6509
.pdf
10
Все сернистые вещества разрушительно воздействуют на растительный мир и даже на строительные конструкции. Токсичное действие SO2 на растения связано с повреждением поверхности листьев и особенно хвои (лиственные растения ежегодно сбрасывают листву) из-за разрушения хлорофилла. Содержание в воздухе всего (0,2-0,3) мг/м3 сернистого газа приводит к усыханию сосны за 2-3года из-за нарушения фотосинтеза и дыхания хвои. Снижается урожайность сельскохозяйственных культур и повышается кислотность почв. Присутствие в воздухе сернистых соединений ускоряет коррозию металлических конструкций, воздействуют на строительные материалы – кирпич, известняк, мрамор, шифер и др. Особую опасность представляют кислотные дожди, когда атмосферные осадки представляют собой слабые растворы серной, азотной и азотистой кислот.
Частицы золы.
Зола – мелкодисперсные частицы серого цвета, нерастворимые в воде. Состав золы зависит от вида сжигаемого топлива. Воздействие золы несколько отличается от воздействия нейтральной пыли (нейтральная пыль механически осаждается в дыхательном тракте, затрудняя дыхание. ПДК нейтральной пыли –0,5 мг/м3) за счет примесей, содержащихся в золе. Например, зола донецких, экибастузских и канско-ачинских углей содержит примеси свинца, мышьяка, ванадия, хрома, цинка; зола всех углей (в т.ч кузнецких и подмосковных) содержит свободный оксид кремния; зола мазута содержит пентаксид ванадия. Отсюда – более жесткие нормативы ПДК золы твердого топлива - 0,3мг/м3. Токсичность золы мазута рассчитывается по содержанию пентаксида ванадия с ПДК =0,002мг/м3.
2.3.3 Практическое применение рациональных схем систем ТГС.
Под турбиной понимают ротационный тепловой двигатель, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу.
Основным элементом паровой турбины (рис. 2) является металлический вал (ротор), на который крепятся рабочие лопатки. Вал помещается внутрь корпуса (кожуха), также к корпусу крепится диафрагма – диск с неподвижными сопловыми лопатками (направляющими соплами). В соплах тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию, а затем на рабочих лопатках в механическую работу, передавая вращательное движение ротору турбины. Ротор турбины соединяется с ротором электрогенератора для выработки в последнем электрического тока.
Рис. 2. Принцип работы паровой турбины Стоит отметить, что для работы турбины необходим источник пара, как правило -
паровой котел (в ТЭЦ температура пара для турбин варьируется в пределах 450-550ºС).
11
Совокупность этих элементов представляет собой достаточно громоздкую конструкцию, в то время как современные газовые турбины, как правило, уже содержат все элементы для их работы внутри одного корпуса. Газотурбинная установка условно делится на три области: область компрессора, в которой происходит забор и сжатие воздуха; камера сгорания, в которую подается сжатый воздух и топливо, и впоследствии осуществляется сжигание газо-воздушной смеси; турбина, где тепловая энергия дымовых газов (температура достигает 1500ºС) преобразуется в механическую работу на лопатках соединенных с валом. Как и в паровой турбине, вращательное движение ротора турбины передается на вал электрогенератора (рис 3).
Рис. 3. Схематичное сравнение паровой и газовой турбин.
Рис. 4. Общий вид паровой турбины
12
Рис. 5. Общий вид стационарной газовой турбины
2.3.4. Использование альтернативных видов топлива. Солнечная энергетика
С позиции возобновляемых источников энергии, Солнце является первоисточником большинства из рассматриваемых видов: непосредственно солнечная радиация, ветер (ветряная энергетика), теплота грунта (геотермальная энергетика), энергия движения воды и т.д. Поэтому во избежание путаницы в дальнейшем под солнечной энергетикой будем понимать только энергию солнечного света, которая основана на преобразовании электромагнитного излучения в электрическую или тепловую энергию.
Примеры рассматриваемых на занятиях схем:
Рис. 6. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую энергию
13
Рис. 7. Схема преобразования энергии электромагнитного излучения солнечных лучей в электрическую.
