинамический анализ топливосжигающих устройств
Промышленная печь - термотехнологическое устройство, предназначенное для осуществления физико-химических превращений исходных материалов путем тепловой обработки их при оптимальных температурах.
Источником теплоты в пламенных печах служат различные виды жидкого и газообразного углеводородного топлива.
Жидким топливом для промышленных печей является мазут, получающийся как остаток после переработки нефти. В соответствии с ГОСТ 1O585-75 для мазутов установлены следующие марки: флотский Ф5 с государственным Знаком качества, флотский Ф5; флотский Ф12 с государственным Знаком качества, флотский Ф12» топочный с государственным Знаком качества М40В, топочный М40; топочный с государственным Знаком качества M100B, топочный M100.
Флотские мазуты относятся к категорий средних топлив, M100 – к категории тяжелых мазутов.
По содержанию серы мазуты подразделяются на малосернистые , сернистые и высокосернистые . В отдельных случаях (при переработке высокосернистой нефти) допускается содержание серы в мазуте до 4,3 %.
Газообразное топливо имеет ряд преимуществ: простота регулирований процесса горения и достижения полного сгорания при малом избытке воздуха, возможность высокотемпературного подогрева перед сжиганием, пренебрежимо малое содержание минеральных примесей.
Печная установка включает следующие элементы:
-
топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена;
-
рабочее пространство печи для выполнения целевого технологического режима;
-
теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев воздуха);
-
утилизационные установки (запечные котлы - утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов;
-
тяговое и дутьевое устройства (дымовая труба, дымососы и вентиляторы) для удаления продуктов сгорания топлива, газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам;
-
очистительные устройства (фильтры и т.п.).
Широкое применение высокотемпературной тепловой обработки материалов привело к созданию разнообразных технологических печей.
По тепловым режимам выделяют две большие группы печей:
1) печи-теплообменники;
2) печи-теплогенераторы.
Внутри каждой группы различают по две физические модели с соответствующим тепловым режимом: радиационным и конвективным, характерными для печей-теплообменников, и массообменным и электрическим, характерными для печей-теплогенераторов.
В печах-теплообменниках зоны теплогенерации (объем топочного пространства) и технологического процесса (нагреваемая среда) разделены поверхностью теплообмена. Примером печей-теплообменников являются трубчатые печи нефтехимического производства.
В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и теплогенерации совмещены. Пример печи-теплогенератора – печь для обжига в "кипящем слое".
В пособии приводится пример расчёта трубчатых печей, применяемых в химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел и др. В этих печах теплота передается трубчатой поверхности и конвекцией, и радиацией. Поэтому они отличаются высокой тепловой эффективностью.
Трубчатая печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам которого прокачивают нагреваемый продукт. Змеевик такой печи составлен из прямых труб, соединенных между собой калачами или специальными перепускными двойниками. Шаг между трубами циста составляет 1,8 ... 2d (d - нерудный диаметр трубы).
На рис.1 показана типовая двухкамерная печь с наклонным сводом радиационно-конвективного типа. Наклонный свод способствует равномерному поглощению лучистой теплоты. Форсунки размещаются в специальных муфелях, основным видом топлива в трубчатых печах являются – газ и мазут. Распыл мазута осуществляется паром. При сжигании мазута коэффициент избытка воздуха в топке 1,4 ... 1,8. При воздушном распыле мазута коэффициент избытка воздуха в топке снижается до 1,2…1,3, что ведет к снижению потерь теплоты с уходящими газами. КПД трубчатых печей составляет 50 ... 70%, а при утилизации теплоты уходящих газов достигает 80 %.
Тепловая мощность трубчатых печей не превышает 30 МВт, а теплонапряжение поверхности нагрева радиационных труб – 16 ... 55 . Скорость дымовых газов в трубном пучке составляет 3 ... 4 м/с при обычной естественной тяге, которая обеспечивается дымовой трубой высотой 40 ... 50 м. Скорость жидкой среды в трупах составляет 0.5 ... 3 м/с.
На рисунке 15.1 приведена конвективная трубчатая печь с горизонтальным расположением труб. Регулирование температуры газов на входе в конвективный пучок достигается рециркуляцией уходящих газов. Преимуществом печей конвективного типа является большая степень равномерности нагрева труб по сравнению с радиационным обогревом в однорядном экране.
Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими стенками (печи беспламенного горения). В них боковые стенки составляются из беспламенных панельных горелок, позволяющих сжигать топливо с малым коэффициентом избытка воздуха без потерь от химической неполноты сгорания и при больших тепловых напряжениях топочного объема. Необходимей для горения воздух инжектируется топливным газом из атмосферы. Паровоздушная смесь поступает через распределительную камеру горелки в керамические туннели, равномерно расположенные по всей поверхности горелки. Полное горение заканчивается в туннеле. Производительность горелок регулируется изменением давления горючего газа перед соплом инжектора. Высокий к.п.д. данных печей связан с работой горелок при малых , что способствует снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также потерь в окружающую среду вследствие малых габаритов печи. Кроме того, при малых значениях снижаются выбросы оксидов азота в окружающую среду.
Рисунок 15.1 - Схема двухкамерной печи с наклонными сводами