Тепловой расчет котла

  • автор:

Общие принципы расчета теплового баланса металлургического процесса

При выводе уравнений теплового баланса принято, что основными определяющими процессами для теплового состояния системы являются: физическое тепло входных и выходных потоков, химические реакции с соответствующими тепловыми эффектами и теплообмен с окружающей средой. Уравнения теплового баланса базируются на законе сохранения энергии Qприх=Qрасх.

С учетом теплосодержания входных — выходных потоков, общего тепла химических реакций, протекающих в системе, тепла от внешних источников, а также потерь в окружающую среду уравнение теплового баланса имеет вид:

(1)

где -энтальпия единицы массы k-го входного и l-го выходного потоков относительно температуры 298К, кДж/кг; К, L — общее количество входных и выходных потоков; Gk, Gl – массы входных и выходных потоков соответственно, кг; Qист, — приход тепла в систему от внешних источников, кДж; Qпот — тепловые потери в окружающую среду, кДж; , — тепловой эффект экзотермических и эндотермических химических реакций, кДж.

Основными статьями приходной части теплового баланса являются тепло жидкого чугуна, тепло экзотермических реакций окисления компонентов шихты газообразным кислородом, тепло реакций шлакообразования и тепло внешних источников тепла.

К расходной части теплового баланса относятся затраты тепла на нагрев металла, шлака, газа, на разложение карбонатов, оксидов железа, испарение влаги и тепловые потери в окружающую среду.

Энтальпия единицы массы жидкого чугуна относительно T= 298 K определяется следующим образом:

, (2)

где — изменение энтальпии 1 моля m-го вещества жидкого чугуна при нагреве от 298 К до Tk, кДж/моль; Rmчуг- концентрация вещества Rm в чугуне, %; MRm — молярная масса вещества Rm, кг/моль; Nчуг – количество веществ в чугуне.

Тепловой эффект экзотермических реакций определяется суммой тепловых эффектов реакций окисления железа, углерода, примесей и горения метана.

, (3)

где Wэкз – число экзотермических реакций; DHw — тепловой эффект w-ой химической реакции, кДж.

Тепловой эффект w-ой химической реакции рассчитываем по формуле:

, (4)

где — стандартный тепловой эффект w-ой химической реакции; — количество молей вещества R, прореагировавшего в w-ой реакции.

Число молей участвовавшего в реакции вещества Rw определяется разностью его содержания во входных — выходных потоках:

. (5)

Таким образом, тепловой эффект экзотермических реакций равен:

(6)

К экзотермическим реакциям относятся также реакции шлакообразования, тепловой эффект реакций шлакообразования рассчитывается по формуле:

, (7)

где — количество соответствующих оксидов в шлаке, кг.

Энтальпию единицы массы металла, шлака и газа рассчитываем аналогично энтальпии единицы массы чугуна:

(8)

,

К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения оксидов железа, разложения карбонатов и испарения влаги, суммарный тепловой эффект эндотермических реакций рассчитаем по формуле:

(9)

С учетом вышеизложенного уравнение теплового баланса имеет вид:

(10)

В таблице 1 представлен расчет теплового баланса по статьям.

Таблица 1 – Расчет теплового баланса по статьям

Статья Тепловой эффект
Приходная часть
Физическое тепло чугуна
Тепло экзотермических реакций
Тепло шлакообразования
Тепло внешних ист-ков
Расходная часть
Тепло металла
Тепло шлака
Тепло газа
Тепло эндотермических реакций
Тепловые потери Qпот

2. Пример расчета ТЕПЛОВОГО баланса

Для расчета теплового баланса воспользуемся результатами расчетов материального баланса.

Приходная часть теплового баланса включает в себя энтальпию нагретых входных потоков, тепловой эффект экзотермических реакций и тепло от внешних источников тепла (1). Энтальпию, отличную от нуля имеет только жидкий чугун, так как его температура выше T = 298 K и равна 1400 ºС или 1673 К (см. Методические указания «Расчет материального баланса металлургического процесса», табл. 1)

Энтальпию жидкого чугуна рассчитываем по формуле (2) как сумму энтальпий составляющих компонентов.

Расчет энтальпии вещества с учетом фазовых переходов осуществляется по формуле:

, (11)

где СР1, СР2 – теплоемкость вещества до и после фазового перехода, кДж/моль; — энтальпия фазового перехода, кДж/моль.

Уравнение для расчета теплоемкости вещества имеет вид:

, Дж/моль. (12)

где x=Т/10000 К — приведенная температура; — коэффициенты аппроксимационного уравнения для теплоемкости вещества.

С учетом перехода к температуре Т уравнение для теплоемкости примет вид:

, (13)

или иначе

, (14)

где

С использованием формулы (14), получаем новое уравнение для расчета теплоемкости:

(15)

После интегрирования получаем:

(16)

В случае, когда в заданном температурном интервале вещество претерпевает несколько фазовых переходов, в расчетной формуле следует учесть все эти изменения.

Исходные данные для расчета энтальпии вещества (коэффициенты для теплоемкости Сi и изменения энтальпии фазовых переходов ∆Hф.п.) представлены в Приложении 1.

Рассчитаем энтальпию 1 моля железа, как составляющего компонента чугуна, температура которого составляет 1673 К.

