Komina_yakovlev_uchebn

Объём содержащегося в продуктах сгорания непрореагировавшего кислорода находится по формуле (3.15):

Объёмпродуктовсгорания, которыеобразуютсяврезультате полногосгорания 1 м3 газовой смеси с коэффициентом избытка воздуха = 1,1, определяется по формуле (3.16):

Vпвл.с VCO2 VH2O VN2 VO2 1,03 2,1 7,66 0,2 11 м3п.с / м3г.

Физическая теплота, вносимая в топочный объём с газовым топливом, вычисляется по формуле (3.22):

0,019 1,55 0,009 1,596 0,003 1,6 0,078 1,042 0,008 0,82 16

35 кДж/м3г.

Физическаятеплота, вносимаявтопочныйобъёмсподогретымвоздухом, определяется по формуле (3.23):

Физическая теплота, подаваемая в топочный объём с газом и воздухом, рассчитывается по формуле (3.21):

Калориметрическая температура горения газового топлива с коэффициентом избытка воздуха = 1,1, являющимся оптимальным для большинства применяемых моделей газогорелочных устройств, определяется по формулам

(3.19), (3.20):

При температурах в топках котлов и печей до 15001600 °С степень диссоциации водяных паров невелика, ею можно пренебрегать. Из этого следует,

40

что калориметрическая температура горения приравнивается к теоретической:

tк tт .

Действительная температура горения зависитот пирометрического коэф-

Действительнаятемпературагорениягазаопределяетсяпоформуле(3.26):

Расчёт теплового баланса печи

Целью составления теплового баланса для промышленной печи является определение необходимого расхода газового топлива, который обеспечит надлежащую её работу.

Прежде чем приступить к составлению теплового баланса промышленной печи, необходимо составить перечень статей приходов и расходов теплоты

в топочную камеру при рабочей температуре в топочной камере t"м 1200 θС согласно уравнению теплового баланса (4.1).

Статьи часовых приходов теплоты в топочную камеру печи

1. Часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями

Часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями определяется по формуле (4.3):

Qм' Gм Iм' Gм с'м t'м 90 0,51 16 734 кДж/ч.

ДеталивыполненыизуглеродистойсталимаркиСт. 45; теплоёмкостьстали при начальной температуре деталей t'м 16 θC, с'м 0,51 кДж/кг град.

2. Часовой приход теплоты с подаваемым в топку воздухом

Часовойприходтеплоты сподаваемым в топкувоздухом определяетсяпо формуле (4.5).

Заметим, что часовой расход воздуха, продуктов сгорания и другие часовые расходытеплоты, которыезависятотчасовогорасходаподаваемойнагорение газовой смеси, необходимо выражать через часовой расход газовой смеси,

выделяя единственную неизвестную Vг . Часовой приход теплоты с подаваемым втопочный объём подогретым воздухом можетбыть определённесколько

41

иным выражением: как произведение часового расхода газовой смеси на физическую теплоту подаваемого воздуха в количестве, необходимом для полного сгорания 1 м3 газовой смеси:

3. Часовой приход теплоты с газовым топливом

Определяетсячасовой приходаналогичным образом, как приходтеплоты с подаваемым воздухом, по формуле (4.8):

4. Часовой приход теплоты, поступающей в результате прохождения химических реакций горения газового топлива

Приход теплоты в результате прохождения химических реакций горения газового топлива вычисляется по формуле (4.9):

Статьи часовых расходов теплоты из топочной камеры печи

1. Часовой расход теплоты с нагретыми до температуры термообработки деталями, выгружаемыми из печи

Часовой расход теплоты с нагретыми до температуры термообработки деталями, выгружаемыми из печи, определяется по формуле (4.12):

Q"м Gм I"м Gм с"м t"м 90 0,51 1200 55 080 кДж/ч.

2. Часовой расход теплоты, уносимый из камеры сгорания с отходящими газами

Этот расход теплоты определяется по формуле (4.14):

3. Часовой расход теплоты, затрачиваемый на компенсацию теплопотерь через ограждающие конструкции печи

Такой расход теплоты определяется по формуле (4.16):

Q5 k F tк tн 7,0 12,4 1200 18 102 600 кДж/ч.

4. Часовые потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания газового топлива

При правильной наладке газогорелочных устройств печи химического недожога топлива не происходит:

Q3 0 кДж/ч .

5. Часовые потери теплоты через открытые загрузочные окна в виде тепловой лучистой энергии, выбивающейся в момент загрузки и выгрузки деталей

Эти потери теплоты определяются по формуле (4.17):

20 468 кДж/ч.