Рис. 8. Схема работы системы ГВС с вакуумным коллектором.
Солнечная энергетика (используемая для получения тепловой и электрической энергии), пожалуй, одно из самых перспективных направлений использования энергии возобновляемых источников на сегодняшний день. Они способны на равных конкурировать с установками, использующими органическое топливо в качестве источника энергии.
14
Ветроэнергетика
Первоисточником для возникновения ветра является тепловая энергия Солнца. Воздух, нагреваясь возле поверхности земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции. Скорость ветра увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра.
Примеры рассматриваемых на занятиях схем:
Рис. 9. Схема получения электроэнергии из энергии ветра для бытового потребления.
Рис. 10. Сравнение ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осями вращения.
15
Как и солнечная энергетика, ветряная энергетика постоянно развивается, и новые модификации ветроэлектрических установок появляются с завидной периодичностью. Вместе с тем высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями, необходимость развитой инфраструктуры и шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду (последний из этих пунктов является предметом многочисленных споров) не позволяют полностью вытеснить традиционные способы получения энергии. Однако занять определенную нишу в данной области ветроэнергетике вполне по силам.
Низкопотенциальные источники энергии
Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно, выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.
Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Примеры рассматриваемых на занятиях схем:
Рис. 11. Схема работы компрессионного теплового насоса.
Наряду с солнечными коллекторами тепловые насосы все чаще появляются на страницах русифицированных каталогов компаний по производству различного теплотех-
16
нического оборудования. Более того – есть уже весьма успешные реализованные проекты по применению тепловых насосов на территории нашей страны. Определенно эта технология имеет огромные перспективы, несмотря на достаточно высокую базовую стоимость оборудования, во многом за счет индивидуальных потребителей, которые хотят создавать энергоэффективные и независимые системы энергоснабжения для своих сооружений.
Примерный перечень вопросов:
1.Основные принципы составления рациональных схем в системах ТГС.
2.Традиционные виды топлива и их особенности.
3.Расчет низшей и высшей теплоты сгорания.
4.Топливоиспользующие установки.
5.Расчеты потребления топлива топливоиспользующими установками.
6.Теплоутилизаторы.
7.Схема с использованием различных теплоутилизаторов.
8.Экологическая оценка продуктов сгорания традиционных видов топлива.
9.Оценка эффективности и экологической безопасности рациональных схем систем ТГС.
10.Схемы ТЭЦ.
11.Особенности схем ТЭЦ.
12.Совместная работа паровой и газовой турбин.
13.Основные элементы парогазовых и газопаровых установок.
14.Особенности технологических процессов различных отраслей промышленности.
15.Рациональные схемы систем ТГС в различных отраслях промышленности.
16.Технико-экономическое обоснование использования рациональных схем систем ТГС в различных отраслях промышленности.
17.Рациональные схемы систем ТГС на примере стекольной промышленности.
18.Рациональные схемы систем ТГС на примере предприятий, по производству строительных материалов.
19.Особенности автономных систем энергообеспечения.
20.Схемы автономных систем энергообеспечения.
21.Использование альтернативных источников энергии.
22.Солнечная энергетика. Получение электрической энергии.
23.Солнечная энергетика. Получение тепловой энергии.
24.Энергия ветра.
25.Тепловые насосы.
26.Комбинированное использование альтернативных источников энергии.
17
3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям
2.1Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям
Входе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.
При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.
Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.
Введение и рациональное использование энергетического потенциала традиционных видов топлива.
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 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).
18
Пределы воспламеняемости смеси, состоящей из нескольких горючих газов, зависят от пределов воспламеняемости составных частей смеси и могут быть ориентировочно определены по формуле Ле Шателье.
ПВ( ) = |
|
|
100 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
a |
+ |
b |
+ |
c |
+ |
d |
||
|
||||||||
|
A |
B |
C |
D |
||||
– предел воспламеняемости (нижний или верхний, %)
a, b, c, d – содержание горючих составляющих в минимальном газе в % от объёма
A, B, C, D – значения пределов воспламеняемости (нижнего и верхнего) каждой отдельной составной части газа.