Используя формулу (16), получаем

(17)

Или

Таким же образом рассчитываем удельные энтальпии всех остальных составляющих чугуна – C, Mn, Si, S, P. Результаты расчетов представлены в таблице 2. В первой строчке таблицы приведен химический состав чугуна (см. методические указания «Расчет материального баланса металлургического процесса», табл. 4); во второй – молярные массы компонентов; в третьей и четвертой – представлены рассчитанные по формуле (16) значения удельных энтальпий составляющих чугуна, кДж/моль и кДж/кг; в последней строчке рассчитаны полные энтальпии всех компонентов чугуна с учетом их содержания в чугуне.

Таблица 2 — Расчет энтальпии чугуна.

Энтальпию 1 кг чугуна рассчитываем как сумму энтальпий всех его составляющих:

=865,71+107,88+5,64+3,88+0,2+0,82=984,13 кДж/кг. (18)

Тогда теплосодержание чугуна соответственно равно

Qчуг= =984,13∙30=29523,78 кДж. (19)

Для расчета энтальпии конечных продуктов – металла, шлака, газа – следует задать их температуру. Параметры процесса, необходимые для расчета теплового баланса, представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Задание параметров процесса

Температура металла, С

Температура шлака, С

Температура газа, С

Тепловые потери в печи, кДж

Тепло внешних источников, кДж

Для расчета также необходимы данные по химическому составу и массам фаз (см. Методические указания «Расчет материального баланса металлургического процесса» табл. 7-9). Энтальпию металла, шлака и газа рассчитываем по формулам (8):

Результаты расчетов представлены в таблицах 4-6.

Таблица 4 – Расчет энтальпии компонентов металлической фазы

Таблица 5 – Расчет энтальпии компонентов шлаковой фазы

Таблица 6 – Расчет энтальпии компонентов газовой фазы

Таким образом, удельная энтальпия металла равна

=1173,644 + 13,858 + 2,691 + 0,370 + 0,196 + (20)

+ 0,257 + 0,006 + 0,007 + 0,028 + 0,000 + 0,000 +

+ 0,000 + 0,026 + 0,009 = 1191,09 кДж/кг.

Теплосодержание металла определим с учетом его массы:

Qмет = ·Gмет=1191,09·123,601 =147220,48 кДж. (15)

Удельная энтальпия шлака соответственно равна сумме энтальпий его составляющих:

= 471,55 + 119,25 + 725,75 + 31,74 + 210,85 + 99,98 + (21)

+ 0,91 + 30,581 + 66,434 + 5,702 + 1,06 + 1,56 +

+ 0,81 + 0,44 = 1766,61 кДж/кг.

Полная энтальпия шлака:

Qшл = ·Gшл= 1766,61·13,409 =23689,003 кДж. (22)

Определим удельную энтальпию газа:

= 1081,28 + 494,42 + 5,30 + 0,00 + (23)

+ 410,32 + 2,75 =1994,06 кДж/кг,

и полную энтальпию газа:

Qг = ·Gг= 1994,07 ·5,107 =10183,24 кДж. (24)

После расчета энтальпий входных — выходных потоков, необходимо рассчитать статьи теплового баланса, связанные с тепловым эффектом химических реакций.

Перечень независимых реакций процесса с соответствующими тепловыми эффектами представлен таблице 7.

Из таблицы следует, что основными экзотермическими реакциями являются реакции окисления железа (1,2), реакции окисления углерода (3,4), окисления прочих примесей (5-15), горение природного газа (16) и реакции шлакообразования (17). К эндотермическим реакциям относятся реакции разложения оксидов железа (18,19), испарения влаги (20) и разложения карбонатов (21). При расчете теплового баланса процесса принимаем, что оксиды железа в шлаке получены в результате окисления железа. Оксиды железа, присутствующие в шихтовых материалах полностью разлагаются.

В таблице 8 представлены стандартные тепловые эффекты химических реакций. Если изменение энтальпии в результате протекания химической реакции имеет отрицательное значение, то, следовательно, данная реакция экзотермическая. И в баланс тепловой эффект этой реакции следует включать в приход тепла с положительным знаком .

Таблица 7 – Перечень независимых реакций

Таблица 8 – Стандартные тепловые эффекты реакций

В таблице 9 приведен расчет тепловых эффектов химических реакций. Отрицательные значения теплового эффекта реакций окисления примесей говорят о том, что при заданных коэффициентах распределения элементов по фазам (см. Методические указания «Расчет материального баланса металлургического процесса», табл. 3) проbсходит незначительное восстановление этих элементов.

Таким образом, имеются все данные для составления теплового баланса по статьям. Расчет представлен в таблице 10. Невязка теплового баланса, рассчитываемая как относительная разница между приходом и расходом тепла , составляет -0,029%.

Таблица 9 – Расчет тепловых эффектов химических реакций

Таблица 10 – Тепловой баланс металлургического процесса

3. Этапы выполнения лабораторной работы

Процедура по расчету теплового баланса реализована средствами EXCEL, экранная форма представления результатов приведена в Приложении 2.

1. С использованием системы расчета, реализованной в табличном процессоре EXCEL (Приложение 2), для заданного варианта металлургического процесса (Приложение 3) рассчитать тепловой баланс металлургического процесса. Исходные данные для расчетов следует взять из таблиц 3, 8, результатов расчета материального баланса и Приложений 1,4

2. Исследовать влияние состава металлошихты (соотношение лом-чугун), изменения расхода науглероживателей, расхода кислорода и расхода природного газа на приходную статью теплового баланса. Построить зависимости.