Приравнявнайденныесуммыстатейприходовсрасходамитеплотывпечи согласно уравнению теплового баланса ¦Qпр ¦Qрасх, определяют необхо-

димый расход газового топлива Vг :

После определения необходимого расхода газовой смеси Vг находят чис-

ленные значения всех составляющих статей прихода и расхода теплоты. Все найденные значения сводим в сводную балансовую таблицу:

Статьи прихода теплоты

Невязка теплового баланса:

382490 382 340 100 % | 0,04 %. 382 490

Термический КПД промышленной печи определяется по формуле (4.21):

Количество теплоты, отдаваемой продуктами сгорания до выхода из рабочего пространства печи, определяется по формуле (4.24):

Коэффициент использования химической энергии топлива вычисляется по формуле (4.22):

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате составления теплового баланса промышленной термической печи, работающей на газовом топливе, мы определили, что для создания

температуры t"м , необходимой для осуществления термической обработки ме-

таллических деталей, выполненных из Ст. 45, следует обеспечить расход газового топлива через горелочные устройства печиVг = 9,2 м3/ч. При данном расходе температура в печибудет поддерживатьсяв пределах 1200 °С. При этих условиях работы термический КПД печи т составит всего 16 %, а коэффициент использования газового топлива – 0,3, что говорит о необходимости принятия мер по утилизации выбрасываемой теплоты с последующим её использованием.

Глава 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗШЕЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

5.1. Использование вторичных энергоресурсов

Тепловая эффективность пламенных нагревательных печей (в том числе газовых) очень невелика. Например, в методических нагревательных печах, где температура в рабочем пространстве печи составляет 1300 1400 °С, температура уходящих газов очень велика: порядка 800 1000 °С, в результате потери теплоты с уходящими газами достигают 3045 %, а эффективность полезно использованной теплоты, затраченной на нагрев заготовок, составляет всего 3035 %. В кузнечных камерных печах температура врабочемпространстветакаяже, какивметодических, атемпера-

45

На рис. 2:

Qф.в – физическаятеплота, подаваемаяснаружнымвоздухом, кДж/ч;

Qф.т – физическая теплота, подаваемая топливом, кДж/ч;

Qх.т – химическая теплота топлива, кДж/ч;

Qш.о – теплота, теряемая из-за выгрузки горячего шлака, кДж/ч;

Qг.п – теплота, теряемая из-за выгрузки горячей продукции, кДж/ч;

Q5 – теплота, теряемаяпечью засчёттеплопотерь через наружные ограждения, кДж/ч;

Qо.г – теплота, выносимая из топки печи с отходящими продуктами сгорания, кДж/ч;

Qп.т – теплота, вносимая в печь с подогретым топливом, кДж/ч;

Qг.д – теплота, вносимая в топку с подогретым воздухом (горячее дутьё), кДж/ч;

Qн.т – теплота, отводимая с нагретым теплоносителем, кДж/ч;

QуI.г – теплота, выносимая с уходящими газами после первой ступени, кДж/ч;

QуII.г – теплота, выносимая с уходящими газами после второй ступени, кДж/ч;

QуIII.г – теплота, выносимая с уходящими газами после третьей сту-

пени, кДж/ч.

Для повышения эффективности использования газового топлива в печах может быть применен ряд мероприятий: подогрев воздуха, идущего на горение, увеличение степени использования пода печей, уплотнение печей, улучшение изоляциистен и сводов, автоматизация теплового режима, повышение температуры в рабочей камере и пр.

Для более полного использования теплоты сгорания природногогаза, повышенияКПДикоэффициентаиспользованиятоплива применяются различные схемы ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания газового топлива. Схемы возможной ступенчатойутилизациитеплотыотходящихгазовпромышленной печи показаны на рис. 2.

В частности, для снижения огромных потерь теплоты с уходящими газами используют низкотемпературные теплоутилизаторы (различные теплообменные аппараты): рекуперативные теплообменники (рекуператоры), регенеративные теплообменники (регенераторы), контактные теплообменники (смесительные теплообменники).

Теплообменнымиаппаратами называют устройства, предназначенныедляпередачитеплоты отболеенагретоготеплоносителя

кменее нагретому. Они широко применяются в различных областях техники.