Важно также отметить, что у всех математических зависимостей в рамках данной дисциплины есть свои границы применимости, так, например, данная формула справедлива только для горючей части смесей газов и не учитывает влияние балластных примесей
Практическое применение рациональных схем систем ТГС.
Для успешного выполнения расчёта комплексных рациональных схем использования теплоты уходящих газов по методу обратного баланса необходимо пользоваться следующей методикой.
1. После составления схемы использования теплоты после каждого устройства проставляют состав продуктов сгорания и их температуру.
Рис. 12. Предварительная схема комплексного использования теплоты уходящих газов.
2. Определяем полное или неполное сгорание топлива: при полном сгорании топлива в дымовых газах содержатся CH4, Н2, CO.
Если сгорание полное, то для определения коэффициента избытка воздуха можно воспользоваться опытной таблицей «Состав и теплотехнические характеристики продуктов полного сгорания природного газа» [2,3] фрагмент которой приводится ниже:
Содержание, % |
|
|
h |
α |
CO2 |
O2 |
N2 |
|
|
11,8 |
0 |
88,2 |
1,0 |
1,0 |
9,6 |
3,9 |
86,5 |
1,23 |
1,2 |
h – коэффициент разбавления сухих продуктов сгорания
При неполном сгорании коэффициент избытка воздуха определяется по следующей зависимости:
α = O% + 2CO% + 1,5CO − 0,5H% 2(CO% + CO + CH+)
19
3. Следует обратить внимание на значение t ух. газов, если t выше tт.р. (55-65° С), то расчёт всей установки осуществляется по низшей теплоте сгорания, если ниже tт.р. – по высшей теплоте сгорания.
Особенности расчётов по низшей теплоте сгорания
Опытным путём был найден коэффициент z, зависящий от t продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. от содержания в сухих продуктах полного сгорания CO2, а в продуктах неполного сгорания – суммы CO2, CO и CH4. Благодаря данному коэффициенту значительно упрощается нахождение потерь теплоты с уходящими газами.
Для всех ступеней, кроме последней, потери теплоты с уходящими газами определяются по следующей зависимости:
q% = 0,01 ∙ z ∙ tух
В данной формуле z определяется по таблице «Значение величины Z для природного газа» [2,3] в зависимости от состава продуктов сгорания и их температурного диапазона. Фрагмент этой таблицы приводится ниже:
Содержание в продуктах |
Температурный диапазон |
|
|
сгорания CO2 + CO + CH4 |
0 – 250 |
250 – |
350 |
11,8 |
4,13 |
4,16 |
|
q2 для последней ступени определяется по формуле: |
|
|
|
|
q% = 0,01z(tух − 0,85t ) |
|
|
Особенности расчётов по высшей теплоте сгорания
Для всех ступеней, кроме последней, необходимо выполнить пересчёт по высшей теплоте сгорания:
q% = 0,01ztух ∙ 0,9 + 11
Для того чтобы рассчитать последнюю ступень, необходимо воспользоваться следующей зависимостью:
q% = zВ(tух − 0,85t ) + qун
zВ – величина, определяемая в зависимости от состава продуктов сгорания (CO2 + CO + CH4) и t уходящих газов в диапазоне от 0 до 50° С.
qун – потери теплоты, обусловленные содержанием в продуктах сгорания несконденсировавшегося воздушного пара.
Эти величины определяются по таблице «Значения коэффициентов zВ и qун», [1,2] фрагмент которой приводится ниже:
Содержание в продуктах |
zB |
|
|
qун |
|
|
сгорания CO2 + CO + CH4 |
30° С |
35° С |
40° С |
45° С |
||
|
||||||
11,8 |
0,036 |
2,5 |
3,4 |
4,5 |
|
Пример: Комплексная схема использования теплоты уходящих газов представлена 2 агрегатами – промышленной печью с tух = 400° С (после неё) с содержанием в продуктах сгорания CO2=9,2%, и рекуператором с tух=200° С (после него), состав продуктов сгорания: CO2=8%. Определить, как изменились потери теплоты с уходящими газами при установке рекуператора.
Поскольку tух после рекуператора выше tт.р., расчёт производим по низшей теплоте сгорания.