3. Исследовать влияние изменения температуры выходных потоков на расходную статью теплового баланса. Построить зависимости.

4. Сделать выводы.

Расчеты выполняются в среде EXCEL. В отчете должны быть представлены результаты выполнения указанных этапов. Отчет следует представить в электронном виде.

Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Исходные данные для расчетов энтальпии вещества

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Варианты заданий для расчета теплового баланса

Методика расчета теплового баланса

⇐ Предыдущая12345

В зданиях с отопительными устройствами уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

Qжив.+Qот. = Qогр.+Qвент.+Qисп. , где:

Qжив. – количество тепла, выделяемое всеми животными, ккал/ч;

Qот. – количество тепла, поступающее от отопительных или отопительно-вентиляционных установок, ккал/ч;

Qогр. – количество тепла, теряемое через все ограждающие конструкции, ккал/ч;

Qвент. – количество тепла, расходуемое на нагревание вентиляционного воздуха, ккал/ч;

Qисп. – количество тепла, расходуемое на испарение влаги с ограждающих конструкций, ккал/час.

В не отапливаемых зданиях уравнение теплового баланса выглядит иначе:

Qжив. = Qогр.+Qвент.+Qисп.

Если количество тепла, выделяемое животными и поступающее от систем отопления, равно теплопотерям, то в помещении создается оптимальный тепловой режим. Если меньше – наблюдается снижение температуры воздуха.

Приход тепла

2.1.1 Тепло выделяемое животными

Оно рассчитывается по формуле:

Qжив. = gжив.×n×r , где:

n – количество животных, гол.;

r – поправочный коэффициент, зависящий от температуры воздуха в помещении (таблицы 6-7).

Тепло, выделяемое птицей, определяется по формуле:

Qжив. = gжив.×n×Р ×r, где:

Р – масса одной птицы, кг;

gжив. – выделение тепла на 1 кг живой массы птицы, ккал/ч;

n –количество птиц, гол.,

r – поправочный коэффициент, зависящий от температуры воздуха в помещении.

2.1.2. Теплопоступление от обогревательных установок

В отапливаемых помещениях находится общая часовая тепло-производительность оборудования для обогрева – Qот. (с применением специальных формул или справочных характеристик тепловентиляционных устройств). Считают, что 1 кВт эквивалентен 864 ккал тепла.

2.1.3 Расчет поступления тепла от отопительных приборов

Количество отдаваемой отопительным прибором теплоты (Q) пропорционально площади теплоотражающей поверхности прибора (Fпр), коэффициенту теплопередачи (К) и разности средней температуры теплоносителя (tср.т.) и температуры отапливаемого помещения (tв), т.е.:


Q = Fпр×K×(tср.т. -tв), где:

К(коэффициент теплопередачи прибора) – это количество теплоты, которое передается через 1 м2 площади теплоотдающей поверхности отопительного прибора в течении 1 часа от теплоносителя воздуху отапливаемого помещения при разности средней температуры теплоносителя и температуры воздуха в 1 ºC в условиях нормальной эксплуатации. В системах водяного отопления наиболее часто встречающимися параметрами теплоносителя являются tп = 95ºC и tо = 70ºC, а температура внутри помещений tв = 18ºC.

Количество теплоты, отдаваемой трубопроводами системы отопления определяется по формуле:

Qтр. = Σ Fтр.×К×( tт – tв ) ×A, где:

Fтр. – площадь наружной поверхности трубы, м2;

K – коэффициент теплопередачи трубы;

tт – температура теплоносителя, проходящего по трубе, ºC;

A – коэффициент, учитывающий степень теплопередачи трубы в зависимости от ее расположения в помещении. Для подводок к приборам коэффициент равен 1; для вертикаль расположенных труб – 0,5; для трубопроводов, расположенных у пола помещения – 0,75; для трубопроводов, расположенных под потолком – 0,25.


Площадь трубы определяется по формуле:

Fтр. = π×dн×L, где:

dн – наружный диаметр трубы, м;

L – длина трубы, м;

π – 3,14.

2.1.4 Определение поступления тепла от глубокой подстилки

Изучение биотермических свойств глубокой подстилки проводится путем измерения ее температуры и количества выделяемого ею тепла по формуле: где:

Qn – величина тепловыделения с 1 м2 поверхности подстилки;

Δt – разность температур между воздухом и подстилкой;

k – коэффициент теплопроводности, равный 0,36 ккал/час м2;

h – толщина слоя подстилки между двумя плоскостями, м (в глубокой подстилке принято 0,1м). λ х Δt

Q под. = ————- ,где:

δ

Q под.- величина тепловыделения с 1 м2 поверхности подстилки, ккал/ м2;

λ — коэффициент теплопроводности – 0,36 ккал/час × м2;

Δt – разность температур воздуха и подстилки;

δ – толщина слоя подстилки между плоскостями (при глубокой подстилке принято 0.1 м),м.

Температура глубокой подстилки измеряется на поверхности и на глубине 5, 10 и 20 см, в середине помещения и в двух углах по диагонали. Измерение проводят почвенным термометром или потенциометром с помощью термопар 2-3 раза в месяц или сезон года, 3 раза в день: утром, днем и вечером.

Потери тепла

2.2.1 Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции.

Потери тепла зданием складываются в среднем из потерь тепла через все его наружные ограждения и добавочных теплопотерь:

Qогр. = Qосн.+Qдоб.