Поспособупередачитеплотыразличаютконтактныеиповерхностные теплообменные аппараты. В контактных теплота передается в результате непосредственного контакта (смешения) двух теплоносителей. Поверхностные теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные и конденсационные. В рекуперативных теплота передается от одного теплоносителя

кдругому через разделяющую их твердую стенку; в регенеративных– следующимобразом: стенка, являющаясямассивнымтеплоаккумулирующем телом, находится попеременно в контакте тосгорячим, тосхолоднымтеплоносителем, передаваятеплотуот первого ко второму; в конденсационных происходит рекуперативный теплообмен между пластинами и трубной поверхностью теплообменника, врезультатетого, чтопродуктысгоранияпереохлаждаются ниже точки росы, на теплообменных поверхностях конденсационного теплообменника происходит конденсация влаги. В конденсационных теплообменниках отбирается скрытая теплота конденсацииводяныхпаров, поэтомурасчёттепловогобалансапромышленнойустановкисустановленнымиконденсационнымитеплообменниками ведётся по высшей теплоте сгорания топлива.

5.2.Рекуперативные теплообменные аппараты

Наибольшеераспространениеприутилизациитеплотыотходящих газов промышленных печей получили поверхностные рекуперативные теплообменные аппараты. В утилизационных рекупе-

раторах в качестве греющего теплоносителя используются продукты сгорания промышленных печей, а в качестве нагреваемого теплоносителя могут применяться газы, пары и капельные жидкости.

Отобранная рекуператором теплота может использоваться непосредственно в самих печах на подогрев воздуха, идущего на горение, подогрев топлива (для газового топлива, как правило, не применяется) или вне печи. Например, в теплообменном аппарате нагревается наружный воздух, который затем, становясь сушильным агентом, подаётся в камеру сушильной установки, или вода, применяемая в качестве теплоносителя для производственных и непроизводственных целей.

Использованиетеплаотходящихгазовдляподогревавоздуха, идущего на горение, является одним из наиболее эффективных способов повышения экономичности печей. В современных реку-

родного газа, до 250 300 °С экономиятоплива составляет 15 25 %.

Внагревательных печах (за исключением печей скоростного

ибезокислительногонагрева) подогреввоздухаприменяюттолько

для экономии топлива, так как необходимая температура

(13001400 °С) развиваетсявнихиприсжиганииприродногогаза в смеси с холодным воздухом. Целесообразные температурные пределы подогрева воздуха определяются технико-экономически- ми показателями. Так, подогрев воздуха до t < 100 °С нецелесообразен, потому что затраты на сооружение и эксплуатацию рекупе-

ратора не окупятся экономией топлива. Верхний предел темпера-

туры подогрева воздуха обычно принимают 300400 °С, так как дальнейшее её повышение приводит к резкому увеличению стоимости рекуператора (из-за использования дорогостоящих жаропрочных сплавов), кроме того, усложняется эксплуатация горелок

иснижается срок службы кладки печи.

Возможен подогрев не только воздуха, но и газа, однако при сжигании природного газа подогрев обычно не применяют. Это объясняется, во-первых, малым количеством газа в газовоздушной смеси (~ 10 %) и, во-вторых, тем, что при подогреве до t > 300 °С природный газ начинает разлагаться с выделением

свободногоуглерода, которыйзагрязняетповерхностинагреватеплообменника (происходит крекинг газа).

ного воздуха изменяется в широких пределах от 200300 до 11001300 °С. Но исходя из конструкционных возможностей материалов, из которых изготавливаются теплообменники, целесообразно установить некоторую рациональную шкалу темпера-

ня: 300400, 700800 и 10001300 °С. Нагревдутьядо 300400 °С

осуществляется в трубчатых рекуператорах из обычной углеродистой стали. Этот уровень дает наиболее заметный прирост эффективности использования теплоты в топочных парогенераторах

иприумереннойтемпературевыдаваемоготехнологическогопро-

дукта.

Нагрев дутья до 700800 °С – это диапазон температур воспламенения всех топлив, чем и определяется возможность значительной интенсификации горения. Температурой до 800 °С исчерпываются конструкционные возможности специальных сталей, ноещенеоправданоприменениекерамическихтеплообменников, значительноменееэффективныхпоудельнойтеплопроизводитель-

ности и эксплуатационной газоплотности.

Нагрев дутья до 10001300 °С технологически необходим в плавильных ванных печах реверсивного типа, для плавки чугуна в доменных печах, а также для скоростного нагрева слитков перед обработкой. Втеплообменникахвэтомслучаеприменяютогнеупорныекерамическиематериалы. Отрицательнымимоментамииспользованиятакихтеплообменниковявляютсяинтенсивноешлакование

иразъедание керамических материалов плавильным уносом и малая удельная производительность при плохой газоплотности.

5.3. Основы расчёта рекуперативных теплообменных аппаратов для промышленных печей

Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако существует общая методика теплотехнических расчё-

тов, которую можно применить для частных расчётов в зависимости от имеющихся исходных данных.