Добавочные теплопотери в среднем равны 13 % от общих теплопотерь через стены, окна, ворота, непосредственно граничащие с внешним пространством. Они связаны с дополнительными потерями тепла при обдувании ветром.

Теплопотери через ограждающие конструкции вычисляются по следующей формуле:

Qосн. = Σ F.×К×( tв. – tн. ),где:

Σ – показатель, указывающий на то, что нужно учесть и сложить теплопотери через каждую ограждающую конструкцию (стены, перекрытия, пол, окна, двери, ворота);

К – коэффициент теплопередачи ограждений, ккал/м2 ч град;

F – площадь каждого ограждения, м2;

tв. – температура внутреннего воздуха (нормативная для зимнего периода), ºC;

tн. – температура наружного воздуха (расчетная, средняя за самую холодную пятидневку, таблица 21), ºC.

Коэффициент теплопередачи стен и перекрытия определяется по формуле:

К = , где:

αвн – коэффициент теплоперехода от окружающей среды к внутренней поверхности ограждений. Для внутренней поверхности наружных стен и потолков он равен 7,5 ккал/ч м2 град ( );

αн – коэффициент теплоперехода от наружной поверхности ограждений к окружающей среде. Для поверхности наружных стен и совмещенных перекрытий он равен 20 ккал/ч м2 град ( ). Для наружной поверхности чердачных перекрытий – 10 ккал/ч м2 град ( );

δ – толщина каждого слоя, составляющего ограждение, м;

λ – коэффициент теплопроводности материала каждого из слоев, составляющих ограждение (определяется по справочной таблице 14).

Коэффициенты теплопередачи стен и перекрытий уточняются с помощью специального коэффициента, величина которого зависит от особенностей расположения этих конструкций (граничат ли они непосредственно с атмосферой или с другими помещениями, в т.ч. тамбурами, венткамерами, чердачным помещением и т.д.). Он определяется по справочной таблице 12.

Коэффициенты теплопередачи окон, дверей и ворот, пола приведены в таблице 13.

В соответствии с устройством ограждающих конструкций (разная величина «К») определяются площади утепленных и неутепленных полов, ворот, окон в отдельности, стен без площади окон и ворот, рассчитывается площадь перекрытия.

Все расчеты теплопередачи через ограждающие конструкции целесообразно представить в виде таблицы, материалы которой позволяют проанализировать теплотехнические качества каждой ограждающей конструкции (форма таблицы указана в Приложении 5, таблица 1).

2.2.2 Расход тепла на вентиляцию

Расчет проводится по формуле:

Qвент. = 0.31×L×(tв – tн) , где:

0,31 – объемная теплоемкость воздуха, т.е. количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 м3 воздуха на 1 ºC, ккал/м3 град;

L – часовой объем вентиляции, рассчитанный для зимнего периода по водяным парам или нормам воздухообмена, м3/ч;

tв. – нормативная температура воздуха в помещении, ºC;

tн. – среднемесячная температура воздуха в январе (таблица 21), ºC.

2.2 3 Расход тепла на испарение влаги с мокрых поверхностей.

Определяется по формуле:

Qисп. = 0.595×Wдоб. , где:

0,595 – коэффициент, показывающий расход тепла на испарение 1 г воды, ккал/г.

Wдоб – добавочное поступление влаги в воздух при испарении с мокрых поверхностей (в зависимости от технологии кормления и поения животных, способа навозоудаления, площади сырого пола). Рассчитывается при определении часового объема вентиляции по водяным парам.

2.2.4 Расчет Δt нулевого баланса

Тепло, выделяемое животными (Qжив.), компенсирует все теплопотери в помещении (Qогр.+Qвент.+Qисп.) только до определенной температуры наружного воздуха. При дальнейшем ее снижении происходит понижение внутренней температуры воздуха, и для беспрерывной вентиляции здания необходим дополнительный обогрев (включение теплового оборудования). Этот предел наружной температуры можно рассчитать с помощью формулы:

Δtн.б. =

Δtн.б. – разница между температурой воздуха внутри помещения и наружного воздуха, воспользовавшись которой, можно рассчитать самую низкую температуру наружного воздуха, при которой возможна беспрерывная вентиляция помещений без дополнительного обогрева.

Например, Δtн.б.равна 20ºC. Если принять оптимальную температуру коровника +10ºC, то вентиляция может работать без дополнительного обогрева здания при температуре атмосферного воздуха (критическая температура) до -10ºC (tкрит.= tвн. — Δtн.б.). При дальнейшем понижении наружной температуры помещение нужно обогревать.

2.2.5. Расчет коэффициента теплового баланса (КТБ)

Для оценки теплового состояния помещения, степени обеспечения теплом рассчитывается КТБ. Он представляет собой отношение прихода тепла в помещении к потерям тепла. В норме КТБ равен 0,9 – 1. Если КТБ меньше 1,0, то наблюдается дефицит тепла, а если больше – избыток.

Например: КТБ равен 0,59, значит помещение обеспечено теплом на 59%.

Весь расчет завершают определением баланса тепла (таблица 2 Приложения 5).Для анализа теплового баланса сопоставляют его приходную и расходную части и устанавливают дефицит, равенство или избыток тепла.

Детально анализируют его составные части и при необходимости намечают мероприятия по улучшению. Если ограждающие конструкции утеплены не достаточно, то проектируют их утепление, снова уточняют дефицит тепла и только после этого проводят работу по подбору необходимого тепловентиляционного оборудования, источников тепла (таблицы 15-20, 22).