Существуютдватипарасчётов: конструкторский(проектный) и поверочный.

Конструкторскийрасчётвыполняетсяприпроектировании теплообменного аппарата. Целью расчёта является определение поверхности теплообменного аппарата и его конструктивных размеров. Конструкторский расчёт состоит из теплового (теплотехнического), гидравлического и механического расчётов.

Поверочный расчёт производится с целью установить возможности имеющихся или стандартных аппаратов для необходимых технологических процессов. При поверочном расчёте заданы размеры аппарата и условия его работы; требуется определить конечные параметры теплоносителей и теплопроизводительность аппарата. В некоторых случаях при таком расчёте теплопроизводительность аппарата является заданной, а требуется определить, например, расход и начальную температуру одной из сред.

В нашем случае, мы будем выполнять тепловой расчёт теплообменного аппарата.

Длявыполнениятепловогорасчётарекуперативноготеплообменногоаппаратанеобходимоиметьследующиеисходныеданные:

1)вид греющего теплоносителя (пар, газ или жидкость);

2)теплопроизводительность аппарата, расход, начальную

иконечную температуру одного из теплоносителей;

3)вид и начальную температурунагреваемого теплоносителя. Требуется определить:

1)физические параметры и скорости движения теплоноси-

телей;

2)расход нагреваемого теплоносителя из уравнения теплового баланса;

3)среднелогарифмическую разность температур (еёназывают также движущей силой процесса теплообмена);

4)коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи;

5)поверхность теплообмена.

Для выполнения теплового расчёта должны быть известны часовыерасходынагреваемойигреющейжидкостейV1, V2, ихтем-

пературы на входе t1' , t'2 и выходе t1" , t"2 и удельные теплоемкости

при постоянном давлении cp1 , cp2 ; искомой величиной является площадь теплопередающей поверхности F. Допустим, что греющимтеплоносителемявляютсяпродуктысгоранияпромышленной печи и что процесс передачи теплоты в рекуперативном теплообменнике стационарный (установившийся), т. е. не изменяющийся вовремени. Вэтих условияхдля определениянеобходимойтеплопередающей поверхности F рекуперативного теплообменного аппаратаможноиспользоватьизвестноеуравнениетепловогобаланса для любой тепловой установки (4.1).

Раскрываястатьиприходаирасходатеплоты, записываемуравнение теплового баланса в общем виде для рекуперативного теплообменника:

где Qисп – расход теплоты, используемый в рекуперативном теплообменнике, кДж/ч;

Qпер – расход теплоты, полезно используемый (расход теплоты,

передаваемой нагреваемому теплоносителю) в рекуперативном теплообменнике, кДж/ч;

Q5 – расход теплоты, теряемый в результате теплопотерь через

наружные ограждения теплообменника, кДж/ч.

Часовой расход теплоты, используемой в рекуперативном теплообменнике, кДж/ч, определяется по формуле

где V1 – объёмный часовой расход греющего теплоносителя (продуктов сгорания), м3/ч;

I1' , I1" – начальнаяиконечнаяэнтальпиягреющеготеплоносителя, кДж/кг;

U1c – средняя плотность продуктов сгорания при температуре t1' , кг/м3;

W1 – водяной эквивалент, кДж/ч град.

где G1 – массовый расход греющего теплоносителя, кг/ч;

cp1 – средняя удельнаямассовая теплоёмкость греющего теплоно-

где c'р1 , c"р1 – удельные массовые теплоёмкости продуктов сгора-

нияприпостоянномдавленииитемпературах t1' и t1" соответствен-

но, кДж/кг град. Данные величины зависят от температуры и состава продуктов сгорания;

t1' , t1" – начальнаяи конечная температурыгреющего теплоносителя, °С.

где Vi – объёмная доля i-го компонента, входящего в состав про-

дуктов сгорания, м3/м3п.с . Состав и объёмные доли определяются

по уравнениям материального баланса горения газов (см. форму-

лы (3.12)–(3.15);

Vпп.с – полный объём влажных продуктов сгорания газа, м3/м3. Находится по формуле (3.16);

с'i1 , с"i1 – удельныеобъёмныетеплоёмкостиi-гокомпонента, входящего в состав продуктов сгорания, кДж/м3 град, при постоянном давлении и температуре t1' и t1" соответственно. Определяется по таблицам справочной литературы или по табл. 1 прил. II;

Υ'i1 , Υ"i1 – плотности i-х компонентов, входящих в состав продук-

тов сгорания, кг/м3, при температуре t1' и t1" соответственно.