Таблица 1- Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции

Таблица 2 — Итог по расчету теплового баланса

Приложение 6

⇐ Предыдущая12345

Просмотров 2666

Эта страница нарушает авторские права

Потери теплоты с уходящими газами Qy.г (qy.г) возникают из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов Hуг, покидающих котел при температуре tу.г превышает физическую теплоту поступающих в котел холодного воздуха аy.гH°х в и топлива Ст∆tт.
Потери теплоты с уходящими газами Qуг занимают обычно основное место среди тепловых потерь котла и составляют qуг= 5… 12% располагаемой теплоты Qpp Для расчета Qyv используют формулу

Qy.г =Hуг — аy.гH°х в
Здесь Hуг, H°х в — энтальпии соответственно уходящих газов и теоретически необходимого холодного воздуха, МДж/кг (МДж/м3).
Потери теплоты с уходящими газами зависят в основном от объема и температуры уходящих газов. Наибольшее внимание для снижения этих потерь следует уделять уменьшению коэффициента избытка воздуха ау.г в уходящих газах, который зависит от коэффициента избытка воздуха в топке ат и балластного воздуха ∆аподс за счет его подсосов в газоходы котла, находящиеся обычно под разрежением:
аy.г = ат + ∆аподс
Возможность снижения ат зависит от вида сжигаемого топлива, способа его сжигания, типа горелок и топочного устройства. При благоприятных условиях контактирования топлива и воздуха избыток воздуха ат необходимый для полного сгорания, может быть уменьшен. Принимается, что при сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха ат< 1,1, при сжигании мазута ат= 1,1, для пылевидного топлива ат= 1,2 и для кускового топлива ат= 1,3… 1,7.
Подсосы воздуха по газовому тракту ∆аподс в пределе могут быть сведены к нулю в котла, работающих под наддувом, т.е. под давлением в дымовом тракте. Для котлов, работающих под разрежением, подсосы составляют ∆аподс= 0,15…0,3 и даже больше. Местами проникновения воздуха из окружающей среды в систему котла являются места прохода труб через обмуровку, уплотнения лючков, дверок, гляделок, холодная воронка, трещины и неплотности в обмуровке.
Нередко высказывается мнение, что опасность, связанная с подсосами воздуха в топку незначительна, что можно использовать этот воздух для процесса горения. Такие суждения неверны. Дело в том, что большая часть воздуха подсосов засасывается в топку через небольшие неплотности стен топочной камеры, т.е. не может проникать глубоко внутрь топочной камеры. Двигаясь вблизи экранов, в зоне относительно невысоких температур этот воздух в горении участвует слабо. Таким образом, несмотря на достаточно высокое значение атна выходе из топки, основной процесс горения протекает с недостатком воздуха, часть топлива, не сгорая, выносится из топки, повышая температуру продуктов сгорания и создавая восстановительную среду внетопочного пространства. Повышение температуры частиц топлива (следовательно, и золы), а также образующаяся восстановительная среда усиливают процессы шлакования и загрязнения труб.
Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потерь теплоты Qy.г приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.
Важнейшим фактором, влияющим на потери с уходящими газами Qy.г, является температура уходящих газов ty.г. Ее снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздушного подогревателя), так как чем ниже температура уходящих газов и, соответственно, меньше разность температур ∆t уходящих газов и нагреваемого рабочего тела (например, воздуха), тем большая площадь поверхности нагрева требуется для охлаждения продуктов сгорания.
Повышение же температуры уходящих газов приводит к увеличению потери с Qy.г и, следовательно, к дополнительным затратам топлива ∆В на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура ty.г определяется на основе технико-экономических расчетов при сопоставлении годовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо.
Область температур от t’у.г до t»у.г, в которой расчетные затраты различаются незначительно. Это может служить основанием для выбора в качестве наиболее целесообразной температуры t»у.г, при которой начальные капитальные затраты будут ниже, чем при t’у.г. Необходимая поверхность нагрева также будет меньше, т.е. теплообменник будет более компактным, что облегчает условия его обслуживания и ремонта. При выборе в качестве более целесообразной температуры t»у.г уменьшается также вероятность конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, и коррозии поверхности нагрева.
С увеличением тепловой нагрузки котельного агрегата (увеличением расхода топлива В и выхода пара D потеря теплоты qy.г с уходящими газами возрастает. Это связано с тем, что с ростом нагрузки увеличивается количество выделенной теплоты в топке. Одновременно увеличиваются объем продуктов сгорания и их скорость в газоходах котла. При этом теплоотдача к конвективным поверхностям нагрева возрастает пропорционально увеличению скорости лишь в степени 0.6…0,8. Таким образом, тепловыделение превышает тепловосприятие, и температура уходящих газов с увеличением нагрузки повышается.

При работе котла на твердом и жидком топливе поверхности нагрева могут загрязняться золой топлива. Это приводит к ухудшению теплообмена продуктов сгорания с поверхностями нагрева. Для сохранения заданной паропроизводительности в таком случае приходится увеличивать расход топлива. Загрязнение поверхностей нагрева приводит также к увеличению сопротивления газового тракта котла, и при недостаточной мощности дымососа нагрузка котла снижается. Для обеспечения нормальной эксплуатации агрегата необходимо систематически очищать его поверхности нагрева от загрязнений.

ВОЗДУШНЫЙ БАЛАНС. УПРАВЛЕНИЕ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА В ТОПКУ

3.1. При составлении воздушного баланса в зависимости от нагрузки котла требуется определить:

общий расход воздуха, организованно подаваемого в топку. В свою очередь для этого необходимо определить значение избытка воздуха на выходе из топки при разных нагрузках и значения присосов в топку холодного воздуха;

для пылеугольных котлов долю первичного воздуха в зависимости от количества работающих систем пылеприготовления и нагрузки котла;

долю воздуха, организованно подаваемого в топку через сбросные горелки, задние шлицы, сопла в холодную воронку, сопла второй ступени сжигания, расположенные над основными горелками, в зависимости от нагрузки, количества работающих горелок;

долю воздуха, подаваемого на охлаждение неработающих горелок, сопл и т.п.;

оставшуюся долю воздуха, поступающего в основные горелки (вторичного воздуха), с распределением между ярусами или каналами горелок (при наличии различий), а также между горелками, работающими на разных топливах;

значение избытка воздуха, организованно подаваемого в основные горелки (включая воздух газов рециркуляции или сушильных газов при их наличии);

скоростной режим горелок, скорость пылевоздушной смеси в пылепроводах.

3.2. На рис. 3 приведен график, относящийся к наиболеепростому случаю определения воздушного режима — режимагазоплотного котла с молотковыми мельницами энергоблока 500 МВт,работающего на экибастузском угле. Для этого котла благодарябесприсосной топке при условии высокой готовности системпылеприготовления (практически 0,97 — 0,98) можно обеспечить вдиапазоне нагрузок 100 — 60% Д приемлемый режим работы горелок номна 8 системах пылеприготовления без отключения какого-либо ихколичества. В свою очередь использование практическиневзрывоопасного топлива позволяет обеспечить сушку топливагорячим воздухом без разбавления его менее нагретым. В результателучше используется воздухоподогреватель для охлаждения дымовыхгазов. p В рассматриваемом примере — сухой уголь W ~ 6%, отсутствиеограничений по снижению вентиляции молотковых мельниц -сравнительно невелика доля первичного воздуха — 30 — 38% (приснижении нагрузки расход первичного воздуха изменяется 1/2пропорционально (B / B ) . Благодаря этому и отсутствию м2 м1присосов холодного воздуха в топку удается при неизменном избыткевоздуха альфа» = 1,15 сохранить приемлемые значения скоростей твторичного воздуха и их соотношения к первичному — при Д номw / w = 1,8, при 0,6 Д w / w = 1,2. Оптимальна и вт перв ном вт первскорость в пылепроводах — при Д она (26 м/с) не вызывает номинтенсивного абразивного износа, а при 0,6 Д w = 20 м/с, что ном п.писключает отложение пыли.

3.3. Применение в указанном примере вместо 8 молотковых мельниц 6 среднеходных (котел П-57Р) с жестко регламентированным в связи с возможными провалом топлива минимальным расходом первичного воздуха существенно меняет воздушный баланс. Здесь доля первичного воздуха при работе всех мельниц составляет в том же диапазоне нагрузок 39 — 56%. Это противоречит условиям устойчивого воспламенения и экономичного сжигания каменных углей, не позволяет сохранить в горелках приемлемые скорости и соотношения скоростей, требует присадки к горячему воздуху больших количеств холодного для снижения температуры за мельницами. В этих условиях следует рекомендовать работу с неполным количеством мельниц — 5 в диапазоне нагрузок 100 — 85% и 4 при нагрузках 85 — 70% номинальной. Доля первичного воздуха при таких условиях сократится на 35 — 39%. Очевидно, что работа котла с неполным количеством горелок приведет к увеличению потерь тепла с механической неполнотой сгорания, а необходимость изменения количества работающих систем пылеприготовления отрицательно повлияет на маневренные характеристики котла и блока.

3.4. Выше рассмотрен воздушный баланс газоплотного котла. При наличии присосов холодного воздуха в топку соответственно их значениям сокращается доля вторичного воздуха, что препятствует при снижении нагрузки сохранению приемлемых соотношений скоростей первичного и вторичного воздуха в горелках. Последнее требует сокращения количества работающих систем пылеприготовления или горелок, что так же, как и в описанном выше случае, снижает экономичность котла и отрицательно влияет на его маневренные характеристики. В свою очередь при работе всех горелок с заведомо малыми скоростями вторичного воздуха могут иметь место еще большие потери тепла топлива с механической неполнотой сгорания.

3.5. Основой для составления воздушного баланса являются избыток воздуха на выходе из топки и присосы холодного воздуха в топку.