Плотность продуктов сгорания при нормальных физических условиях, кг/м3,

где Υi01 – плотностиi-хкомпонентов, входящих всоставпродуктов сгорания, принормальныхфизических условиях, кг/м3. Определяются потаблицам справочной литературыили по табл. 12 прил. II.

Средняятеплоёмкость продуктовсгорания cp1 вобласти температур t1' и t1" , кДж/кг град, вычисляется по формуле

где c'р1 , c"р1 – удельные массовые теплоёмкости продуктов сгора-

ния при постоянномдавлении и температуре t1' и t1" соответствен-

но, кДж/кг град. Данные величины зависят от температуры и составапродуктовсгоранияиопределяютсяпоформулам(5.6), (5.7).

Часовойрасходтеплоты, полезноиспользуемойвтеплообменнике (переданной нагреваемомутеплоносителю), кДж/ч, находится по формуле

где G2 – массовый расход нагреваемого теплоносителя, кг/ч;

I2' , I"2 – начальная и конечная энтальпия нагреваемого теплоносителя, кДж/кг. Определяется по формулам (5.4), (5.5);

W2 – водянойэквивалентнагреваемоготеплоносителя, кДж/чград;

t'2 , t"2 – начальная и конечная температура нагреваемого теплоносителя, °С;

где c2 – средняя теплоёмкость нагреваемого теплоносителя в об-

ласти температур t'2 и t"2 , кДж/кг град. Если в теплообменнике

нагреваетсяводаприатмосферномдавлении, тотеплоёмкостьводы в области температур от 0 до 100 °С меняется незначительно, по-

этому можно принимать c2 4,19 кДж/кг град.

Часовой расходтеплотынакомпенсациютеплопотерьвокружающую среду через теплоограждения теплообменника, кДж/ч,

где Κ – коэффициент полезного действия теплообменника. Уравнениетепловогобалансадлярекуперативныхтеплообмен-

ников в развёрнутом виде будет выглядеть следующим образом:

Полезно используемая теплота с известной величиной расходапередаётсянагреваемомутеплоносителючерезрекуперативную поверхность (стенки трубок), которые должны обеспечивать про-

пуск теплоты с заданным расходом Qпер , кДж/ч.

где k – коэффициенттеплопередачиотгреющеготеплоносителяк нагреваемому, кДж/м2 ч град;

F – площадьтеплопередающейповерхноститруб теплообменника, м2;

tср – среднелогарифмическая разность температур греющего

и нагреваемого теплоносителя, °С.

Подставляя уравнения (5.2), (5.14) и (5.16) в уравнение (5.1) и выражая F, получаем уравнение для определения площади теплопередающей поверхности теплообменника:

или, что то же самое,

Среднелогарифимическая разность температур греющего и греемого теплоносителя tср вычисляется по формуле

где tб и tм – большийименьшийтемпературныенапорымежду

первичными и вторичными теплоносителями на концах теплообменника. Зависят от характера изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

На рис. 3 представлены графики изменения температур для трёх возможных соотношений теплоёмкостей и массовых расходов теплоносителей.

Величину tср называютсреднелогарифмическимтемпературным напором.

Если величины tб и tм незначительно отличаются друг

от друга и их отношение tб / tм δ 1,7 , то средний температур-

ный напорможно приближенноопределить из выражения среднеарифметического температурного напора

Рис. 3. Графики изменения температур греющего и нагреваемого теплоносителей в рекуперативном теплообменнике

Формулы(5.19) и (5.20) справедливыдляпростейших схемаппаратов при условии постоянства массовых расходов теплоносителей и коэффициентов теплопередачи вдоль всей поверхности теплообмена, чтоопределяетсястационарнымтемпературнымрежимом.

Расчётсреднелогарифмическойразноститемпературдлясложных схемдвижения теплоносителейпроизводятследующим образом:

а) определяют температурный напор по формуле (5.19); б) находят вспомогательные величины по формулам

где Γt1 и Γt2 – приращения температур холодного и горячего теплоносителя, °С;

'tmax – максимально возможный перепад температур на концах

теплообменника, °С.

Величина Р представляет собой отношение степени нагрева нагреваемого теплоносителя Γt2 к максимально возможному пе-

репадутемператур 'tmax , величина R – отношениестепени охлаж-

дения греющего теплоносителя Γt1 кстепени нагрева нагреваемо-

го теплоносителя Γt2 .

В зависимости от величин P и R из графических зависимостей определенных конструкций теплообменника, приведённых в прил. III, определяют, как показано на рис. 4, поправку

H t f P, R .

Средний температурный напор для определённой конструкции теплообменника определяется по формуле