Для этого для каждого котла или типа котла требуется экспериментально определить оптимальный избыток воздуха в зависимости от нагрузки. С некоторым приближением можно исходить из имеющегося опыта, согласно которому примерно половина присосов в топку в полной мере участвует в процессе сжигания топлива, т.е. можно принять:

альфа = альфа + 0,5 ДЕЛЬТА альфа , (1) д орг т где: альфа — действующий (условный) избыток воздуха на выходе из дтопки; альфа — избыток воздуха, организованно подаваемого в топку; орг ДЕЛЬТА альфа — присосы в топке. т Значение альфа для пылеугольных котлов согласно опыту можно дпринять равным 1,15; для котлов, работающих на газе, — 1,05 и намазуте — 1,03. Соответственно изложенному альфа» = альфа + 0,5 ДЕЛЬТА альфа . (2) т д к.п В контрольном сечении (за промежуточным пароперегревателем илиза водяным экономайзером) избыток воздуха должен быть выше назначение присосов (ДЕЛЬТА альфа ) в конвективных поверхностях к.пнагрева, расположенных в газоходах от выходного окна топки доэтого сечения, т.е. альфа = альфа» + ДЕЛЬТА альфа . к.с т к.п 3.6. Структура воздушного баланса для различных топочныхустройств и схем пылеприготовления рассмотрена в разд. 9.Исходным при сведении воздушного баланса является общий расходвоздуха при разных нагрузках котла. Основой для определения этогорасхода является величина альфа . Очевидно, что при сохранении дпринятых нами допущений значение альфа остается неизменным при двсех нагрузках, а альфа» = альфа + 0,5 ДЕЛЬТА альфа . т д т Полученное значение избытка воздуха следует корректировать,когда при снижении нагрузки наблюдается увеличение содержаниягорючих в уносе. В этом случае возможно потребуется некотороеувеличение альфа по мере снижения нагрузки. д

3.7. Воздушный баланс газомазутного котла при одноступенчатой схеме сжигания предельно прост — весь воздух подается на горелки. При организации двухступенчатого сжигания для уменьшения образования оксидов азота (обычно в диапазоне нагрузок 100 — 80%) часть воздуха (третичного) подается на сопла. Причем при неизменном количестве доля последнего при снижении нагрузки увеличивается. Требуется это для обеспечения приемлемых выходных скоростей и соответственно приемлемой дальнобойкости струй воздуха (выравнивание концентрации кислорода по сечению топки).

При одноступенчатой схеме сжигания и равномерной подаче воздуха во все горелки (или подаче с постоянной относительной неравномерностью) управление сосредоточено на н.а. ДВ и авторегуляторе общего воздуха. Нужна лишь предварительная настройка с помощью концевых выключателей «полного открытия» равномерного или желаемого распределения воздуха между горелками или горелками разных ярусов. При организации ступенчатого сжигания в силу сказанного выше требуется увеличение степени открытия шиберов на сопла (когда сопротивление этой ветви тракта меньше сопротивления тракта к горелкам). Соответственно на этой ветви тракта требуется установка общих шиберов с дистанционным управлением, индикатора расхода воздуха на сопла и авторегулятора, поддерживающего расход этого воздуха в зависимости от нагрузки котла.

3.8. На пылеугольный котел, оснащенный системами пылеприготовления прямого вдувания с МВ и сушкой топлива дымовыми газами, распространяются положения п. 1.3.1. Отключение при необходимости отдельных мельниц при снижении нагрузки из-за избытка тепла сушильного агента не вносит каких-либо изменений — требуется лишь при необходимости прикрыть шиберы вторичного воздуха на горелки остановленной системы пылеприготовления. Не вносит изменений в управление и присадка части горячего воздуха к дымовым газам ради расширения диапазона возможных нагрузок котла при неизменном количестве работающих МВ. Отдельного управления требует подача части воздуха в холодную воронку для дожигания сепарирующихся крупных фракций пыли.

3.9. Положения п. 3.8 распространяются и на системы пылеприготовления с газовой сушкой и промбункером при транспортировании пыли в топку по схеме с высокой концентрацией, поскольку транспортирование пыли осуществляется не от напора ДВ. Аналогично при транспортировании пыли в топку горячим воздухом от напора ВГД также неизменным остается управление оставшимся воздухом с помощью ДВ.

3.10. В пылеугольных котлах, оснащенных системами пылеприготовления с промбункером и ШБМ, при сушке топлива горячим воздухом могут возникнуть трудности с управлением. Так при малых нагрузках, т.е. пониженных давлениях воздуха за воздухоподогревателем, перед мельницами при большом сопротивлении воздуховодов к ним возникает значительное разрежение. А это в свою очередь ведет к увеличению присосов холодного воздуха через течку топлива, снижению сушильной производительности систем пылеприготовления. В этой ситуации (если нельзя снизить сопротивление воздуховодов к мельницам) оптимальным было бы прикрытие общих шиберов вторичного воздуха в зависимости от разрежения перед мельницами.

3.11. Для пылеугольных котлов, оснащенных системами пылеприготовления прямого вдувания с ММ или СМ и сушкой топлива горячим воздухом, применяются различные схемы воздушного тракта — рис. 4 <*>.

<*> Для СМ используются лишь схемы 4, б и 4, в.

В схеме рис. 4, в подача первичного воздуха при достаточном напоре ВГД не требует вмешательства в положение н.а. ДВ. Однако при низких нагрузках котла, когда часть систем пылеприготовления может быть отключена, а сопротивление оставшихся в работе будет близко их сопротивлению при полных нагрузках, подпора ДВ на стороне всасывания ВГД может быть недостаточно. В этих условиях при полностью открытом направляющем аппарате одного или нескольких ВГД может возникнуть ограничение в подаче воздуха в мельнице и в некоторых случаях их перегрузка. Для того, чтобы ввести в диапазон регулирования н.а. ВГД требуется прижать шиберы вторичного воздуха. Оптимальным решением является установка общих подпорных шиберов на тракте вторичного воздуха (шибер Б) и использование их в описанной ситуации. В этом случае в отличие от использования шиберов перед горелками не нарушается равномерность распределения вторичного воздуха <1>, уменьшается количество шиберов, используемых в управлении.

<1> Индивидуальные шиберы вторичного воздуха используются для выравнивания распределения при предварительной наладке. Положение, соответствующее равномерному распределению, фиксируется концевыми выключателями «полного открытия». Положение «полного закрытия» шиберов устанавливается по значению пропуска воздуха, достаточного для охлаждения горелок.

Аналогично изложенному шибер Б может оказаться необходимым и для схемы рис. 4, б в тех случаях, когда напор ВПВ при малых нагрузках котла может быть недостаточен. В свою очередь в схеме рис. 4, а шибер Б, очевидно, необходим во всех случаях.

3.12. Управление подачей воздуха в сложных схемах с параллельными ветвями может быть упрощено при использовании авторегулятора, поддерживающего в желаемом диапазоне н.а. параллельно работающих ВГД или шиберы первичного воздуха мельниц. Согласно рис. 5 дополнительный регулятор, получая сигнал о том, что один или несколько шиберов вышли из заданного диапазона (например, 40 — 70% полного открытия), подает команду на изменение степени открытия шибера Б. В свою очередь регулятор общего воздуха, изменяя положение н.а. ДВ, восстанавливает заданный для данной нагрузки котла расход воздуха.

Применительно к схеме рис. 4, б дополнительный регулятор вначале действует аналогично описанному, изменяя степень открытия н.а. ВПВ. Если же степень открытия этого н.а. превысит, например, 80%, подается команда на прикрытие подпорного шибера Б. Регулятор общего воздуха должен при этом увеличить степень открытия н.а. ДВ и восстановить заданный расход общего воздуха.

Для схемы рис. 4, в дополнительный регулятор вступает в действие при степени открытия н.а. одного из ВГД, например, более 80%, прижимая подпорный шибер Б.

МЕТОДИКА ТЕПЛОХИМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПАРОВЫХ СТАЦИОНАРНЫХ КОТЛОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ РД 153-34.1-37.313-00

Расчет теплового баланса

Цель теплового баланса — определение количества тепла, которое необходимо подвести (или отвести) из зоны реакции для поддержания постоянной температуры, т.е. определить тепловую нагрузку на реактор.

Тепловой баланс составляется для стадии синтеза при изотермическом режиме процесса.

Тепловой баланс рассчитывается по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов (экзо- и эндотермических) химических реакций и фазовых превращений (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, возгонка), происходящих в реакторе, подвода тепла с исходными реагентами и отвода тепла с продуктами реакции тепловых потерь.

Тепловой баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым: . Левая часть уравнения составляет тепло всех входящих потоков в реактор, а правая — тепло выходящих потоков из реактора и энергетических потерь.

Задание: Рассчитать на основании данных материального баланса и вышеприведенных данных тепловой баланс реакции получения циклогексанона.

Дано:

Таблица 4. Данные теплового баланса

Температура исходных компонентов

170є С

443 К

Температура продуктов реакции

360є С

633 К

Тепловые потери от прихода тепла

9%

0,08

Таблица 5. Данные материального баланса и термодинамические свойства веществ — участников реакции

Рассчитаем приходную часть теплового баланса

Определим количество тепла, поступающее в реактор с исходными реагентами:

где Срi — изобарные теплоемкости исходных реагентов;

Gi — мольный поток i-того реагента;

Тi — температура исходных реагентов;

а) рассчитаем для циклогексана:

б) рассчитаем для кислорода:

в) рассчитаем для бензола:

г) рассчитаем для азота:

Определим количество тепла, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции:

а) для основной реакции:

или 67915,59

б) для побочной реакции:

или 651,74

Так как тепло поглощается во всех реакциях (основной и побочной), получаем:

Так как >0, то реакция экзотермическая и данное значение ставим в приход теплового баланса.

Рассчитаем расходную часть теплового баланса

Определим количество тепла, которое выходит из реактора с продуктами реакции:

где Срj — изобарные теплоемкости исходных реагентов;

Gj — мольный поток j-того реагента;

Тj — температура исходных реагентов.

а) рассчитаем для циклогексанона:

б) рассчитаем для воды:

в) рассчитаем для циклогексанола:

г) рассчитаем для непрореагировавшего циклогексана:

д) рассчитаем для непрореагировавшего кислорода:

е) рассчитаем для бензола:

ж) рассчитаем для азота:

Определим количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры химической реакции:

а) рассчитаем для циклогексана:

б) рассчитаем для кислорода:

в) рассчитаем для бензола:

г) рассчитаем для азота:

Определим тепловые потери в ходе реакции:

Определим тепловую нагрузку на реактор:

Так как QF > 0, тепло надо нужно подводить, это значение ставиться в приход теплового баланса.

Полученные данные сводим в таблицу теплового баланса:

Таблица 6. Тепловой баланс

Определим поверхность теплообмена:

Вывод: Таким образом, в результате проведенного расчета теплового баланса установили что данная реакция экзотермическая (т.к. >0) идет с выделением тепла. Для поддержания заданной температуры тепло необходимо подводить в количестве QF=39232,2891 . Процент подводимого тепла невысокий, значит мы можем предположить что температура для данного процесса выбрана оптимальная.

Проведя расчеты теплового баланса также мы определили количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры реакции ; количество тепла на входе в реактор ; количество тепла на выходе из реактора ; тепловые потери ; поверхность теплообмена .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *