Основы энерго- и ресурсосбережения

Саратовский государственный технический университет Технологический институт Кафедра: «Машины и аппараты химических производств» Краткий курс лекций по дисциплине «Основы энерго- и ресурсосбережения » для направления ТМОБ Краткий курс лекций составлен профессором Печенеговым Юрием Яковлевичем ОСНОВЫ ЭНЕРГО-И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ I. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ Лекция №1 Энергетические ресурсы и их использование Основной вид энергии, который используется в химико-технологических системах (ХТС), - это тепловая энергия. Ни одно химическое производство не обходится без нагревания одних потоков и охлаждения других. Для этих целей используются энергоносители: топливо, электроэнергия, водяной пар, холодная и горячая вода, сжатый воздух, продукты разделения воздуха, инертные газы, хладоносители. Кроме процессов нагрева- охлаждения данные энергоносители используются для обеспечения и других технологических операций и процессов, создания двигательной силы агрегатов, контроля и управления производством, создание необходимых климатических и санитарно-гигиенических условий производства. Основным источником первичной энергии продолжает оставаться органическое топливо, прогнозируемые мировые запасы которого оцениваются примерно в 1200 миллиардов тонн условного топлива (т у.т.). Ежегодное потребление в мире составляет, по разным данным, 12-15 млрд. т у.т. (2000г.) и оно год от года возрастает. Более 50% этого потребления составляют нефть и газ. Суммарное производство первичных энергетических ресурсов в России в 1995г. составило 1361 млн. т у.т., а их внутреннее потребление – 898 млн. т у.т. Структура потребления энергоресурсов в нашей стране примерно следующая: уголь – 21%; нефть – 24%; газ – 48%; ядерное топливо – 5,5%; остальное (гидроэнергия, торф, дрова и др.) – 1,5%. От всего добываемого топлива около 55% потребляется промышленностью, примерно 30% - коммунально-бытовой сектор; менее 9% - транспорт; около 5% - сельское хозяйство. Сложившаяся в настоящее время ситуация в химической промышленности осложнена тем, что большинство существующих химических технологий было запроектировано, создано или приобретено еще во времена СССР, т.е. при дешевой энергии, когда вопросам ее экономии не уделялось должного внимания. В связи с распадом СССР и переходом экономики на рыночные отношения, ростом цен на энергоносители ситуация с устаревшими энергоемкими технологиями стала катастрофической. Резкий рост цен на энергоносители при большой энергоемкости отечественных производств превратил их из высокодоходных в убыточные. Поэтому подъем отечественной химической промышленности, притом, что большинство химических производств являются энергозатратными, требует и предполагает модернизацию существующих технологий, оборудования и организации производства с целью снижения энергозатратности в первую очередь. В этих условиях выявление резервов возможной экономии топлива и энергии и широкое внедрение энергосберегающих мероприятий становится важнейшей задачей для всех химических предприятий. Доля энергозатрат в себестоимости продукции и услуг составляет в среднем на транспорте 17%, в сельском хозяйстве – 11%, в промышленности – 18%, а в ряде энергоемких производств (например, в химической промышленности) достигает 40% и даже 60%. Российская экономика является одной из наиболее энергоемких в мире. Удельная энергоемкость отечественного промышленного производства в 1,8-3,5 раза выше, чем в США, Японии, странах Западной Европы. Причинами такого положения являются как технологическое несовершенство производства, так и недогрузка их мощностей из-за спада производства в последние годы. Высокая энергоемкость производства в России приводит к высокому уровню себестоимости продукции, снижает конкурентноспособность отечественных товаров и тормозит развитие экономики страны. Актуальность и потенциал энергосбережения в стране Технологический и организационный потенциал энергосбережения в стране по оценкам составляет 430 млн. т у.т. в год или почти 50% современного внутреннего энергопотребления. Использование этого потенциала определено основной задачей принятой в стране программы «Энергоэффективная экономика». В условиях России каждый % экономии топлива и энергии может дать 0,35-0,4% прироста национального дохода. Принятая программа широкомасштабного энергосбережения основывается на следующих предпосылках: - реализация имеющегося потенциала энергосбережения при восстановлении и развитии промышленности и народного хозяйства в целом в течении ближайших 15-20 лет позволит обходиться практически без ввода новых энергетических мощностей. Ввод мощностей требует больших инвестиций и времени, которыми страна не располагает; - при внедрении энергосберегающих технологий затраты на высвобождение 1 кВт мощности в среднем в 3-5 раз ниже затрат на ввод 1 кВт новой мощности; иначе говоря – затраты на проведение энергосберегающих мероприятий в 3-5 раз ниже, чем инвестиции на альтернативную добычу и производство топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). - срок окупаемости затрат на энергосберегающие мероприятия в несколько раз ниже этого показателя при вводе новой мощности; срок окупаемости многих мероприятий, связанных с энергосбережением, не превышает 1-2 лет. -при энергосбережении экономится топливо и соответственно снижаются затраты на его добычу, транспортировку и хранение; - при экономии сжигаемого топлива снижаются вредные выбросы, в том числе выбросы диоксида углерода, примерно 1,5т СО2 на каждую тонну сэкономленного условного топлива; снижается влияние продуктов сгорания топлива на состояние окружающей среды; - при снижении потребления энергии снижается плата за нее и соответственно себестоимость продукции; это приводит к повышению ее конкурентоспособности. Энергосбережение может явиться одним из главных рычагов для подъема экономики, однако повсеместное применение энергосберегающих мероприятий должно сопровождаться их всесторонним и серьезным анализом при одновременном учете технологических, экономических, социальных и других обстоятельств, т.е. нужен системный подход. Государство, региональные и муниципальные органы принимают меры направленные на развитие энергосбережения. Принят Федеральный закон «Об энергосбережении», «Энергетическая стратегия России на период до 2020г». Большая роль в решении задач энергосбережения отводится в подготовке кадров. Наибольшие непроизводительные затраты связаны с процессами выработки передачи и использования тепловой энергии. В отличие от электроэнергии тепловую энергию труднее передать на дальние расстояния, обеспечить ее учет и регулирование. С термодинамической точки зрения теплоту, как менее организованную форму энергии, труднее полезно использовать. Ресурсосбережение в сфере материального производства Ресурсосбережение непосредственно связано со сбережением энергии и его можно считать одним из эффективных видов энергосбережения. Удельные энергоемкости производства некоторых химических продуктов: химические волокна – 4700 кг у.т./т; сода каустическая – 2060 кг у.т./т; синтетические смолы – 1400 кг у.т./т; стекловолокно – 6000 кг у.т./т; целлофан – 6170 кг у.т./т; метанол – 800 кг у.т./т; каучук – 1890 кг у.т./т; стеклопластик – 1740 кг у.т./т. – это доперестроечные цифры по России. Одним из важнейших ресурсов, используемых человеком, является пресная вода. В России потребление воды только через городские системы хозяйственно-питьевого водоснабжения достигает 15 куб. км в год. Удельное потребление хозяйственно-питьевой воды достигает в среднем 330 литров в сутки на человека, что на 15-20% выше, чем в развитых капиталистических странах. Производственное потребление воды значительно выше хозяйственно-питьевого потребления. Например, при производстве поверхностно-активных веществ (моющие средства) на 1 т продукции расходуется 150-210 м3 воды. Доля энергозатрат в себестоимости водопроводной воды достигает 45%. Снижение металлоемкости и материалоемкости кроме сбережения энергии дает и существенный дополнительный выигрыш: уменьшение загрязнения окружающей среды, связанное с добычей и подготовкой сырья, выплавкой металла и производством материалов, их транспортом. При уменьшении материалоемкости отдельных изделий при сохранении их технических характеристик сокращаются масса, габариты (следовательно и затраты на монтаж), что приводит к экономии в площадях, на которых это оборудование размещается. Важное значение ресурсосбережения состоит в природоохранной функции. Необходимо стремиться к снижению отходов производства и к повторному, полезному использованию этих отходов, так называемых вторичных ресурсов. Запасы многих полезных ископаемых ограничены, невосполнимы и в значительной мере истощены. Кроме того, усложнились горно-геологические условия добычи сырья и ухудшилось качество некоторых его видов. Например, среднее содержание железа в сырой руде за последние 30 лет уменьшилось от 46% до 30%. Используя природные ресурсы нужно не забывать и о нуждах последующих поколений. Энерго- и ресурсосбережение – это не только техническая проблема. Она имеет и социальную и воспитательную стороны. Следует помнить, что впустую тратить энергию, питьевую воду, металл, другие ресурсы также аморально, как выбрасывать хлеб. Их выработка требует не меньше труда, а холод и отсутствие света не менее страшны для человека, чем голод. Лекция № 2 Взаимосвязь технологических, энергетических и экологических аспектов в промышленных технологиях В 1992г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) прошла Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию. Участники конференции пришли к выводу, что в ближайшие четыре десятка лет, с момента проведения конференции, на земном шаре может произойти экологическая катастрофа, если человечество не примет экстренных мер по усовершенствованию существующего способа производства. Было названо несколько причин, способных привести к столь печальным последствиям. Во-первых, возросшие масштабы производства, качественно изменившие влияние промышленных выбросов на окружающую среду. Они перестали носить локальный характер. Именно поэтому вредное влияние предприятий на окружающую среду оценивают не по превышению предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в выбросах, а используют такой показатель, как предельно допустимые выбросы (ПДВ). При его расчете учитывается наложение концентрационных и температурных полей выбросов от других предприятий, расположенных в зоне действия рассматриваемого объекта. Вторая причина – возросшая степень опасности существующих предприятий, складов ядохимикатов, вооружений, захоронений производственных отходов, в том числе радиоактивных, последствие от аварий, взрывов или пожаров на которых в результате преднамеренных или непреднамеренных действий людей, природных катаклизмов, могут иметь катастрофические последствия. Третья причина − ускорившийся в последние два десятка лет прирост численности населения земного шара (в основном в слаборазвитых странах) в сочетании со значительным различием в уровнях потребления сырьевых ресурсов, топливно-энергетических ресурсов, продуктов питания в странах с развитой и слаборазвитой экономикой. Так, с 1972 по 1992г.г. население планеты увеличилось на 1,7 млрд человек. Из них 1,5 млрд. дали слаборазвитые страны. С другой стороны, по разным источникам, от 20 до 30% населения земного шара, проживающих в развитых странах, потребляют 70…80% всех добываемых в мире ресурсов. Чтобы вывести уровень развития технологий и условий жизни во всех странах мира на уровень стран с развитой экономикой, добычу ресурсов необходимо увеличить, по крайней мере, в несколько раз. При этом, естественно возрастет и степень загрязнения окружающей среды. Вместе с тем известно, что природа способна воспроизводить изъятые у нее биологические ресурсы, если изымается не более 1% имеющегося количества. Сделанные оценки показывают, что этот барьер превзойден уже примерно раз в десять. Более того, минеральное сырье и органическое топливо создавались природой многие миллионы лет и практически не воспроизводятся. По данным на начало последнего десятилетия запасов угля, при существующих темпах потребления и технологиях, могло хватить на период от 300 лет (США) до 1000 лет (страны СНГ), нефти – от 36 до 100 лет и газа – от 32 до 60 лет. Запасов урана на земле без перехода к реакторам на быстрых нейтронах – примерно на 100 лет. При использовании последних этот срок может многократно увеличиться. Преобразование сырья в конечный продукт по существующим технологиям идет с очень низким к.п.д. Например, коэффициент полезного использования (КПИ) теплоты топлива в полном технологическом цикле производства стали, включающем добычу руды, ее обогащение, получение агломерата, выплавку чугуна и, наконец, – стали, не превышает 5%. Сходная ситуация имеет место в производствах цветных металлов, строительных материалов, в технологиях где применяются выпарные, перегонные, ректификационные, сушильные, моечные машины и установки. Отсюда следует, что увеличение производства в несколько раз без качественного изменения технологии, организации производства и распределения произведенной продукции и услуг, может быть катастрофическим. Не менее катастрофична ситуация с водой. Из общего количества воды на земном шаре – 1400 млн. куб. км на долю пресной воды приходится всего 4 млн. куб. км. И лишь 0,01% запасов пресной воды доступны для использования. Значительная ее доля находится в виде ледников, арктических и антарктических льдов. На переработку 1т нефти расходуется 10…40 куб. м воды, на производство 1т стали из железной руды - до 150 куб.м, в производстве стального проката – 20-30 м3; на 1 т целлюлозно-бумажной продукции и синтетических волокон – до 500 м3. Речной сток земного шара, равный разности количеств воды, испаряющейся с поверхности морей и океанов, и выпадающих на них осадков, составляет около 45 тыс. куб. км в год. При численности населения земного шара 4 млрд. чел. расходовалось 147 куб.км воды в год на коммунально- бытовые цели и 633 куб.км – в промышленности. При численности населения 6 млрд. чел. годовое водопотребление в мире составляло 13140 куб. км воды. А это примерно 1/3 всего речного стока земного шара. В 2000г. в странах СНГ водопотребление составляло 700 куб. км за год при общем речном стоке стран СНГ 4350 куб. км в год. Эффективным способом снижения нагрузки на гидросферу является использование оборотных систем водоснабжения, в которых основная масса воды циркулирует по замкнутому контуру между охлаждаемым оборудованием и охладителем воды (брызгальным бассейном, прудом-охладителем и др.), и лишь часть ее - продувочная вода сбрасывается через очистные сооружения в канализацию или естественные водоемы и реки. Расход свежей воды на такие системы покрывает расход воды на продувку и компенсацию испарившейся части воды при ее охлаждении. На испарение расходуется обычно до 3% от общего расхода воды, циркулирующей в системе. Структура водопотребления в отраслях промышленности Отрасль промышленности Объем водопотребления, км3/год Расход воды на охлаждение, % от объема водопотребления Водооборот, % от расхода на охлаждение 1 2 3 4 Теплоэнергетика 150 96 60 Черная металлургия 36 75 80 Цветная металлургия 10 20 80 Химия 9 74 74 Нефтехимия и нефтепереработка 18 95 89 Целлюлозно-бумажная промышленность 3,4 7 65 По данным на 1980г., общее количество сточных вод в мире составляло 500 куб. км/год. Из всех сточных вод 70% загрязнены термально и 30% - нефтепродуктами, солями тяжелых металлов, фенолами, поверхностно-активными веществами и др. Из всех загрязненных сточных вод 8,5% дает теплоэнергетика, 82%- промышленность (в России – 70%), около 9% коммунально-бытовой сектор и примерно 1,5% - сельское хозяйство. Современное химическое предприятие потребляет воды примерно столько, сколько город с населением несколько десятков или сотен тысяч человек. К сожалению, степень очистки сточных вод от примесей недостаточна. Поэтому перед сбросом в реки и водоемы их часто разбавляют в среднем в 40…60 раз чистой водой. Нагрузка на атмосферу в результате деятельности человечества характеризуется следующими данными. При массе атмосферы 5,15∙1015 т, годовой выброс золы в 1980г. в мире составил 370 млн. т, сернистого газа – 250 млн.т. К 2000г. выбросы сернистого газа снизились до 100 млн.т. По данным за 1987г. в СССР в атмосферу выбрасывалось 100 млн. т загрязнений. Из них на долю тепловых электростанций приходилось 26%, автотранспорт давал 36,9%, черная металлургия – 7%. Степень очистки газообразных выбросов от золы в нашей стране достигает 75%, от газообразных вредных примесей – 30% (в Германии – 86%). В крупных городах, вблизи предприятий содержание вредных примесей в атмосфере многократно превышает существующие нормы. Приведенные данные свидетельствуют о возможном в ближайшее время исчерпании доступных для хозяйственной деятельности запасов нефти, газа и воды, об опасном уровне загрязнений атмосферы. Ощущается нехватка запасов серебра, никеля, олова, хрома, кадмия, свинца и др. С другой стороны, ясно, что имеются огромные резервы более рационального использования практически всех видов ресурсов. Практика энерго-и ресурсосбережения в промышленности показала, что наибольшего эффекта достигают при комплексном решении технологических, энергетических и экономических проблем. Широкие перспективы имеют энерготехнологические схемы производства и в особенности при многотоннажном производстве продуктов химической технологии. Реализация таких схем предполагает совместное производство продуктов и энергии, а также экономное расходование энергетических ресурсов. Появление химической энерготехнологии является естественным следствием развития химической технологии. На первом этапе развития технологии главной задачей является разработка методов производства продукта. На следующих этапах решаются задачи улучшения качества продукта, экономного расходования материалов, увеличения производительности аппаратуры. По мере решения этих задач возникает проблема экономного расходования энергетических ресурсов и, в конечном счете, оптимизации процесса в целом по экономическим критериям. Для решения задач снижения затрат энергии в технологиях, оптимизации технологий с учетом необходимости комплексного использования и производства химических продуктов и энергии инженер должен овладеть соответствующими методами. ЛЕКЦИЯ № 3 Использование тепловой энергии на химических предприятиях Потребителей тепловой энергии можно разделить на следующие группы: 1) технологические; 2) отопительно-вентиляционные; 3) хозяйственно-бытовое горячее водоснабжение. Доли от общего годового теплопотребления в названных группах для химических предприятий соответственно составляют – 77%, 18% и 5% (средние показатели). Технологические потребители – это различные тепло- и массообменные устройства, реакторы, другие аппараты, в основном поверхностного типа, служащие для нагрева или охлаждения промежуточных теплоносителей, рабочих тел и т.д. Они отличаются очень большим разнообразием функционального назначения и конструктивного исполнения, что прямо связано с громадным многообразием сред подвергаемых тепловой обработке и их физико-химических свойств. В зависимости от температурного уровня технологических процессов в качестве первичных энергоресурсов используются следующие. 1. Органическое топливо (твердое, жидкое, газообразное), которое при сжигании дает высокотемпературный теплоноситель- продукты сгорания (дымовые газы), температура которых может достигать 1800÷2000 оС, а в отдельных случаях и выше. Топливо чаще всего используется для тепловой обработки продуктов в печах и для получения пара и горячей воды в котлах. Кроме того, топливо является основным сырьевым продуктом для промышленности органического синтеза и нефтехимии. Здесь для высокотемпературного нагрева технологических потоков используются трубчатые печи, в которых нагреваемый жидкий или газообразный продукт течет в трубах, снаружи обтекаемых продуктами сгорания топлива. В качестве топлива на химических предприятиях может использоваться не только естественное природное топливо, но и побочные продукты технологии (отходы), которые имеют в своем составе горючие элементы (C, H,S и др.). 2. Сухой насыщенный или слегка перегретый водяной пар давлением 0,2÷1,4 МПа, реже до 8÷9 МПа. Температура насыщения пара ts = 195 оС при Р=1,4 МПа. Конденсируясь, пар отдает теплоту r =1960 кДж/кг при Р=1,4 МПа. Пар поступает на предприятие от ТЭЦ или районной котельной или же может вырабатываться на самом предприятии в котлах-утилизаторах, топливных котлах в технологических установках за счет теплоты экзотермических химических реакций и при охлаждении потоков продуктов и элементов аппаратов и устройств. 3. Горячая вода применяется обычно при температурах не выше 180 оС , т.к. при большей температуре вода должна находиться под давлением большим 1,0 МПа, что требует для обеспечения прочности массивных и тяжелых теплообменных устройств. Как и пар, вода может поступать от ТЭЦ или районных котельных, или вырабатываться на самом предприятии. 4. Холодная вода при температуре окружающей среды или охлажденная в специальных охладителях до температуры 4÷25оС используется как холодный теплоноситель для отвода теплоты от технологических потоков и устройств. 5. Воздух также широко используется как охлаждающий теплоноситель. Кроме того, воздух используется как горячий теплоноситель и как сушильный агент. 6. Холодильные агенты (рассолы, фреоны, аммиак, углекислота и др.) применяются в области температур ниже температуры окружающей среды, в том числе- при минусовых температурах. Холодильные агенты и вода обычно циркулируют по замкнутой системе циркуляции между охлаждаемым объектом и охладителем ( бассейн, пруд и т д.). Потребление теплоты в технологических процессах характеризуется непрерывностью и определенным постоянством. Основной теплоноситель – пар. Примерно 90% технологических потребителей пара и горячей воды на конечной стадии потребления используют теплоносители с температурой до 150 оС. Отопительно-вентиляционные системы. Основным теплоносителем являются пар и горячая вода с температурой не выше 150 оС. Отопление производственных помещений в основном воздушное, совмещенное с вентиляцией. Такие совмещенные системы несут около 85-90% отопительно-вентиляционных нагрузок. В приточных системах вентиляции атмосферный воздух, в зависимости от времени года имеющий температуру минус 40 – плюс 10 оС подогревается в калориферах систем до 25-40 оС за счет теплоты пара или горячей воды. В летнее время, когда температура воздуха высока, его нужно охлаждать в калориферах холодной водой. Для подготовки воздуха, подаваемого в производственные помещения часто используют кондиционеры, которые являются крупными потребителями тепловой энергии на химических предприятиях. Тепловая нагрузка имеет сезонный характер. Системы хозяйственно-бытового горячего водоснабжения имеют постоянную, круглогодичную нагрузку. Это в основном душевые, мойки, прачечные, столовые. Конечный теплоноситель- горячая вода с температурой 45-70 оС. Режим потребления горячей воды непрерывный, с резко выраженными кратковременными пиками нагрузок после окончания каждой смены (увеличение в 5-8 раз по сравнению со среднечасовым потреблением в течении суток). Вторичные энергоресурсы Основным потребителем ТЭР являются на предприятиях химии технологические процессы (77%). Их несовершенство с точки зрения энергоиспользования является причиной появления побочных (вторичных) энергоресурсов: горючих; тепловых; избыточного давления. Под побочными (вторичными) энергетическими ресурсами (ПЭР и ВЭР) понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, которые не используются в самом агрегате, не могут быть частично или полностью использованы для энергоснабжения других агрегатов. ВЭР разделяют на три основных группы. Горючие (топливные): горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья (синтез-газ, газ сажевых печей, абгазы и отдувки химических и нефтехимических производств, отходы электродного производства и т.д.); твердые и жидкие топливные отходы; хвостовые и танковые газы и др. Тепловые: физическое тепло отходящих газов технологических агрегатов; физическое тепло основной и побочной продукции; тепло рабочих тел систем принудительного охлаждения агрегатов; тепло конденсата; попутно вырабатываемое тепло в виде пара и горячей воды в технологических агрегатах, независимо от того, где это тепло используется. Избыточного давления: потенциальная энергия газов, жидкостей и сыпучих материалов, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением ( напором), которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих материальных потоков или при выбросе их в атмосферу, водоемы, емкости и другие приемники. Сюда же относится избыточная кинетическая энергия. Следует стремиться к минимизации отходов производства и выхода ВЭР. При их наличии они могут использоваться для удовлетворения потребностей в топливе и энергии либо непосредственно (без изменения вида энергоносителя), либо за счет выработки тепла, электроэнергии, холода и механической энергии в утилизационных установках. ВЭР является гигантским источником энергии. Например, для НПЗ ВЭР составляют 85% от первичных ресурсов поставляемых с ТЭЦ и получаемых от сжигания топлива. Выгодность использования ВЭР зависит от трех факторов: тепловой мощности, т.е. количества ВЭР получаемых в единицу времени, температурного уровня и непрерывности получения. Горючие ВЭР считаются пригодными для использования, если их тепловые мощности составляют не меньше 0,05 т у.т./ч. Для тепловых ВЭР эта величина должна быть не ниже 6,2 Гкал/ч (10 ГДж/ч). Основные направления энерго- и ресурсосбережения в химической промышленности Полезное потребление энергии в ХТС системах составляет 38-40%. Остальное - потери с охлаждающей водой, дымовыми газами, через теплоизоляцию и неплотности, из-за избыточной мощности. Основным направлением в повышении энергетической эффективности химических производств является снижение их энергоемкости за счет использования внутренних ресурсов каждой технологической схемы. Этому благоприятствует создание крупнотоннажных агрегатов и производств с непрерывными технологическими процессами, использование топливного потенциала горючих отходов, разработка рациональных схем энерготехнологических узлов, входящих в технологические схемы. Снижению расхода энергии в технологическом агрегате способствуют мероприятия: повышение энергетического КПД за счет улучшения организации технологических процессов и режимов работы агрегатов; улучшение теплоизоляции; сокращение потерь с выбиванием из рабочей камеры; совершенствование процесса сжигания топлива; применение рекуперации, регенерации и т.п. Для технологического процесса в целом или совокупности процессов важно использование ВЭР. Использование ВЭР химической промышленности сопряжено со следующими основными трудностями: рассредоточенность источников энергии в пространстве (на территории) и во времени (из-за периодического характера многих технологических процессов); малое количество энергоресурсов на единицу оборудования; значительные удельные потери теплоты в окружающую среду (вследствии малых размеров оборудования и периодичности процессов); трудности использования теплоты экзотермических низкотемпературных процессов и т.п. Интенсификация процессов теплообмена и массообмена и создание высокоэффективных тепло-и массообменных аппаратов позволяют снизить затраты энергии и материалов на осуществление процессов. Сравнительно новым направлением является совмещение получения технологического продукта и электрической энергии или пара высоких параметров в одной энерготехнологической установке. Подобные энерготехнологические схемы реализованы в азотной промышленности (производство аммиака, метанола и др.), которая является очень энергоемкой. Переход на эти схемы в нашей стране обеспечил высокие экономические показатели производства. С методологической точки зрения очень важным является обеспечение оптимальных условий функционирования теплообменных аппаратов и систем с технологических, термодинамических и экономических позиций. В особенности важно проводить оптимизацию при проектировании объектов. При решении проблемы ресурсосбережения и сокращения выбросов вредных веществ, в частности, наиболее радикальным направлением является совершенствование технологии, аппаратурного оформления процесса и организации производства. Состав энергокомплекса предприятия Система энергоснабжения крупного химического предприятия включает в себя ряд подсистем. К источникам энергии относятся ТЭЦ, ГЭС, АЭС, котельные, машинокомпрессорные, холодильные и воздухоразделительные станции, источники водоснабжения. Хранилища топлива и преобразователи энергии представлены топливными складами, мазутохранилищами, газгольдерами, бойлерными, газораспределительными станциями, РОУ, компрессорами, электротрансформаторами, установками сушки воздуха, станциями водоподготовки. К энергокоммуникациям относят электросети, трубопроводы мазута и газа, пара, воздуха, воды, холода. Энергоносители, подводимые потребителю, включают топливо в котельные или в топки аппаратов и печей, тепловую и электрическую энергию, холод, сжатые газы, воду. Энергоприемниками технологических установок являются горелки, форсунки, топки, теплообменники, двигатели. Для передачи энергии из энергоприемников в технологические аппараты используют дымо-и газоходы, воздухопроводы, трубопроводы растворов, расплавов, а также валы, муфты, редукторы. В качестве промежуточных внутриагрегатных энергоносителей применяют дымовые газы, горячий воздух, органические теплоносители, нагретые растворы и расплавы. 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ Лекция № 4 Первый закон термодинамики. Энергетический баланс Термодинамика является фундаментальной общеинженерной наукой. Она изучает формы энергии, устанавливает связи между ними по энергетическим балансам 1-го закона термодинамики и выясняет условия и границы взаимопреобразований различных форм энергии в естественных явлениях и технических процессах на основе 2-го закона термодинамики. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Тела изменяют свое состояние в термодинамических процессах и циклах и отдавая или принимая энергию являются энергоносителями в этих процессах. Совершая механическую работу в двигательных установках, эти тела (обычно газы, пары) выступают как термодинамические рабочие тела. Рабочие тела и энергоносители характеризуются параметрами состояния: Р, Па; Т,К ; , м3/кг; , кг/м3 и функциями состояния h, Дж/кг; u, Дж/кг; s, Дж/(кг∙К); e, Дж/кг, которые в технических расчетах принимаются равными нулю (точка отсчета) при нормальных условиях: tо=0 оС, Р=101, кПа; Р=Ризб+Ратм ; Рвакуум=Ратм− Р ; Т=t+273,15, К ; Р=RT ; РV=MRT ; РV=RT, где V=22,4 м3/кмоль ; - молекулярная масса, кг/кмоль ; R = 8314 Дж/(кмоль К); h=cрt ; u = сmt ; Н= Мh ; U=Мu, Дж ; h=u +р ; u =h-р ; ср-сu =R ; ср/с = к – показатель адиабаты; для воздуха к =1,4, для водяного пара к=1,29; S=сpm ln (Т/273)-R ln(P/Pо) ; e=h-ТоS ; S=Ms, Дж/(кг.К) ; Е=Мe, Дж. Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона природы, закона сохранения и превращения энергии, который утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую, причем убыль энергии одного вида дает эквивалентное количество энергии другого вида. Первый закон термодинамики записывается в виде Q=∆U+L или для 1 кг рабочего тела q=∆U+l, где Q,q – подводимое к рабочему телу тепло; ∆U = U2-U1 - изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе; L, l – совершаемая телом работа против сил внешнего давления, иначе работа расширения l = Рd , L = M∙l. Если тело работы не совершает, а является энергоносителем в процессе или аппарате, то общий закон сохранения энергии может быть записан в виде энергетического (теплового) баланса Σ Qподв = Σ Qотвод , где Σ Qподв включает все статьи подводимого тепла, в том числе и за счет экзотермических реакций в аппарате; Σ Qотвод включает потоки отводимого тепла, в том числе полезное теплоиспользование и потери тепла. Согласно выражению первого закона термодинамики, подводимая или отдаваемая энергоносителем теплота для 1 кг тела в процессе q=∆u + Рd= ∆(h-р)+ S Рd=∆(h-р)+ Рd. Огромное количество процессов в теплоэнергетике (подвод тепла в паровых котлах, камерах сгорания, теплообменниках и т.д.), в химической технологии осуществляется при постоянном давлении, т.е. при р = const. В этом случае q=∆(h- p∆+p d=∆h=h2-h1, где h2-h1 – соответствуют начальному и конечному состоянию тела в процессе подвода (отвода) тепла. Это выражение q = h2-h1 = ср2 t2 – c p1t или Q = М(ср2t –cp1t1), Дж или для потока тела (энергоносителя) Q=G (cp2t2-cp1t1), Вт широко используется в расчетах. По этой причине в таблицах термодинамических свойств в справочниках обычно приводятся значения энтальпии, а не внутренней энергии. Первый закон термодинамики и в общем случае закон сохранения энергии оперируют количественными показателями. Анализ тепловых процессов и систем с их использованием позволяет выявить элементы ХТС, процессы в которых протекают с наибольшими потерями количества энергии. Но такого рода анализ не учитывает ценность различных видов энергии, их потенциал и практическую пригодность. В качестве примера рассмотрим процесс выпарки. Здесь Q1 (Т1) – подведенное тепло; Q2 (Т2) – тепло, отведенное с парами; Qп – тепловые потери в окружающую среду. К аппарату подводится тепло Q1 при температуре Т1 и отводится тепло Q2 с паром выпариваемого вещества (например, воды) при температуре Т2. Через стенки теряется тепло Qп. Из первого закона термодинамики следует, что Q1= Q2 + Qп - это уравнение энергетического баланса выпарки. Если тепловыми потерями можно пренебречь, т.е. при Qп< Т работа не получается, а затрачивается (обратный или холодильный цикл). При этом поток эксергии тепла направлен в сторону, противоположную направлению потока энергии. Важно отметить, что на величину эксергии влияет температура окружающей среды. Это особенно заметно, когда температура потока рабочего тела мало отличается от температуры окружающей среды. Так, эксергия воды с температурой 30 оС летом при температуре наружного воздуха, также равной 30 оС, равна нулю. Зимой при температуре наружного воздуха минус 30 оС эксергия этой воды уже существенна, и вода представляет собой определенную энергетическую ценность. Она может быть использована для начального подогрева наружного воздуха для подачи в помещение, например в контактном аппарате. В общем случае, когда тепло подводится при переменной температуре, т.е. Q = f (Т), эксергия определяется формулой: где Н и Но, Дж – полные энтальпии потока при его параметрах и в состоянии равновесия с окружающей средой; S, Sо – полные энтропии потока при его параметрах и в состоянии равновесия с окружающей средой соответственно, Дж/(кг.К). Удельная эксергия еq = h-То ∆S. Лекция № 5 Эксергия вещества в замкнутом объеме Рассматривается вещество, заключенное в непроницаемую для него оболочку, неподвижную по отношению к окружающей среде, способную деформироваться и проводить тепло. Под «веществом» понимается как индивидуальное вещество, так и смесь компонентов, которые могут химически взаимодействовать при изменении состояния системы. Параметры вещества системы в заданном исходном состоянии – u, s,h, p, , Т. При полном равновесии как внутри системы, так и с окружающей средой эти параметры обозначаются uо, sо, hо, Pо, , То. Для того, чтобы вещество перешло в равновесие с окружающей средой необходимо изменить его внутреннюю энергию за счет подвода (или отвода) к нему тепла, либо за счет совершения им работы, поскольку в соответствии с первым законом термодинамики ∆ u = q-l. В обратимом процессе подвод тепла к веществу, либо отвод от него тепла в окружающую среду происходит при постоянной температуре, равной температуре окружающей среды То, т.е. q=То∆S. Максимальная полезная работа в этом процессе, которую может совершить вещество, т.е. энергия, равная работе расширения (сжатия) l, за вычетом работы затрачиваемой веществом на преодоление давления окружающей среды Ро , т.е. e= l - pо = q - u – ро = То ∆S - ∆u – Ро =То(Sо-S)-(uо-u)-ро(). Для всей массы вещества Е=. Величины Е и е определяются при расчетах процессов в аппаратах периодического действия, когда рабочее вещество не выходит за границы рассматриваемой системы. Для химических реакторов периодического действия необходимо дополнительно учитывать химическую эксергию, которая для них является обычно основной. Эксергия вещества в потоке В технических устройствах преобладают процессы с проточными системами. Рассмотрим термомеханическую составляющую эксергии установившегося потока с параметрами – u, h, , S, Т, p.Параметры, характеризующие состояние равновесия потока с окружающей средой uо, hо, , Sо, То, pо. Для определения эксергии вещества в потоке требуется найти максимальную работу при переходе его из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Функция эксергии потока е отличается от функции эксергии вещества в замкнутом объеме е количеством работы, связанной с перемещением потока вещества, т.е. работой проталкивания, которая при соnst определяется выражением lпрот = P- Следовательно, эксергия потока вещества е = е+ Учитывая, что u+P=h, получаем e=h-hо-То(S-Sо). Для всего потока вещества E=Ge. Эксергия потока вещества может принимать все вещественные значения в интервале от - ∞ до + ∞ . Положительный знак при е показывает, что энергия передается от потока к окружающей среде. При отрицательном знаке энергия передается от окружающей среды потоку, т.е. самопроизвольный переход вещества потока из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой невозможен. Для идеального газа h=cрt, S=cp ln(Т/273)-R ln (Р/Ро) и формула эксергии вещества в потоке принимает вид e =cp(Т-То)-То[ср ln (Т/То)-R ln(Р/Ро)]. Для изотермного потока идеального газа, когда Т=То : e=То R ln(P/Ро) . Для изобарного процесса, когда Р=Ро= соnst : e=cp=(Т-То)-То ср ln (Т/То)=Δh-То ср ln (Т-То)=Δh-То ср ln (Т/То)=Δh-ТоΔS, где Δh=h-hо, ΔS=S-Sо . Это выражение совпадает с выражением для эксергии теплового потока еq = Δh-ТоΔS, полученным ранее. Следовательно, во всех процессах теплообмена, протекающих при постоянном давлении, эксергию теплового потока можно вычислять по разности эксергий потока вещества до и после изменения температуры потока вещества. Это значительно упрощает расчеты при переменных температурах. Для наиболее распространенных в технике веществ (вода, воздух, аммиак и др.), имеются диаграммы h-s с линиями e=const и другие самые разнообразные Т-e; р-e; e-s; е-h; e,R-S и др. Они дают готовые значения e (нет необходимости выполнять расчеты) . Эксергия излучения Определяется максимальной работой, которая может быть совершена в обратимом процессе приведения этого излучения в состоянии равновесия с окружающей средой (при То). Ее вычисляют по уравнению еи =cо(ЗТ4+Т , где - степень черноты излучающей поверхности; со=5,67 Вт/(м2∙К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Еи=eиF , где F - площадь излучающей поверхности, м2. Химическая эксергия Химическая эксергия eхим = ec + er .Концентрационную составляющую эксергии потока вещества ec необходимо учитывать в тех случаях, когда в самом потоке или при его взаимодействии с окружающей средой происходят процессы разделения смесей или смешения. Например, в процессах смешения реагентов, растворения, перегонки, выпаривания, сушки, кристаллизации, экстракции и т.д. В общем случае, концентрационная эксергия ec каждого из потоков продуктов разделения определяется по формуле для термомеханической эксергии потока, учитывается только мольная концентрация ni каждого компонента в исходной смеси и полученном продукте и мольная доля продукта по отношению к исходной смеси: ec= Σ (h, где – разность мольных энтальпий компонентов смеси после изменения концентрации (т.е. в полученном продукте) и до изменения их концентрации (т.е. в исходной смеси); - соответствующая разность энтропий; n и n- мольные концентрации каждого i компонента в продукте и в исходной смеси; mi - мольная доля продукта по отношению к исходной смеси. Рассмотрим частный случай расчета концентрационной эксергии газов воздуха. Исходный поток (воздух) есть идеальный газ, состоящий из смеси компонентов, каждый из которых в чистом виде также является идеальным газом. Температуры исходного потока и получаемых компонентов постоянны и равны температуре окружающей среды Т”= Т’ = То= соnst . Процесс выделения из потока исходного воздуха чистого газа представляет собой изотермическое сжатие при То. Эксергия теплоты такого процесса равна нулю, и концентрационная эксергия любого компонента равна есi = - То(Si - mi Si )= - ТoΔSi . Давление исходного потока и давления каждого компонента после извлечения его из смеси равны давлению окружающей среды Р. Давление каждого компонента в исходном потоке пропорционально его мольной концентрации Р, тогда Р . Для идеальных газов при Т=const, ΔSi = -Ri ln (Р. В результате получаем eci = То Ri ln (1/ni ). Из этой формулы следует, что концентрационная эксергия тем больше, чем меньше мольная концентрация компонента в исходном потоке. Расчет концентрационных эксергий позволяет определять совершенство соответствующих технологических процессов, показывая минимальное значение энергозатрат. Расчет реакционной составляющей er эксергии можно проводить также по выражению для термомеханической эксергии потока, но определение энтальпий и энтропий веществ входящих и выходящих из химических реакторов потоков проводится по методикам, разработанным в химической термодинамике. При этом используются стандартные значения энтальпий (теплоты образования), стандартные значения энтропий и химической эксергии, которые для многих веществ и элементов приведены в таблицах в справочной литературе. На практике часто не вычисляют отдельно er , а определяют в целом eхим = ec + er . Например, для химической реакции аА + вВ+….=сС +dD +… изменение химической эксергии составит ΔEхим = (сEхим.с + dEхим.D + …) – (аEхим.А + вЕхим.В + …). Можно показать, что это изменение равно ΔEхим = Qр – То (ΣΔSвх - ΣΔSвых), где Qр - тепловой эффект химической реакции, ΔS - изменение энтропии при образовании веществ (находится по справочным таблицам для веществ на входе и выходе). В ориентировочных расчетах принимают ΔEхим = Qр . При расчетах химической эксергии топлив используют эмпирические связи. Для твердого топлива eхим = Q), где Q- высшая теплота сгорания, Дж/кг; Wр - влажность топлива; для жидкого топлива eхим = 0,975 Q ; для газообразных eх = 0,95 Q Лекция №6 Смешение и разделение веществ В химической технологии смешение применяется для приготовления эмульсий, суспензий, пен, аэрозолей, гомогенных растворов, смесей твердых веществ и т.д. При проведении процессов фильтрации и осаждения под действием различных сил, а также при выпаривании, кристаллизации, сушке, абсорбции, адсорбции, перегонке, экстракции и т.д. происходят процессы разделения. Данные процессы являются необратимыми. Рассмотрим адиабатные процессы смешения (разделения), т.е. идущие при q = 0. Для процессов в постоянном объеме (емкостные аппараты периодического действия), если нет физико-химического взаимодействия веществ V=, М , где V и М – объем и масса смеси веществ; Vi – парциальные объемы веществ, м3 ; Мi - массы веществ, кг; - удельный объем смеси м3/кг ; - парциальные удельные объемы веществ. Материальный баланс М =. Внутренняя энергия смеси равна сумме внутренних энергией смешиваемых веществ: U = . Это выражение является тепловым балансом процесса смешения в постоянном объеме. По другому оно запишется так: . Эксергетический баланс смешения или . Для аппаратов непрерывного действия смешение (разделение) осуществляется в потоке веществ. Тепловой баланс в этом случае выражается через энтальпию потоков: или i, где G и Gi – массовые расходы потоков веществ, кг/с. Эксергетический баланс: Е =Σ Еi +Σ Епот или Σ Gi ei +Σпот = G e. Эксергетический к.п.д. процесса смешения . Уравнение Гюи-Стодолы В соответствии с первым законом термодинамики, в любом процессе подводимая и отводимая энергия равны. Тогда с учетом того, что Но = 0 и Sо = 0 запишем для суммарной эксергии потоков на входе в термодинамическую систему Σ Eвх = Σ Нвх – То Σ Sвх и на выходе из системы Σ Eвых = Σ Нвых – То Σ Sвых . Для изменения эксергии в ходе процесса имеем Σ E = Σ Eвых - Σ Eвх = (Σ Нвых- Σ Нвх) – То (Σ Sвых - Σ Sвх ) . Поскольку всегда Σ Нвых = Σ Нвх , то имеем ΔE = - То ΔS ≤ 0 - это уравнение Гюи-Стодолы, по имени французского физика Гюи, получившего это уравнение в 1889г. и словацкого теплотехника Стодолы, впервые применившего это уравнение для решения технических задач. Здесь знак = 0 для обратимых процессов и знак < 0 для необратимых. Уравнение Гюи-Стодолы находит широкое применение при анализе эффективности работы тепловых установок. Определение ΔSсистемы - задача не всегда простая, она должна решаться отдельно для каждого реального процесса. Структурный анализ и декомпозиция энергохимико-технологических систем (ЭХТС) Термодинамический анализ, проводимый с целью поиска путей улучшения энергоиспользования, осуществляется в следующей последовательности. Вначале в рассматриваемой ЭХТС выделяют часть, включающую интересующий элемент или группу элементов. Затем для них составляются энергетические балансы. На основе балансов определяются энергии потоков на входе и выходе, потери эксергии для каждого элемента (это- абсолютные размерные термодинамические характеристики) и далее определяются КПД и значимость элементов в системе (это – относительные, безразмерные характеристики). С этой целью ЭХТС подвергают декомпозиции, т.е. мысленному разделению на подсистемы или элементы. Такую декомпозицию можно проводить в соответствии со структурой системы, так чтобы установить связи между ее элементами, определяющими форму ее внутренней организации. Термодинамический анализ различных возможных вариантов внутренней структуры ЭХТС, дает возможность выбрать наилучший, т.е. оптимальный, вариант, определить количественные характеристики эффективности энергоиспользования отдельных элементов. Рассмотрим простейшие случаи связи элементов в ЭХТС с последовательным соединением элементов. Полагаем, что КПД отдельных элементов системы не зависит от остальных. Наличие прямых потоков от элемента к элементу обязательно, обратные потоки могут отсутствовать. Эксергетический КПД I-го элемента системы . Произведение КПД всех n элементов системы равно общему КПД системы. . Т.е по КПД все элементы системы, состоящей из последовательно соединенных элементов, являются равноправными, т.к. уменьшение каждого из них на определенную величину, приводит к такому же снижению КПД всей системы. При параллельном соединении каждый i‑ ый элемент связан только с входом и выходом системы, потоки эксергии между элементами системы отсутствуют. Эксергетический КПД каждого элемента системы . Общий КПД системы . Эксергетический вес каждого элемента системы по входу и выходу составляет , . Связь между КПД отдельных элементов и всей системы: . Из этого соотношение следует, что увеличение КПД любого из элементов ведет при неизменной эксергии на выходе к общему повышению КПД всей системы. Это повышение тем больше, чем выше эксергетический вес элемента. Снижение потери эксергии ΔEi в любом элементе приведет к равному уменьшению потери в системе в целом. Т.о. для повышения эффективности ЭХТС с параллельным соединением элементов, прежде всего, необходимо повышать КПД того элемента, эксергетический вес которого выше. Лекция № 7 Общая методика эксергетического анализа ЭХТС Проведение эксергетического анализа ЭХТС возможно на всех стадиях проектирования и производства: при обосновании и выборе основных принципов процесса, эскизной проработке, конструировании и эксплуатации системы. Анализируемая техническая система может охватывать предприятие, отдельное производство, участок его (цех, отделение, агрегат) или определенный аппарат, машину или устройство. Для анализа этих систем необходимо знать технологические процессы рассматриваемого участка, устройство и принцип действия основного и вспомогательного оборудования, возможные изменения режимов работы оборудования и взаимосвязь с соседними производственными участками. Анализ энергохимических процессов строится на основе изучения действующей на предприятии технологии и работе различного оборудования. Изучение работы оборудования начинается с рассмотрения регламента и фактических отклонений режимов во времени от номинальных. Анализу энергохимико-технологических систем предшествует сбор сведений о работе аппаратов и машин, входящих в данную систему, их технических характеристик, материальных потоков и объем потребления разных форм энергии от сторонних источников. Важнейшим звеном анализа является материальный баланс, который должен охватывать единичный аппарат или машину, участок и всю технологическую цепочку производства. Все материальные потоки должны быть выражены массовыми расходами с указанием, какие вещества и в каком состоянии проходят через разные звенья технологической цепочки. С материальным балансом непосредственно связан энергетический баланс, который должен отражать энергоснабжение по различным формам используемой энергии. Для каждого аппарата, машины, участка и всей схемы должны быть определены материальные технологические потоки с установлением температур, давлений и энтальпий веществ, возможное выделение или поглощение теплоты внутри аппарата, потребление работы (электроэнергии) в машине или аппарате, расход холода при проведении каких-либо процессов. Основные процессы с преобразованием энергии в химической технологии Различные случаи преобразования энергии можно свести в 4 группы. 1. Сжатие и расширение газов и жидкостей. 2. Теплопередача от одного рабочего тела к другому. 3. Смешение и разделение веществ, происходящее без образования новых веществ. 4. Химические реакции. При определении характеристик различных систем и происходящих в них процессов существенное значение имеет выявление, а затем и исключение из рассмотрения транзитных эксергетических потоков. Транзитная эксергия – это часть потока эксергии, проходящая через техническую систему и не участвующая в процессах преобразования. В процессах 1 и 2-ой групп транзитными являются концентрационная ес и реакционная составляющая эксергии, т.к. они никак не изменяются в этих процессах и должны быть полностью исключены из рассмотрения. В процессах 3-ей группы наряду с ep , eт участвует и ec ; исключается из рассмотрения, как транзитная, только er . В процессах 4-ой группы участвуют и должны анализироваться все виды эксергии Теплопередача от одного теплоносителя к другому Рассмотрим процесс передачи тепла Q от горячего теплоносителя (г) к холодному (индекс х) в теплообменном аппарате, пренебрегая тепловым потерями и затратами энергии на преодоление гидравлических сопротивлений, т.е. при постоянных давлениях Рг и Рх. Массовые расходы теплоносителей обозначены Gг и Gх . Qг = Gг (hr2 – hr1), Qх = Gх (hх2 –hх1),где индекс 2 указывает на конечное состояние потока теплоносителя, индекс 1 – на начальное. При отсутствии тепловых потерь тепловой баланс Gг (hг2 –hг1) = Gх (hх2 –hх1 ) = 0 . Для изобарного процесса эксергия передаваемого потока тепла равна изменению эксергии потока вещества. Для Δ Eг = Eг2 – Eг1 = [(hг2 - hг1) – То (Sг2 - Sг1)] . Для потока холодного теплоносителя ΔEх = Eх2 – Eх1 = Gх [( hх2 - hх1) – То (Sх2 -Sх1] . Суммарное изменение эксергии термодинамической системы (потоков веществ в теплообменнике) ΣΔE = ΔEг + ΔEх = [Gг (hг2 - hг1) +Gх (hх2 - hх1)] – То Gг (Sг2 –Sг1 )-ТоGх(Sх2 - Sх1 ). Выражение в квадратных скобках равно нулю ( по балансу тепла), тогда ΣΔE = -То(Δ Sг + Δ Sх , где Δ Sг = Gг (Sг2 – Sг1 ) ; Δ Sх = Gх(Sх2 - Sх1 ) . Так как d Sг = - d Qг/Тг ; d Sх = d Qх/Тх ; - d Qг = dQх = d Q, то d Sг + dSх = d Q(1/Тх – 1/Тг) > 0 или Δ Sг + Δ Sх = Q(1/Тх -1/Тг) > 0 , поскольку Тг> Тх . Отсюда следует, что ΣΔE < 0, т.е. эксергия системы при передаче теплоты от горячего источника (теплоносителя) к холодному уменьшается; происходит потеря эксергии, называемая диссипацией, из-за необратимости процесса теплообмена, обусловленной неравенством Тг > Тх . Чем больше разница Тг - Тх , тем больше потери эксергии. Отсюда следует также важный для практики вывод: необходимо избегать «перекосов» температур на концах поверхности теплообменника, т.е. не следует незначительно нагревать большие массы холодных веществ небольшим количеством горячего теплоносителя. (Здесь Тг - Т и для G имеем большие потери ΔE). При прямоточной схеме теплообмена потери эксергии больше, чем при противоточной, при прочих равных условиях (F, G, c, Q). Часто теплообмен осуществляется при прямом контакте, т.е. при смешении нагреваемого и охлаждаемого потоков. К таким процессам относятся сушка веществ, абсорбция, ректификация и др. контактные процессы. Потери эксергии здесь равны ΔEсм =Eз (E1 + E2 ) = - Gcp То [2 ln ((Т1 +Т2)/2 То ) - ln (Т1/То) – ln/Т2/То)] = - G cp То ln= - G cp То ln (Т). Величина Т всегда меньше 1, поэтому ΔE > 0 . Критерием совершенства процессов в ТА является его эксергический к.п.д. . Причем ΔEТА = ΣEотвод – ΣEподв. Потери ΣЕ уменьшаются с увеличением скоростей движения потоков и площади поверхности теплопередачи F, вследствие снижения разности температур между теплоносителями. Гидравлические потери и, следовательно, ΔEр, напротив, в этих условиях возрастают. Качественная характеристика зависимостей оказывается такой, что оптимумы и ΔEТА в общем случае могут не совпадать (для систем из многих ТА, т.к. стоимость потерь эксергии зависит от места расположения элемента в системе). Лекция № 8 Методы экономической оценки вариантов технических решений для выбора наилучшего варианта Окончательный выбор того или иного технического решения, обеспечивающего экономию энергоресурсов, выполняется по результатам экономических расчетов. В отечественной и зарубежной практике используют два метода оценки вариантов при их технико-экономических сравнениях: - по сроку окупаемости дополнительных капитальных вложений; - по приведенным затратам. 1. Сравнение вариантов по сроку окупаемости. Метод используется при сопоставлении двух альтернативных вариантов, например, традиционного и энергосберегающего. Первый вариант имеет меньшие капитальные вложения, а второй – меньшие эксплуатационные затраты. Экономически более выгодный вариант выявляется по величине срока окупаемости дополнительных капитальных вложений , где К1, К2 – капитальные вложения по сравниваемым вариантам 1 и 2, руб; Э1 и Э2 – эксплуатационные расходы (издержки) по сравниваемым вариантам, руб/год. Если срок окупаемости меньше предельной величины о , то целесообразно осуществлять энергосберегающий вариант 2, который характеризуется большими капитальными вложениями (К2 > К1) и меньшими эксплуатационными расходами (Э2 <Э1, за счет экономии энергоресурсов). В противном случае, при > , применение энергосберегающего варианта нецелесообразно. Предельный срок окупаемости о определяется из условия простой капитализации денежных средств. Пусть денежные средства в количестве ΔК рублей капитализированы на о лет под Z процентов годовых. По истечении о лет конечный капитал составит ΔК(1+Z)τ0 - здесь учитывается начисление % на %. Продолжительность капитализации денежных средств , по истечении которой начальный капитал полностью окупится за счет начисления процентов, можно определить из уравнения , откуда получаем (1+Z)= 2 или, логарифмируя, имеем , 2. Сравнение вариантов по приведенным затратам. Если число рассматриваемых вариантов более 3-5, то используют метод приведенных затрат. В общем случае интегральные приведенные затраты на сооружение и эксплуатацию технических систем, объектов и установок определяются по формуле: , где - начальный год строительства объекта, - конечный год строительства объекта; - срок службы объекта, лет; К – капитальные вложения в сооружение объекта в - году, руб; - расходы на эксплуатацию объекта в - году, руб; - коэффициент приведения затрат, распределенных во времени, к базисному году (год начала строительства). Значения коэффициента определяются по формуле =1/(1+Z), где - расчетный год, затраты которого приводятся к базисному; Z – норма дисконта, равная приемлемой для инвестора норме дохода на капитал. При отсутствии необходимой информации норма дисконта принимается равной процентной ставке банковских кредитов. Видно, что чем отдаленнее период реализации денежных средств , тем меньше коэффициент , тем меньшую величину капитальных затрат и эксплуатационных издержек необходимо учитывать при исчислении приведенных затрат. Деньги, которые предстоит потратить в - ом году могут быть капитализированы, а значит, приносить прибыль в течении лет, которая частично окупит предстоящие затраты. Если сооружение объекта осуществляется в течении одного года, а затем он выходит на проектную мощность с постоянным уровнем эксплуатационных издержек Э, то выражение для интегральных приведенных затрат примет вид: . Комплекс Υ представляет собой сумму членов геометрической прогрессии без единицы и определяется по формуле Υ=. Т.о., имеем Зн =К+ΥЭ. Параметр Υ называется дисконтирующим множителем. Он представляет собой приведенный период эксплуатации объекта с учетом окупаемости разновременных затрат (срок окупаемости). Если разделить интегральные приведенные затраты на дисконтирующий множитель, получим годовые приведенные затраты З = где а – коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; а=1/Υ=. В частном случае при (а практически уже через 25 – 30 лет) а и уравнение для З принимает вид З=ZК+Э, где Z – процентная ставка банковского кредита. Оптимальный (наиболее эффективный) вариант технического решения определяется из условия: Зн = min или З = min. Оптимальное термическое сопротивление теплоизолирующего слоя плоской стенки Рассмотрим многослойную стенку аппарата на которую требуется установить слой тепловой изоляции. С увеличением термического сопротивления Rт =,м2∙К/Вт слоя теплоизоляции возрастают капитальные вложения в сооружение ограждающих конструкций. Вместе с тем, снижаются теплопотери Qпот в окружающую среду, а значит расход энергии на аппарат. Используя зависимость для годовых приведенных затрат З = а К + Э, руб/год, найдем наиболее экономически выгодное значение Rт (оптимальное значение). Толщина слоя теплоизоляции , где - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м∙К). В анализе будем учитывать переменную часть капитальных вложений в 1м2 стенки ограждений, связанную с применением толщины слоя теплоизоляции, которую определим формулой К = Ст , где Ст – сметная стоимость теплоизоляции, руб/м3. Эксплуатационные расходы примем равными стоимости теплоты, теряемой через 1м2 стены. Тогда Э = , где tв – температура среды внутри аппарата, tн – температура среды снаружи аппарата; - продолжительность работы за год, ч/год; СQ – удельная стоимость тепловой энергии, руб/(Вт∙ч); Rо – полное термическое сопротивление стены, м2∙К/Вт; Rо = . Годовые приведенные затраты З = а Ст . Для нахождения оптимального термического сопротивления Rт возьмем первую производную от функции затрат и приравняем ее нулю , откуда получим , (м2∙К)/Вт. Отсюда , м. 3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Лекция № 9 Вид и состав топлива Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сгорании значительное количество теплоты и используемое как источник получения энергии. Горючие вещества, т.е. вещества способные при повышенных температурах реагировать с кислородом воздуха с выделением большого количества тепла, достаточно распространены и могут встречаться в трех агрегатных состояниях: - твердые (дерево, торф, уголь и т.д.); - жидкие (нефть, мазут, бензин и т.д.); - газообразные (природный газ, коксовый газ и т.д.). Топливо может быть естественное (природное) искусственное, т.е. получаемое в технологических процессах. Основными компонентами газового топлива являются: CH4 ;С2Н6; С2Н4 ; С3Н8; С4Н10; С5Н12 ; Н2S ; Н2 и др. Природный газ в основном состоит из метана СН4 – до 98% объемных, количество бутана С4Н10 и высших углеводородов зависит от месторождения и обычно не превышает 0,5% об. Более «тяжелый» попутный нефтяной газ имеет похожий состав, однако количество метана в нем несколько меньше – 60 ÷90% об., а содержание бутана и высших углеводородов может достигать 3÷5% об. К газам естественного происхождения относится природный и попутный нефтяной; искусственные – сжиженный газ, получаемый при переработке нефти для бытовых целей в составе: 50% пропана и 50% бутана, (температуры кипения при 0,1 МПа: tsпропан = -44,5 оC; ) , а зимой -75% и 25% соответственно), коксовый и доменный, содержащие как углеводороды, так и СО, Н2, генераторный газ, биогаз, получаемый при брожении отходов растениеводства и животноводства. Небольшой ферментатор для индивидуального потребителя представляет собой следующее устройство. Это тепло- и гидроизолированная яма с гидрозатвором, заполненная влажным сырьем (влажность 88-94%), с плавающим в ней колоколом-аккумулятором для вывода газа. Ферментатора размерами 2х2х1,5 м вполне достаточно по производительности для работы двух бытовых газовых горелок. Сырье загружается порциями, по крайней мере 1 раз в сутки. Получающийся газ состоит в основном из метана и диоксида углерода с небольшими количествами сероводорода, азота и водорода. Его сжигание (учитывая более высокую эффективность горения газа) дает не меньше энергии, чем непосредственное сжигание кизяка. Получающиеся в процессе ферментации жидкие отходы используются в качестве высококачественного удобрения , содержащего вдвое больше связанного азота, чем исходное сырье. Анаэробное сбраживания отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решать чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами, путем превращения их в биогаз (≈1 м3 в сутки на 1 ед. крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения. Состав газообразного топлива определяют с помощью приборов, называемых газоанализаторами , и выражают в %. Состав сухого газа (без учета паров воды): СН4+С2Н4+СО+СО2 +С3Н8+С4Н10 +N2+Н2+Н2S+ … = 100%. Негорючие компоненты СО2, N2, О2 и пары воды являются балластом. Из горючих компонентов нежелательным, вредным, является сероводород Н2S – тяжелый газ с неприятным запахом, обладает высокой токсичностью. При наличии в газе Н2S активно идут процессы коррозии в газопроводах и в оборудовании. На газовых промыслах осуществляют очистку добываемого газа от Н2S. В отличие от газового топлива, состав которого можно легко определить с помощью существующих методов анализа, компонентный состав твердого и жидкого топлива сложен и обычно неизвестен. Поэтому его характеризуют массовым содержанием образующих элементов, определяемых в результате элементного анализа. Основными элементами твердого и жидкого топлива являются углерод С, водород Н, кислород О, азот N и сера S, которые образуют многочисленные сложные химические соединения. Состав топлива в том виде, в каком он поступает к потребителю называется рабочим составом: Ср+Нр+Ор+Nр+Sр+Ар+Wр = 100%, где Ар – зольность топлива, состоящая из смеси минеральных соединений, которые остаются после сгорания топлива; определяется прокалкой твердого топлива при 800-825 оС и жидкого при 500 оС до достижения постоянного веса; Wр – влажность топлива, определяется высушиванием топлива (доведением до постоянного веса) при 105-110 оС. Влажность играет отрицательную роль, т.к. часть теплоты сгорания топлива будет расходоваться на испарение воды. Поэтому по мере возможности топливо предварительно сушат за счет бросовых источников теплоты. Сумма Ар+Wр является негорючей частью топлива и называется внешним балластом, т.к. зола и влага не связаны химически с горючими веществами и в принципе могут быть удалены. Напротив, содержащийся в составе топлива кислород и не участвующий в горении азот называются внутренним балластом топлива. Кроме рабочего состава топлива различают сухой состав топлива Сс + Нс + Ос + Nс + Sс + Ас = 100% и беззольно-сухой (горючий) состав топлива Сг + Нг + Ог + Nг + Sг = 100%. Важным параметром, определяющим качество топлива является выход летучих – Vг. Чем выше выход летучих, тем легче топливо зажечь и тем стабильнее оно будет гореть. Выход летучих измеряется в массовых процентах на сухое беззольное состояние топлива после его прокалки при 850 оС в течение 7 минут. Таким образом, «летучие» - это легкие углеводороды, которые испаряются из топлива или образуются при крекинге углеводородов топлива. К природным твердым топливам относят: дрова, торф, бурый уголь, сланцы, каменный уголь, антрацит. Кроме древесины, топлива являются продуктами разложения органической массы в древности и от торфа к антрациту возраст топлива увеличивается. С увеличением возраста твердого топлива количество углерода увеличивается с 40% у древесины до 93% у антрацита, количество водорода уменьшается с 6 до 2%, а количество кислорода уменьшается с 42% до 2%, соответственно. При этом количество летучего остатка, т.е. способность топлива к зажиганию и стабильному горению, снижается с 85-90% у древесины до 3-4% у антрацита (поэтому древесина легко зажигается и стабильно горит). Количество золы определяется условиями образования топлива и способом его добычи. Ценность угля, кроме того, определяется возможностью его ококсования (кокс-топливо, содержащее более 97% углерода), т.к. кокс широко используется в металлургии и др. отраслях. Жидкие топлива являются продуктами переработки нефти при температуре до 300-370 оС. Сначала из нефти выделяется около 1% сжиженного газа, а затем остаток разделяют на бензиновую, керосиновую и дизельную фракции. Жидкий остаток с температурой кипения более 350-370 оС называется мазутом, может использоваться как топливо, а может перерабатываться далее. Обычно глубина переработки нефти определяется техническими и экономическими параметрами. Состав мазута сильно зависит от состава нефти, однако в среднем его состав следующий: Ср=84-86%; Нр=10-12%; Sр=0,5-4,5%; Ар=0,1-0,3%; Wр<1,5%. Лекция № 10 Теплота сгорания топлива Теплота сгорания топлива – это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг массы, твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива (при нормальных физических условиях – м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Разберем эти понятия более подробно. Образующиеся при горении топлива дымовые газы содержат водяные пары (до 20%), образовавшиеся в результате окисления кислородом воздуха углеводородов. Температура точки росы дымовых газов (температура начала конденсации воды) составляет 55-65 оС. Если дымовые газы охладить ниже температуры точки росы, то часть водяных паров будет конденсироваться. При конденсации водяных паров будет выделяться значительное количество тепла (до 2,5 МДж/кг конденсата), равное теплоте испарения воды при заданной температуре. Так как большинство топливоиспользующих установок выбрасывает дымовые газы с температурой более 100 оС, то нет необходимости учитывать теплоту конденсации. Поэтому теплота, выделяющаяся при горении топлива (теплота экзотермической реакции окисления) при условии, что содержащиеся в дымовых газах водяные пары не конденсируются, называется низшей теплотой сгорания топлива . Для твердого топлива низшая теплота сгорания может быть рассчитана по эмпирическому уравнению Менделеева =0,339 Ср + 1,03 Нр – 0,109 (Ор-Sр) – 0,025 Wр, МДж/кг. Для газовых топлив расчет ведется по сумме тепловых эффектов реакций горения и составу топлива (% объемн.): =0,358СН4+0,637С2Н6+0,912С3Н8+0,59С2Н4+1,19С4Н10+1,126СО+0,11Н2+ +0,234Н2S, МДж/м3. Высшая теплота сгорания топлива (МДж/кг или МДж/м3) учитывает не только теплоту горения, но и теплоту полной конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах, т.е. это сумма низшей теплоты сгорания и теплоты конденсации водяных паров Расчеты показывают, что за счет конденсации водяных паров из дымовых газов, в зависимости от состава топлива, его энергетической ценности и глубины конденсации можно получить до 10-15% тепла дополнительно. В России принято использовать в расчетах , а в США и Англии . Поэтому в России может быть так, что при охлаждении дымовых газов ниже точки росы (идет конденсация водяного пара) коэффициент использования тепла топлива (КПД) окажется выше 100%. Использование более физично, т.к. расчеты тепловых балансов теплотехнологических агрегатов будут полностью соответствовать стандартным расчетам тепловых балансов в химической технологии. Для сравнения энергетической ценности различных видов топлива и для экономических расчетов используется понятие – условное топливо. Количество топлива в пересчете на условное принято измерять в тоннах условного топлива (т у.т). Теплота сгорания 1 кг условного топлива Qусл принята 29,35 МДж/кг или 7000 ккал/кг. Пересчет расхода В любого топлива на расход условного топлива Вусл можно осуществить по формуле Вусл = В /Qусл . Количество воздуха, необходимого для горения Каким бы сложным ни был состав углеводородного топлива, при его полном сгорании углерод окисляется до СО2, водород – до Н2О, сера- до SО2. Формально полное окисление серы соответствует образованию SО3, однако при топочных температурах SО3 практически не образуется. Окислителем обычно служит воздух. Количество его должно быть достаточным для полного сгорания всех горючих элементов. Балансовые уравнения, показывающие исходные и конечные состояния участвующих в реакциях компонентов, называются стехиометрическими. В соответствии со стехиометрическим уравнением реакции горения водорода Н2 +0,5 О2 = Н2О на 2 кг, т.е. на 1 кмоль водорода необходимо затратить 16 кг (0,5 кмоль) кислорода, при этом образуется 18 кг водяного пара. Аналогично из реакций С+О2=СО2 ; S+О2=SО2 следует, что на 12 кг углерода и 32 кг серы нужно затратить по 32 кг кислорода, при этом получается соответственно 44 кг СО2 и 64 кг SО2. Следовательно, для полного сгорания 1 кг углерода теоретически требуется затратить 2,67 кг кислорода, а 1 кг серы и водорода соответственно 1 и 8 кг кислорода. Часть необходимого кислорода, равная 0,01 Ор кг/кг, содержится в топливе, остальное в количестве М=0,01(2,67 Ср+8 Нр+Sр -Ор) нужно подать с воздухом. Плотность кислорода в нормальных условиях равна 1,43 кг/м3 (молекулярную массу 32 делить на объем 1 киломоля, т.е. 32/22,4 = 1,43), содержание кислорода в сухом воздухе составляет по объему 0,21. Следовательно, объем воздуха (приведенный к нормальным условиям), теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг топлива, равен Vо= Поскольку в реакции горения (окисления) топлива в равной мере участвуют как горючие элементы (топливо), так и кислород (воздух), то теплоту реакции (теплота сгорания топлива) можно отнести и к единице массы воздуха. Расчеты показывают, что отнесенная к единице полностью прореагировавшего воздуха теплота сгорания различных топлив несколько различается, однако в среднем ее можно принять равной 3,8 МДж на 1 м3 (нормальные условия) действительно прореагировавшего воздуха. Эта цифра удобна для приближенных расчетов, обеспечивающих точность в пределах 10-15%. Поэтому для оценочных расчетов можно принять Vо= Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку приходится подавать больше воздуха, чем необходимо теоретически. Отношение количества воздуха Vв, действительно поданного в топку, к теоретически необходимому Vо называется коэффициентом избытка воздуха . При нормальной организации топочного процесса причем чем совершеннее топка и лучше горелочные устройства, тем меньше приходится подавать «лишнего» воздуха. В лучших топочных устройствах в плохих – до 1,3÷1,5. Лекция № 11 Объемы и состав продуктов сгорания топлива При проектировании теплотехнических агрегатов нужно знать количество образующихся при горении топлива газов, чтобы правильно рассчитать газоходы, дымовую трубу, выбрать устройство (дымосос) для удаления этих газов и т.д. Как правило, количества продуктов сгорания (как и подаваемого воздуха) относят на единицу количества топлива (на 1 кг для твердого и жидкого и на 1 м3 в нормальных условиях для газа). Их рассчитывают исходя из уравнений материального баланса горения компонентов топлива. Для грубых оценок можно считать, что в нормальных условиях объем продуктов сгорания Vг твердого и жидкого топлив равен объему воздуха Vв, а газообразного топлива Vв+1, ибо объем основной составляющей дымовых газов – азота, так же как и «избыточного» кислорода, при горении не меняется. В реакциях С+О2 = СО2 и S+О2 = SО2 объем газов тоже остается постоянным. Для более точных расчетов необходимо все же учитывать, что при сжигании твердого топлива Vг >Vв (обычно на 15÷ 25%), прежде всего из-за испарения содержащейся в нем влаги, а также из-за образования водяного пара при сгорании водородсодержащих соединений. При полном сгорании топлива Vг = VRО2 +VН2О +0,79Vо +0,21 , где 0,21 (-1) – избыточный кислород воздуха, «транзитом» проходящий в продукты сгорания, 0,79 Vо – азот воздуха, также проходящий «транзитом» (азотом топлива пренебрегаем); - объем сухих трехатомных продуктов сгорания. Поскольку при сгорании 1 кмоля углерода и серы (соответственно 12 и 32 кг) по реакциям окисления образуется по 1 кмолю СО2 и SО2, а объем 1 кмоля идеального газа в нормальных условиях равен 22,4 м3 , то объем трехатомных продуктов сгорания, м3/кг, можно записать При сгорании 1 кг водорода по реакции Н2+0,5О2=Н2О , образуется 9 кг водяного пара, кроме того, испаряется и влага топлива. В идеально – газовом приближении плотность водяного пара в нормальных условиях равна 18/22,4=0,805 кг/м3. Водяным паром, содержащимся в воздухе (около 10г на 1м3), можно пренебречь. Следовательно, Для всех топлив бывшего СССР значения Vо , V рассчитаны и приведены в справочной литературе. Зная величины абсолютного содержания компонентов в продуктах сгорания можно рассчитать их относительное содержание, например концентрация кислорода , водяного пара и т.д. Очевидно, что где n – число компонентов. Энтальпия продуктов сгорания. Н-t диаграмма. Температура горения топлива В соответствии с первым законом термодинамики, количество теплоты, отдаваемой потоком газов в теплообменнике, равно разности энтальпий газов до и после теплообменника. Поэтому основой тепловых расчетов топливоиспользующих устройств является энтальпия продуктов сгорания, которую принято рассчитывать на единицу количества топлива, из которого получились эти продукты, т.е. Нг=Vг, где t – температура, оС; средняя в диапазоне температур 0÷ t , оС теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, отнесенная к единице их объема в нормальных условиях, Дж/(м3∙К). Энтальпия Нг измеряется в Дж/кг топлива или Дж/м3 топлива. Удельная (отнесенная к 1м3 в нормальных условиях) теплоемкость дымовых газов чуть больше, чем воздуха, поскольку вместо двухатомного кислорода в них появляются более теплоемкие трехатомные CО2 и Н2О, однако разница не превышает 5-10%. Как и у всех газов, теплоемкость продуктов сгорания заметно возрастает с температурой. Для более точных расчетов ее можно найти по составу смеси газов: где и ri – удельные (на единицу объема) теплоемкости и объемные концентрации компонентов. Поскольку объем продуктов сгорания Vг увеличивается с увеличением , то их энтальпия Нг при этом также увеличивается. Расчеты теплообменников удобно выполнять с помощью Н-t диаграммы, представляющей собой ряд линий, дающих зависимость энтальпии продуктов сгорания Нг от их температуры при разных значениях . Для каждого конкретного топлива диаграмма будет своя. Пример. Продукты сгорания природного газа из газопровода Бухара-Урал. При заданном и произвольных t рассчитывается Нг=Vг t и затем строится кривая Нг = f (t ). Прежде всего, по Н-t диаграмме можно определить температуру, которую имели бы продукты сгорания топлива при условии, что вся теплота горения затрачивается только на их нагрев, а теплопотери отсутствуют. Эта температура называется адиабатной, поскольку горение осуществляется в адиабатно-изолированной системе, без теплопотерь. Если продуктов неполного сгорания нет, теплота из зоны горения не отводится и сжигание организовано в потоке (практически при р = const), то по первому закону термодинамики количество выделяющейся при сгорании теплоты равно энтальпии продуктов сгорания: Если температура воздуха tв.т и топлива tтл на входе в топку равны нулю, то их энтальпии Нв.т = hтл = 0 и Откладывая на Н-t диаграмме значение Нг= найдем на пересечении с кривой, построенной для выбранного значения , соответствующую адиабатную температуру. Например, значениям =1,25 и соответствует точка на диаграмме с значением tа = 1700 оС. Адиабатная температура будет максимальной для стехиометрической смеси, т.е. для =1. Она называется теоретической температурой tт. На диаграмме значение tт = 2000 оС. С увеличением в продуктах сгорания появляется «лишний» воздух, на нагрев которого также затрачивается теплота, поэтому адиабатная температура уменьшается. Действительная температура оказывается тем ниже адиабатной, чем больше теплопотери (в основном излучением) из зоны горения на холодные стены топки и в окружающую среду, и обычно отличается от нее на 20÷25%. При нагреве воздуха или обогащения его кислородом адиабатная температура увеличивается. В процессе сгорания топлива в топочной камере теплота может передаваться конвекцией и излучением нагреваемому материалу в печах или охлаждающим поверхностям в котлах. В результате газы охлаждаются, их энтальпия снижается. Этот процесс на диаграмме Н-t изображается линией = соnst. Например, при охлаждении в топке продуктов сгорания до 1100 оС и неизменном коэффициенте избытка воздуха =1,25 их энтальпия снижается до 22,5 МДж/м3. Теплота, отдаваемая продуктами сгорания Qг =топлива), где и - энтальпии газов соответственно до и после теплообменника. Это уравнение теплового баланса служит основой для расчета всех теплообменных поверхностей. Очень часто для удаления продуктов сгорания из агрегата их отсасывают, т.е. они движутся в агрегате под разрежением. Через неплотности в стенах агрегата к ним может подсасываться атмосферный воздух. Пусть коэффициент избытка воздуха увеличится при этом от 1,25 до 1,5 (0,25). Энтальпия газов при этом не изменится, поскольку энтальпия подсасываемого холодного воздуха близка к нулю. Следовательно, подмешивание (присос) холодного воздуха к продуктам сгорания изобразится в Н-t диаграмме горизонтальной линией Нг = const. В нашем примере газы охлаждаются за счет присосов с1100 оС до 950 оС. Чем больше присосы, тем меньше окажется разность энтальпий при той же разности температур, поэтому из-за присосов через неплотности в газоходах, когда газ движется под разрежением, экономичность теплообменника снижается так же, как и из-за утечек части горючего газа через те же неплотности, когда газ движется по газоходу под давлением. Лекция №12 Основы расчета и основные параметры топочных устройств Рассмотрим основные принципы организации процессов горения топлива применительно к топкам промышленных печей и котлов. Паровой котел служит для производства из воды пара с давлением выше атмосферного. Водогрейный котел предназначен для нагрева воды. Т.о., в котле выделяющаяся при сгорании топлива теплота передается воде и пару. Печь предназначается для нагрева, плавления, сушки, прокалки, т.е. для термической обработки различных материалов. В печах теплота передается обрабатываемому материалу (металлу, сырью, нефти, изделиям и т.д.). В обоих случаях имеется часть установки, где в ней за счет сжигания топлива получается теплота. Это топочная камера или топка. Иногда применяют выносные топки, где получают продукты сгорания для использования вне топки. Выносными топками являются камеры сгорания газотурбинных установок, реактивных двигателей и т.д. Чаще всего топка используется не только для сжигания топлива, но и для передачи части теплоты воде, пару ( в котлах) и нагреваемому материалу (в печах). Это существенно усложняет создание общей методики расчета. В общем случае тепловой расчет любого агрегата базируется на уравнении его теплового баланса, которое составляется путем приравнивания потоков входящей в агрегат и выходящей из него теплоты. Рассмотрим в качестве примера тепловой баланс топки водогрейного котла. Большая часть выделяющей в топке теплоты передается воде, которая движется в трубах, размещенных по стенам топки. Это – полезно использованная теплота Qпол. Часть теплоты затрачивается на увеличение энтальпии продуктов сгорания; (грубо говоря, на нагрев воздуха, подаваемого в топку) до Нп.с. . В продуктах сгорания могут содержаться недогоревшие газы (СО, Н2, СН4 и т.д.). Теплота, которую могли бы дать эти газы, если бы они химически прореагировали с кислородом, называется химическим недожогом Qхим.. При сжигании твердого топлива из топки могут удаляться с золой или шлаком твердые недогоревшие частицы, которые легко отделить от газа механически. Они образуют так называемый механический недожог Qмех. Наконец часть теплоты Qст всегда теряется через стенки топки, несмотря на то, что они делаются из теплоизоляционного материала. Чтобы составить баланс агрегата, нужно условно выделить его из системы связанных с ним агрегатов и устройств и рассмотреть потоки входящие и выходящие через границы выделенного контура. Выходящие потоки Qпол. , Hп.с. ,Qхим., Qмех., и Qст обозначаются соответственно Q1, Q2, Q3, Q4 и Q5. В топочной технике все составляющие теплового баланса принято относить на единицу количества подаваемого топлива. Входные потоки: , энтальпия топлива hт.л и воздуха Нв.т . Приравнивая входные и выходные потоки имеем Q + hтл + Hв.т= Qпол + Hп.с + Qхим + Qмех + Qст . Часто топочные потери выражают в процентах от теплоты сгорания топлива: q2=Нп.с∙100/ ; q3 =100∙Qхим / ; q4=100 Qмех/ ; q5=100∙Qст/. При проектировании топочных устройств значения q3 , q4 , q5 обычно задают на основании нормативов, полученных из практики эксплуатации аналогичных устройств. Одним из основных показателей топки является теплонапряжение топочного объема qv , т.е. отношение количества выделяющейся при сгорании топлива теплоты к объему топки qv = В/Vт , кВт/м3, где В – расход топлива; Vт – объем топки. Оптимальное значение qv ≈140÷460 кВт/м3 и зависит от конструкции топки, качества топлива и способа его сжигания. При увеличении qv растут q3 и q4 . При сжигании природного газа в печах qv доходит до 0,6 ÷1,2 МВт/м3, при этом =1,05÷1,3, а q3 ≈1÷1,3%. В авиационных реактивных двигателях, где сжигается специальное жидкое топливо, величина qv, приведенная к атмосферному давлению, составляет 30÷180 МВт/м3, а в форсажных – до 300 МВт/м3. Здесь очень важно уменьшать объем камер сгорания, поэтому идут на то, что в форсажных камерах q3 доходит до 5 – 10%. Для слоевых топок на твердом топливе важным параметром является количество теплоты, выделяющейся на единице площади поддерживающей решетки («зеркала горения») и теплонапряжение зеркала горения слоя: qR = В/R, кВт/м2, где R – площадь колосниковой решетки, м2. Оптимальные значения qR лежат в пределах 900÷3000 кВт/м2 и зависят от вида топлива и типа топки. Расчет топки сводится к определению ее размеров, т.е. VТ и R, температуры газов на выходе. Значения qV и qR выбирают такими, чтобы обеспечить не только полное горение, но и охлаждение продуктов сгорания до нужной температуры. Объем топки VТ =QВ/qv ,м3, площадь поперечного сечения R =QВ/qR ,м2. Температуру газов на выходе из топки рассчитывают по уравнению теплового баланса, найдя из него Нп.с и далее t = Нп.с/(VгС). При этом, предварительно, по соответствующим нормативам выбираются значения qхим и qмех и по уравнению теплопередачи находится Qст и qст. Лекция № 13 Факельные топки Предназначены для сжигания пылевидного топлива с размером частиц до 0,1 мм. Пылинки увлекаются потоком газа и при вертикальной скорости газа менее 10 м/с они успевают полностью сгореть на высоте котла (десятки метров в современных котлах). Факельная топка это такая же камерная топка как и для сжигания газа и жидкого топлива, т.е. является универсальной по топливу. Их можно создать на любую большую мощность. Поэтому камерные топки доминируют в энергетике. Мощность менее 20 МВт не реализуют из-за неустойчивости горения. Топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в потоке воздуха в топочную камеру через пылеугольные горелки. Количество первичного воздуха должно быть достаточным для сжигания летучих. Оно составляет от 15-25% всего количества воздуха для углей с малым выходом летучих (антрацит) до 20-50% для топлив с большим их выходом (бурые угли). Остальной необходимый для горения воздух (его называют вторичным) подают в топку отдельно и перемешивают с пылью угля в процессе горения. Для стабилизации горения используется подсос больших количеств распыленных газов из ядра факела к устью горелки за счет разрежения за стабилизатором. Теплонапряжение объема в пылеугольных топках обычно составляет 150-175 кВт/м3, увеличиваясь в небольших топках до 250 кВт/м3. При хорошем перемешивании топлива с воздухом принимается = 1,2÷1,25 , qмех = 0,5 ÷ 6% (большие цифры – при сжигании антрацита в небольших топках); qхим = 0 ÷ 1%. В камерных топках удается после дополнительного размола сжигать отходы углей, образующиеся при их обогащении на коксохимических заводах (пром. продукт), коксовые отсевы и еще более мелкий коксовый шлам. Циклонные топки Частицы топлива с dт 5 мм. Воздух подают по касательной к образующей циклона со скоростью до 100 м/с. Создается в топке мощный вихрь и температура доходит до 2000 оС. Зола угля плавится, жидкий шлак стекает по стенкам. По ряду причин от таких топок в энергетике отказались, и сейчас они используются в качестве технологических – для сжигания серы с целью получения SО2 в производстве Н2SО4, обжига руд и т.д. Иногда в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т.е. выжигание содержащихся в них вредностей за счет подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива. Топки с кипящим слоем Средний размер частиц топлива 2-3 мм. Рабочая скорость псевдоожижения w = (2 ÷3) w = 1,5 ÷ 4 м/с. Топка по конструкции похожа на слоевую. В слое поддерживается температура 850-950 оС за счет размещения в нем труб с циркулирующим рабочим телом (водой) или подачей значительно больше воздуха в слой, чем это нужно для полного сжигания, устанавливая 2. Топливо устойчиво горит при его содержании в кипящем слое, составляющем 1% и менее; остальные 99% с лишним – зола. Значителен недожог с уносом мелких частиц потоком газа из слоя. Достоинство: при низкой температуре в слое резко уменьшается выход вредных газовых компонентов ( NО2, SО2) в продуктах сгорания. Топки с кипящим слоем широко используются для обжига различных руд и их концентратов (серный колчедан, цинковые, медные, никелевые руды и т.д. Применяются для огневого обезвреживания (т.е. сжигания) различных вредных отходов производства (твердых, жидких и газообразных) – шламов осветления сточных вод, мусора и т.п. Лекция № 14 Сжигание газообразного топлива и отходов производства В топку можно подавать горячий газ и воздух раздельными потоками или предварительно их смешивать и подавать одним потоком. Сжигание предварительно подготовленной смеси называется кинетическим, т.к. оно определяется только кинетикой реакции горения. В соответствии с законом Аррениуса (1889г.) скорость реакции сильно (по экспоненте) возрастает с температурой, поэтому при высоких температурах, обычных для топочных камер, такая смесь будет сгорать с огромной скоростью, за ничтожно малое время. Она может взорваться от электрической искры (как в ДВС), при проскоке пламени через горелку из топки и просто при нагреве до определенной температуры, называемой температурой самовоспламенения. Ее значения для некоторых газов в смеси с воздухом: газ Н2 СО СН4 С2Н2 t, оС 580-590 644-658 650-750 406-440 Не всякую смесь можно поджечь даже от постороннего источника. Различают нижний (>1, бедная смесь) и верхний (<1, богатая смесь) концентрационные границы зажигания. Вне этих пределов смесь невозможно зажечь, т.е. она пожаро- и взрывобезопасна. Предельные объемные концентрации топлива в смеси с воздухом, %: метан пропан водород пары бензина нижняя граница зажигания -5; – 2; – 4,1; – 2,4. стехнометрическая смесь - 9,5 ; - 4; - 29,6; - верхняя граница зажигания - 15 ; - 9,5; - 75; - 4,9. Учитывая взрывоопасность готовой смеси, в промышленных установках предпочитают без особой необходимости не иметь с нею дела, подавая горючий газ отдельно от воздуха. Горение в этом случае называют диффузионным, поскольку скорость его сгорания определяется интенсивностью смешения компонентов, осуществляемого в конечном счете путем взаимной диффузии. Диффузия является медленным процессом, поэтому факел горения получается много длиннее, чем факел подготовленной смеси. Устройства для ввода газа и воздуха в топку, смешения потоков до начала горения или в самом процессе горения и для стабилизации факела называются горелками. Под стабилизацией понимается создание условий, обеспечивающих надежное горение факела без погасаний, пульсаций или отрыва от горелки. Обычно это достигается путем создания такого аэродинамического режима, при котором образующиеся при сгорании раскаленные продукты непрерывно подмешиваются к свежей топливо-воздушной смеси, обеспечивая ее зажигание. По принципу смесеобразования газовые горелки можно разделить на две большие группы: инжекционные и с принудительной подачей воздуха. В инжекционной горелке газ с избыточным давлением в несколько килопаскалей, вытекая из сопла в смеситель, подсасывает из окружающей среды нужное количество воздуха и смешивается с ним. При изменении тепловой мощности горелки, т.е. расхода газа, соотношение газ-воздух, т.е. коэффициент избытка воздуха , остается приблизительно постоянным. Для его изменения при настройке горелки находят и устанавливают положение заслонки или шайбы регулируемого сопротивления. В крупных печах, и особенно в котельных топках, чаще используют горелки с принудительной подачей воздуха. Распространены горелки типа ГНП (горелка низкого давления природного газа). Природный газ с избыточным давлением до 8 кПа (оно уменьшается при снижении мощности горелки) вытекает из газового насадка, имеющего одно или несколько отверстий. Подаваемый вентилятором воздух закручивается лопастным завихрителем и перемешивается с газом. При розжиге горелки факел поджигают электрическим запальником или другим поджигающим устройством. После этого стабилизация горения обеспечивается поджиганием топливо-воздушной смеси раскаленными продуктами сгорания, которые подсасываются к устью горелки вследствие разрежения по оси, возникающего из-за вращения потока. Номинальная мощность горелок ГНП достигает 1 МВт. Газовые горелки устанавливают обычно на стенах, иногда на потолке или на поду печи, представляющей собой камеру, форма которой определяется ее назначением. В ряде технологических процессов образуются горючие газы, содержащие к тому же вредные вещества, которые нельзя выбрасывать в атмосферу. Эти отходы можно разделить на две группы. В первую входят газы с теплотой сгорания МДж/м3 (коксовый и доменный газы, отбросные сероводородные газы нефтепереработки и т.д.). Их сжигают так же, как и природный, но при низких желательно предварительно подогревать воздух, а иногда и сам газ и использовать специальные горелки. Газы, у которых < 3 МДж/м3 (вентиляционные выбросы сушильных и других аппаратов, содержащие пары органических растворителей, например толуола, и т.д.), по существу не являются горючими, а многие из них содержат и кислород, что делает их взрывоопасными и исключает их подогрев. В этом случае применяют их огневое обезвреживание, сжигая в топке вместе с основным топливом. Вентиляционные выбросы, т.е. воздух, содержащий пары растворителя или горючую токсичную пыль (например, на дрожжевых заводах), часто используют просто в качестве дутьевого воздуха в топках. При этом исключается загрязнение атмосферного воздуха и используется теплота сгорания выбросов. Лекция № 15 Сжигание жидкого топлива Для быстрого и полного сжигания жидкого топлива требуется мелкий распыл, хорошее перемешивание с окислителем и надежная стабилизация горения. Для распыливания жидкого топлива и жидких отходов производства применяют механические, пневматические и ротационные форсунки. В механических жидкость под давлением 2,5-3,5 МПа продавливается сквозь небольшие отверстия, вытекает из отверстий с большой скоростью и распадается на мелкие капли. Перед форсункой топливо должно быть очищено от механических примесей, иначе отверстия форсунки будут забиты. Если трудно обеспечить надежную счистку топлива, применяют пневматические форсунки, в которых топливо (обычно мазут) распыливается струей воздуха (реже – пара). Первую совершенную форсунку такого типа создал в 1877г. выдающийся инженер В.Г.Шухов ( в то время он был студентом 3-го курса). Она применяется до сих пор, хотя впоследствии были созданы более совершенные конструкции, основанные на этом же принципе. В форсунке воздух или пар высокого давления (обычно 0,4-0,8 МПа), вытекает из сопла со сверхзвуковой скоростью, подхватывает и интенсивно распыляет струйки предварительно подогретого до 100-140 оС мазута , подаваемого примерно под таким же, как и распыливающий агент, давлением, и выбрасывает образующийся туман в топку. Расход распыливающего агента составляет 0,5-1 кг на 1 кг мазута. Форсунку устанавливают в горелке, через которую подается закрученный в завихрителе воздух. Конструкции горелок отличаются большим разнообразием. В ротационной форсунке имеется тщательно отполированный изнутри конусный стакан, который вращается вместе с полым валом с частотой 5000-7000 об/мин. Подогретый мазут через центральную трубку подается на внутреннюю поверхность стакана, распределяется по ней тонким слоем и разбрызгивается, стекая с края стакана под действием центробежной силы. Попадая в поток воздуха, проходящего через лопаточный завихритель, пленка топлива распадается на мельчайшие капли, выносится в топочный объем и там воспламеняется. Вал со стаканом вращается в подшипниках от электродвигателя. Иногда на этом же валу располагают и вентилятор для нагнетания воздуха. Достоинства: хороший распыл в широком диапазоне изменения нагрузки – от 100 до 10%; не требуется тонкой очистки топлива. Более экономичны механические форсунки. Жидкое топливо сжигают в камерных топках, конструкции которых практически не отличаются от топок для газа. Сжигание горючих жидких отходов различных производств (серы, смолы и т.д.) организуют примерно так же, как и мазута, но обычно с меньшим теплонапряжением объема qv (qv < 300 кВт/м3). Выбирают из интервала 1,1 ÷1,35. В топочной технике широко применяют комбинированные горелки, позволяющие одновременно сжигать различные топлива. Например, для котлов, работающих на газе, обязательно предусматривают запас резервного топлива – чаще всего мазута, а в их топках устанавливают газомазутные горелки, представляющие собой газовые горелки со встроенными мазутными форсунками. Лекция № 16 Сжигание твердого топлива Кусочки твердого топлива, попадая в топку и нагреваясь, выделяют горючие газы и пары смол (так называемые летучие), которые, смешиваясь с воздухом, сгорают интенсивно, как обычное газообразное топливо. Поэтому сжигание топлив с большим выходом летучих (дрова, торф, сланец) не вызывает затруднений, если, конечно. содержание балласта в них (влажность и зольность) не настолько велико, чтобы стать препятствием для получения нужной для горения температуры. Время сгорания топлива со средним (бурые и каменные угли) и небольшим (тощие угли и антрациты) выходом летучих практически определяется скоростью реакции на поверхности коксового остатка, образующегося после выделения летучих. Сгорание этого остатка обеспечивает и выделение основного количества теплоты. Скорость реакции горения твердого кокса (почти чистого углерода после выхода летучих) зависит почти целиком от доставки кислорода к поверхности горящей частицы путем массообмена и диффузии. Интенсифицировать горение в этом режиме можно только путем интенсификации подвода реагента к поверхности топливной частицы. В разных топках это достигается различными методами. Наиболее простыми и исторически первыми являются слоевые топки. Твердое топливо, загруженное слоем определенной толщины на распределительную решетку, поджигается и продувается (чаще снизу вверх) воздухом, фильтруясь между кусочками топлива, он теряет кислород и обогащается оксидами углерода СО2 и СО вследствие горения угля. Зона, в пределах которой практически полностью исчезает кислород, называется кислородной; ее высота составляет два-три диаметра кусков топлива. Если высота слоя больше, чем кислородной зоны, то за кислородной следует восстановительная зона, в которой идут только реакции СО2 + С = 2СО и Н2О + С = СО + Н2. В результате концентрация выходящих из слоя горючих газов увеличивается по мере увеличения его высоты. В слоевых топках высоту слоя стараются держать равной высоте кислородной зоны или больше ее. Для дожигания продуктов неполного сгорания (Н2 , СО), выходящих из слоя, а также для дожигания выносимой из него пыли, в топочный объем над слоем подают дополнительный воздух (острое дутье). В промышленности применяют полностью механизированные топки с пневмомеханическими забрасывателями топлива и цепной решеткой – транспортной лентой, имеющей привод через «звездочку» от электродвигателя. Ротор пневмомеханического забрасывателя вращается с частотой 500-1000 об/мин. Скорость движения колосниковой решетки около 15 м/ч. Основными потерями в слоевых топках являются потери от механического недожога, достигающие 13%. Оптимальный размер кусков угля 25-50 мм. Этому размеру кусков соответствует скорость газа в слое w = 1,5 ÷ 2,5 м/с при t = 1200 оС (wн = 0,3 ÷0,5 м/с) и значение qR = 1 ÷ 1,5 МВт/м2. Из-за неравномерной высоты слоя коэффициент избытка воздуха приходится держать довольно высоким - = 1,3 ÷ 1,4, тогда qмех = 0,5 ÷ 1%. Областью применения слоевых топок являются небольшие котлы и печи мощностью до 70 МВт. Преимущества слоевых топок: простота эксплуатации; отсутствие углеразмольных устройств; возможность устойчивой (без погасания) работы в широком диапазоне нагрузок. Их недостатком является прежде всего небольшая производительность, поскольку площадь топок даже с цепными решетками не превышает 50 м2. Не удается сжечь топливо с очень высокой зольностью и влажностью. 4. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ Лекция № 17 К энерготехнологическим агрегатам относится производственное оборудование, где используется тепловая и иные формы энергии для получения технологического продукта или работы, а также происходит преобразование различных форм энергии. Это котлы, печи, реакторы, турбины, теплообменники и т.д. Рассмотрим некоторые виды такого оборудования. Развитие конструкций, устройство и работа паровых котлов Прародителем паровых котлов является цилиндрический котел. Он состоит из горизонтальной цилиндрической емкости , которая в дальнейшем стала называться барабаном котла, и топки . Стенки барабана котла омываются продуктами сгорания топлива и работают как поверхность теплопередачи. Для повышения производительности котла, температуры и давления получаемого пара поверхности барабана было недостаточно для обеспечения необходимой интенсивности теплопередачи. Поэтому совершенствование котлов шло по двум путям: 1) помещение топки и поверхностей теплообмена внутри барабана, при этом в больших трубах происходило горение топлива (жаровые трубы), а по малым проходили продукты сгорания (дымогарные трубы); 2) увеличение количества барабанов, с постепенным уменьшением их диаметра (батарейные котлы), что привело к замене барабанов небольшого диаметра на трубы (водотрубные котлы). При дальнейшем повышении параметров вырабатываемого пара и развития техники наиболее технологичными и выгодными оказались водотрубные котлы. Обычно водотрубный котел имеет два барабана - нижний и верхний. Нижний барабан предназначен для распределения воды по трубам кипятильного (испарительного) пучка, а верхний – для сепарации пара из двухфазной парожидкостной смеси, поступающей из кипятильных труб. Между верхним и нижним барабанами осуществляется естественная циркуляция воды за счет разности плотностей среды в опускных трубах ( в них вода с 103 кг/м3) и смеси воды с паром в обогреваемых газами кипятильных трубах (< 800 кг/м3). Движущей силой циркуляции будет напор ΔРдв = Нп ( - х 9,81, Па, где Нп – высота паросодержащего участка, т.е. расстояния от места закипания жидкости в кипятильных трубах до места входа труб в барабан. Естественная циркуляция осуществляется при условии Рдв = Σ Рпот , где Σ Рпот – сумма всех гидравлических сопротивлений циркуляционного контура. Скорость воды при входе в обогреваемые кипятильные трубы обычно составляет 0,6 ÷1,5 м/с. Отношение количества G жидкости циркулирующей в контуре к количеству образующегося пара D называется кратностью циркуляции и меняется в широких пределах, достигая 100. Для предотвращения возможности образования большого количества пара в опускных трубах они делаются большого диаметра и помещаются в зону более низких температур. В современных конструкциях котлов опускные трубы вообще проходят за пределами теплоизоляции, на поверхности наружных сторон стен. Для увеличения КПД котлы снабжаются экономайзером, в которых подогревается питательная вода теплом отходящих дымовых газов. С дальнейшим развитием техники повышение тепловых нагрузок на топку привело к тому, что испарительные поверхности были вынуждены располагать по стенам топки для защиты их от излучения, перегрева и разрушения. По принципу работы данные поверхности стали называться экранными. При увеличении размеров испарительных поверхностей теплопередачи относительное количество переданного тепла от нижнего и верхнего барабанов стало незначительным, поэтому для увеличения надежности котла верхний барабан вынесли из зоны обогрева, а нижний барабан превратился в распределительный коллектор. Тем не менее, в настоящее время встречаются устаревшие, но надежно работающие конструкции котлов, где верхний барабан частично помещен в зону нагрева, а размеры нижнего коллектора приближаются к размерам барабана. Когда были созданы паровые турбины, то для них потребовался пар с температурой выше температуры насыщения (перегретый). В котлах появился новый элемент – пароперегреватель. Сейчас существует много схем и конструкций котлов, вырабатывающих перегретый пар. Современный энергетический котел с естественной циркуляцией, вырабатывающий перегретый пар, состоит из топки, барабана, пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя и системы трубопроводов высокого давления. Внутри топки находится горелка и испарительные (экранные) поверхности нагрева. Предварительно очищенная от солей жесткости и растворенного кислорода (деминерализованная) питательная вода подается на предварительный подогрев в экономайзер, где она подогревается, либо доводится до температуры кипения или даже может частично испаряться. После экономайзера вода или пароводяная смесь подается в барабан котла. В барабан также поступает пароводяная смесь из испарительных труб. Уровень жидкой фазы и давление в барабане поддерживается автоматикой или вручную за счет изменения расхода питательной воды и количества сжигаемого топлива. Основной функцией барабана котла является сепарация жидкой и паровой фаз, т.е. в барабане поддерживаются условия парожидкостного равновесия: жидкость при температуре кипения и насыщенный пар. Из барабана котла вода подается по опускным трубам в коллектора и далее поступает в испарительные трубы . Сухой насыщенный пар из верхней части барабана может подаваться либо потребителю насыщенного пара, либо сначала в пароперегреватель, где сухой насыщенный пар перейдет в состояние перегретого пара, а затем потребителю перегретого пара. Кроме котлов с естественной циркуляцией существуют котлы с принудительной циркуляцией. Здесь используются испарительные трубы меньшего диаметра, чем в котлах с естественной циркуляцией, что позволяет увеличить удельную теплопроизводительность котла. Кроме того, при принудительной циркуляции снижается доля паровой фазы в испарительных трубах за счет увеличения скорости потока воды, что уменьшает термические сопротивления теплопередаче и гидравлические удары в трубах и увеличивает срок их службы. Заводами страны выпускаются типовые котлы различных конструкций и размеров. Некоторые в собранном виде можно перевозить на автомобиле. Крупные энергетические котлы имеют паропроизводительность до 4000 т/ч, а мощность питающейся от них турбины может доходить до 1200 МВт, давление пара до 25 МПа, температура перегретого пара – до 560 оС. В промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве широко распространены вертикально-водотрубные котлы ДКВР производства Бийского котельного завода. Они двухбарабанные, с естественной циркуляцией и экранированной топочной камерой. Типоразмеры котлов ДКВР имеют производительность от 2,5 до 20 т/ч насыщенного или перегретого пара при давлении 1,4; 2,35; 3,9 МПа и температуре до 440 оС. Котлы являются унифицированными, транспортабельными и поставляются заказчику: малые – в собранном виде; повышенной производительности – тремя крупными блоками. Температура уходящих газов из котла может достигать 400 оС. Поэтому за котлом часто устанавливают экономайзер либо трубчатый воздухоподогреватель. Это позволяет поднять КПД котла до 90,5%. В последние годы начали выпускать газомазутные котлы серии ДЕ производительностью от 4 до 25,5 т/ч пара, имеющие несколько лучшие показатели, чем котлы ДКВР. Все тепловоспринимающие элементы котла являются типичными теплообменниками и их расчет проводится с использованием уравнений теплопередачи и теплового баланса. Площадь поверхности нагрева рассчитывается по уравнению теплопередачи F = ВрQ/(кΔtср), где к – коэффициент теплопередачи; Δtср – среднелогарифмическая разность температур продуктов сгорания и рабочей среды; ВрQ – количество воспринятой теплоты. Особенность расчета котлов состоит в том, что его принято осуществлять для 1 кг твердого и жидкого и 1 м3 газообразного топлива. В этом случае Q – теплота, отданная продуктами сгорания одного кг (м3) топлива и равна разности энтальпий продуктов сгорания до (Н’ ) и после (Н”) рассматриваемой конвективной поверхности нагрева, т.е. Q = Н’ – Н”. Под Вр понимается расчетный расход топлива, т.е. его количество, действительно сгоревшее в топке. Это же количество теплоты передается в данной поверхности рабочему телу (воде, пару, воздуху): ВрQ= D(hвых-hвх), где D – расход рабочего тела; hвх и hвых - энтальпии рабочего тела на входе в поверхность нагрева и выходе из нее, рассчитанные, как обычно, на 1 кг рабочего тела. Лекция № 18 Водогрейные котлы, их температурные режимы Предназначены для нагрева воды с целью отопления и использования ее для бытовых нужд. В них нет барабанов и в целом конструкция значительно проще, чем паровых котлов. Насосом вода прокачивается через секции поверхностей нагрева, где получает тепло от продуктов сгорания топлива. Воду тепловой сети обычно подогревают от 70-104 оС до 150-170оС. В последнее время имеется тенденция к повышению ее температуры до 180-220 оС. Столь высокий уровень нагрева воды позволяет передать потребителю достаточно большое количество теплоты относительно малым расходом воды. Котлы обычно работают по прямоточной схеме с постоянным расходом воды, а количество передаваемой теплоты регулируется ( в зависимости от погодных условий) температурой ее нагрева. Во избежании конденсации водяных паров из уходящих газов и связанной с этим наружной коррозии поверхностей нагрева, температура воды на входе в котел должна быть выше точки росы для продуктов сгорания. В этом случае температура стенок труб в месте ввода воды также будет не ниже точки росы. Поэтому температура воды на входе не должна быть ниже 60 оС при работе на природном газе, 70 оС при работе на малосернистом мазуте и 110 оС при использовании высокосернистого мазута. Поскольку в теплосети вода может охлаждаться до температуры ниже 60 оС, перед входом в агрегат к ней подмешивается некоторое количество уже нагретой в котле (прямой) воды. Котлы-утилизаторы Для использования теплоты отходящих газов различных технологических установок, в том числе и печей, применяют котлы-утилизаторы, вырабатывающие, как правило, пар. При высоких температурах газов (более 900оС) эти котлы снабжаются радиационными (экранными) поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычный паровой котел, только вместо топки имеется радиационная камера, в которую снизу входят газы. Воздухоподогреватель отсутствует, если нет необходимости в горячем воздухе для нужд производства. Газы сначала охлаждаются в радиационной камере, как в топке «обычного» котла. Большой свободный объем этой камеры позволяет иметь повышенную толщину излучающего слоя и, как следствие, повышенную степень черноты газов. Поэтому здесь преобладает передача теплоты излучением. Если отходящий из технологических установок газ не содержит горючих компонентов, то такой котел горелочных устройств не имеет. Эти котлы работают с естественной или принудительной циркуляцией и имеют практически все элементы «обычных» котлов. При конструировании котлов, использующих тепловые отходы, следует учитывать содержащие в греющих газах агрессивные компоненты, например сернистые газы, поступающие из печей обжига серосодержащего сырья. При наличии в подводимых к котлу технологических газах горючих составляющих организуется их предварительное дожигание в радиационной камере, которая в этом случае фактически превращается в топку. При температурах газов ниже 900оС в котлах-утилизаторах обычно используются только конвективные поверхности нагрева. Эти агрегаты радиационной камеры не имеют, а целиком выполняются из змеевиков. Промышленностью выпускаются различные типы котлов-утилизаторов. Для химической промышленности наиболее крупный производитель котлов Белгородский котельный завод. Выпускаемый этим заводом котел-утилизатор КУ-40 пропускает 40 тыс. м3/ч газа (при нормальных условиях). Дымогарные трубы расположены внутри барабана, змеевиковый паропрегреватель установлен в подводящем газоходе. Материал барабана-сталь 20К, а дымогарных труб-сталь 20. Циркуляция воды в межтрубном пространстве естественная. Температура газа на входе 650÷850оС. Лекция № 19 Тепловой баланс парового котла и его КПД Обычно тепловой баланс составляют на 1 кг твердого или жидкого, либо на 1м3 газообразного топлива, взятый при нормальных условиях. Пренебрегая физической теплотой топлива и холодного воздуха, можно считать Qприх. . Часть теплоты, затрачиваемая на подогрев, испарение воды и перегрев пара, составляет использованную теплоту Q1, остальное – потери. В итоге уравнение теплового баланса котла будет иметь вид = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 , где Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 – потери теплоты соответственно с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от механического газоходов. В процентах от располагаемой теплоты тепловой баланс может быть записан так: 100 = q1 + q2 + q3 + q4 +q5. КПД котла брутто (так называют КПД, подсчитанный без учета затрат энергии на собственные нужды) или ). Теплота Q1, воспринятая водой и паром в котле, может быть определена по уравнению , где D – выход пара, кг/с; hпе и hп.в и энтальпии перегретого пара и питательной воды. Из записанных формул для расчета расхода топлива следует В=D(hпе - hп.в)/( ). Величина здесь взята в долях единицы. При расчетах проектируемого котла значение определяют с учетом рекомендаций из «Нормы теплового расчета котлов» по величинам потерь , разработанным на основе многократных испытаний котлов в условиях, аналогичным проектным. Современные котлы являются довольно совершенными агрегатами; их КПД превышает 90%. Действие рабочего тела на лопатки Первыми машинами, преобразующими энергию пара в работу, являлись поршневые машины паровозов и пароходов, работающие на насыщенном паре. С повышением мощности силовых установок транспортных средств использование пара привело к очень большим размерам и массе силовых установок. При этом нужно было возить еще и паровой котел. Поэтому на транспортных средствах паровые двигатели были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, а для стационарных объектов широко используются паровые турбины. В химической промышленности паровые и газовые турбины часто применяют в качестве привода технологических турбокомпрессоров или турбонасосов. Пар для турбин может производиться в самой технологической схеме за счет ВЭР, а газовые турбины работают на технологических и сбросных газах имеющих повышенное давление и температуру. Турбомашина (турбина) является двигателем, в котором теплота рабочего тела – пара и газа – последовательно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую энергию. Вытекающий из сопла поток рабочего тела, обладающий значительной кинетической энергией, действует на лопатки с силой, которая зависит от формы их поверхности. Расчеты по уравнению количества движения при заданной скорости истечения со и расхода рабочего тела m позволяют определить наиболее выгодную схему взаимодействия струи рабочего с лопатками. Получено, что лучшим вариантом является такой, когда струя газа, вытекающего из неподвижного сопла, подается на лопатки, изогнутые под некоторым углам к плоскости вращение диска с лопатками. По конструктивным соображениям в турбинах этот угол не удается сделать меньше 11-16о ( в ряде случаев его принимают равным 20-30о). Данный принцип действия потока на поверхности различных форм называется активным, в отличие от реактивного, когда сила создается за счет реакции струи, вытекающей из сопла. Реактивная сила, приложенная к цилиндру, направлена согласно третьему закону Ньютону в сторону, противоположную истечению газов. С такой же силой действует струя на поверхность при активном принципе. Но при реактивном способе конструкция теплового двигателя получается более рациональной, так как совмещаются сопловой и двигательный аппараты. Лекция № 20 Паровые турбины Турбины, в которых весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление рабочего тела не меняется), называются активными или турбинами равного давления. В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло (или группу сопл), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки . Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих лопаток вращают диск и связанный с ним вал. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называется ротором. Один ряд сопл, расположенных по окружности, и один диск с рабочими лопатками составляют ступень. Приращение кинетической энергии на выходе из сопла можно определить по выражению, вытекающему из 1-го закона термодинамики (, где Соhо – скорость и энтальпия потока перед соплом; - теоретическая скорость и энтальпия потока на выходе из сопла. Если принять, что перед соплами скорость Со=0, получим где hт - располагаемый теплоперепад, соответствующий скорости С1т. В реальных условиях в результате трения и завихрений потока часть кинетической энергии направленного движения молекул превращается в энергию неупорядоченного движения молекул, что повышает энтальпию рабочего тела за соплом, уменьшает располагаемый теплоперепад и скорость потока: С1= , где - коэффициент скорости сопла, для сопловых аппаратов современных турбин =0,95÷0,98. В химической промышленности применяются в основном активные турбины низкого давления (0,12-0,25 МПа), среднего давления (около 4 МПа) и высокого давления (6-13 МПа) с температурой свежего пара до 530оС. Первая одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883г. Пар с начальным давлением Ро подается в систему сопел статора (неподвижный диск с лопатками образующими сопла, имеющими сужающееся проходное сечение) и на выходе приобретает значительную скорость С1 за счет падения давления пара до Рвых. Со скоростью С, пар поступает на лопатки рабочего колеса, закрепленного на валу. Силовое воздействие пара на лопатки приводит к вращению вала. Для предотвращения утечек пара высокого давления в местах прохождения вала через кожух турбины и статор установлены специальные лабиринтные уплотнения. Одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми. Ступени разделены диафрагмами с круговыми системами сопел. Общий перепад давления равномерно распределяется между ступенями. Так как объем пара при G1 (кг/с)= соnst по мере падения давления увеличивается, то размер сопел в диафрагмах, лопаток и проточной части корпуса должны увеличиваться от ступени к ступени. Современные мощные турбины выполняются с определенной степенью реактивности. В них расширение рабочего тела происходит не только в сопловых каналах, но и на рабочих лопатках. Это позволяет изготавливать сопла в диафрагмах из таких же лопаток, что и на рабочих дисках. Только длина лопаток изменяется в соответствии с увеличением объема вещества рабочего тела по мере понижения его давления. КПД современных турбин =0,7÷0,87. Паровые стационарные турбины выпускаются мощностью от 2,5 до 1600 МВт на параметры свежего пара Ро=3,4 ÷23,5 МПа и tо =435÷565оС. Мощность турбины определяется величиной расхода и разностью энтальпий пара до и после турбины. Энтальпия пара h = f (t, Р). Величина hо на входе ограничена прочностью и термостойкостью металла при создании котлов, т.е. уровнем развития техники, а hвых на выходе ограничена параметрами окружающей среды. Если турбина имеет давление пара на выходе выше 1 атм, т.е. температура пара на выходе выше 100оС, то она называется турбиной с противодавлением. Если пар, выходящий из турбины, направляется в конденсатор, где конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде, которое далее рассеивается с помощью градирни или иного устройства в окружающей среде, тогда турбина называется конденсационной. Обычно температура конденсации пара в конденсаторе 27-35оС при температуре охлаждающей воды 20-25оС. Температура конденсации пара соответствует давлению 0,003÷0,005 МПа. Это является пределом снижения давления за турбиной и повышения степени использования тепловой энергии пара. Мощность на валу N=D(hо-hвых) , кВт, где D – кг/с (расход пара); h- кДж/кг. Лекция № 21 Газотурбинные установки (ГТУ) По принципу работы газовые турбины практически не отличаются от паровых, т.е. все процессы и их математическое описание – идентичны. Отличие заключается только в рабочем теле, режимах работы турбины и в том, что часть работы турбины расходуется на сжатие воздуха, который используется для горения топлива и разбавления продуктов сгорания. Газовые турбины позволяют развить высокую удельную мощность, они меньше и проще паровых турбин. Их можно быстро запустить в работу. Используют для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах, как привод на судах, для компрессоров при перекачке природного газа по магистральным линиям, для насосов при перекачке нефти, как двигатели в самолетах и т.п. Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используют природный газ или хорошо очищенные искусственные газы, а также специальное газотурбинное жидкое топливо. Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Огневой объем камеры разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при температуре ≈ 2000оС, и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивается воздух для снижения их температуры до 750-1090оС. Коэффициент избытка воздуха на выходе камеры сгорания достигает 5-10. В связи с отбором части мощности турбины на привод компрессора, КПД ГТУ не превышает 27÷37%. Единичная мощность установки достигает сейчас 100 МВт. С повышением температуры газов на входе в турбину до 1200оС мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД до 38-40%. В технологических схемах химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и металлургических заводов ГТУ работают в базовом режиме нагрузки и предназначены чаще всего для привода компрессора, обеспечивающего технологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате самого технологического процесса. При работе газовой турбины температура отработанных дымовых газов на ее выходе для стационарных ГТУ может достигать 350-450оС, поэтому тепло газов нужно использовать. Возможные пути следующие: - установка за турбиной котла-утилизатора; - подогрев воды системы отопления или питательной воды парового котла; - подогрев сжатого воздуха после компрессора турбины; - подача выхлопных газов турбины в горелки котла или установка в потоке горячих газов дополнительной камеры сгорания, необходимой для повышения температуры с последующим использованием потока газов в котле-утилизаторе. Лекция № 22 Теплонасосные установки Теплонасосными установками (ТНУ) или тепловыми насосами (ТН) называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплопотребления. Основное назначение этих установок состоит в использовании сбросной теплоты (тепловых отходов производства), а также теплоты окружающей среды. В обычных теплообменниках теплота передается только от более нагретого потока к менее нагретому, т.е. в сторону уменьшения температуры. Если отвлечься от затрат мощности на передвижение потоков теплоносителей (привод насосов, вентиляторов), эта передача теплоты в теплообменнике происходит самопроизвольно, без затрат работы. В ТНУ теплота передается от более холодного к более нагретому потоку (в сторону увеличения температуры), но такая передача возможна только при затрате работы. Применение ТНУ возможно как для теплоснабжения жилых помещений и общественных зданий, так и для производственных процессов. ТНУ позволяют использовать энергию более эффективно, чем при любом другом способе обогрева и восстанавливать сбросную энергию. Этим определяется их важная роль в сохранении энергоресурсов и сокращения загрязнения окружающей среды. В настоящее время используются следующие группы ТНУ: компрессионные (паровые), струйные (эжекторного типа) и абсорбционные. Компрессионные ТНУ Могут работать по замкнутому и по разомкнутому циклам. В ТНУ с замкнутым циклом в результате подвода низкопотенциальной теплоты qпн = h1 - hн от источника в испарителе происходит кипение рабочего агента при давлении Рпн и температуре Тпн. Пары поступают в компрессор, где сжимаются до давления Рпв, температура паров повышается. На повышение давления затрачивается работа lпв = h1 - h2. Затем пары охлаждаются и конденсируются в конденсаторе при постоянных давлении Рпв и температуре конденсации Тпв. При охлаждении и конденсации выделяется теплота qпв = h3 – h2 , отбираемая потребителем теплоты. Конденсат проходит через дроссель – вентиль. В процессе дросселирования энтальпия остается постоянной h4 = h3 , давление и температура понижаются до Рпн и Тпн. Цикл замыкается. Как и для всякого цикла lц = qц . В циклах, работающих в области перегретого пара (газа), вместо дроссель-вентиля может быть установлена расширительная машина (турбина или детандер), тогда работа цикла складывается из работы lпв и работы, отводимой от расширительной машины lпм, lц = lпв + lпн . Все остальные процессы и формулы остаются теми же, что приведены для цикла с дроссель-вентилем. ТНУ, работающая по замкнутому циклу, принципиально ничем не отличается от парокомпрессионной холодильной машины. Однако присоединение потребителей в холодильной установке (ХУ) и ТНУ осуществляется по разному. В схемах ХУ потребитель холода присоединен к испарителю, а в ТНУ потребитель теплоты подсоединен к конденсатору. Основной термодинамической характеристикой ТНУ является коэффициент преобразования (коэффициент трансформации), который есть отношение количества теплоты, отданной потребителю, к затраченной в цикле работе . Так как величины qпв и lц всегда отрицательны, то коэффициент преобразования имеет знак плюс. Всегда >1. Теплота qпв = lц - qпн , или в абсолютных величинах |qпв| = |lц| + |qпн|, т.е. по абсолютной величине | qпв | всегда больше |qпн|. Таким образом, в ТНУ потребитель получает теплоты больше, чем при любом другом способе обогрева. Применение ТНУ считается выгодным, если отношение Тпв/Тпн ≈1. В этом случае ТНУ расходует в 2 ÷2,5 раза меньше энергии на единицу выработанного тепла, чем установка с непосредственным электрообогревом у тепловых потребителей. Если бы ТНУ работала по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования . Из этого выражения видно, что чем меньше разница между Тпн и Тпв , тем выше . Например, если Тпн= (20+273) К и Тпв=(120+273) К, т.е. Тпв/ Тпн = 1,3, то = 4; если Тпн=(20+273) К и Тпв = (250 + 273) К, т.е. Тпв/ Тпн = 1,8, то = 2. Системы оборотного водоснабжения круглый год имеют температуру +20 ÷ +30оС и их можно считать основными источниками теплоты для ТНУ. Сбросную теплоту процессов выпаривания, сушки, перегонки, а также вентиляционных выбросов целесообразно утилизировать, применяя ТНУ, так как во всех этих случаях Тпв/Тпн ≈1. Величину неудобно использовать для сравнения теплонасосных установок с разными температурами подвода низкопотенциальной теплоты и разными температурами отпуска теплоты потребителю. Для этих целей используется эксергетический КПД = епв/евх , где епв, где епв – эксергия теплового потока в конденсаторе, евх – подведенная эксергия, необходимая для работы ТНУ; епв = qпв (1-Тос/Тпв); евх = ец. В результате . Для цикла Карно, если Тпн = Тос ,то =1. Рабочие агенты ТНУ должны обладать низкой температурой кипения при давлении близком к атмосферному, малым удельным объемом, большой теплотой парообразования, иметь высокую температуру конденсации при невысоких давлениях, быть нетоксичными, не вызывать коррозии, иметь низкую стоимость. В качестве рабочих агентов ТНУ применяются фреоны, вода, и др. В настоящее время разрабатываются и внедряются озонобезопасные фреоны. Теплоотдатчиком (источником теплоты) в испарителе могут быть: наружный воздух, вода естественных веществ, грунт, ВЭР. Лекция № 23 Компрессионные ТНУ с разомкнутым циклом В ТНУ с разомкнутым циклом испарение рабочего агента и его конденсация совмещены в одном технологическом аппарате. Схема ТНУ значительно упрощается. Такие ТНУ обычно называются термокомпрессорами. Они применяются для повышения параметров входящего пара или технологического продукта (т.е. рабочим агентом является вода или технологическая жидкость), а также с целью утилизации теплоты в процессах выпаривания, ректификации, для концентрирования сточных вод и т.п. В конденсатор-испаритель ТНУ подается поток жидкости, который частично испаряется, образуются пары при давлении Рпн и температуре Тпн. На испарение потребляется теплота qпн = h1 – h4. Пары сжимаются компрессором от давления Рпн до давления Рпв , при этом затрачивается работа lкм = h1 – h2. При охлаждении паров до температуры конденсации Тпв и их конденсации, выделяется теплота qпв = h3 – h2 . Этот процесс происходит в конденсаторе-испарителе, в котором теплота конденсации пара передается на образование пара из потока жидкости. Из цикла выводится конденсат. Поток, оставшийся после испарения пара из жидкости , выводится из влагоотделителя. Материальный баланс цикла: m4 = m5 + m1 , где m4 и m5 – массовые расходы потоков; m1 – расход пара, m1 = m2 = m3 ; пар m1 является рабочим агентом цикла. Все остальные расчетные формулы остаются такими же, как для замкнутого цикла. При любой схеме (замкнутой, разомкнутой) компрессионного ТН с тепловой мощностью до 400 кВт наиболее распространены поршневые компрессоры. В более мощных ТНУ применяются винтовые, центробежные и осевые компрессоры. Центробежные и осевые компрессоры применяются при расходах выше 0,2 м3/с. Эти типы компрессоров чувствительны к попаданию влаги в проточную часть и их КПД сильно уменьшается при уменьшении нагрузки. Винтовые компрессоры широко используются для сжатия двухфазных сред и обладают хорошим объемным и адиабатным КПД в диапазоне от 50 до 100% максимальной нагрузки. Расход и мощность в этом типе компрессора пропорциональны скорости вращения винтов, поэтому ее изменение есть наиболее эффективный метод регулирования расхода. Винтовой компрессор может применяться при расходах пара до 10 м3/с. Отношение давлений в одноступенчатой машине достигает 7, в двухступенчатой 14. Винтовой компрессор имеет ряд характеристик, которые делают его очень удобным для применения в ТНУ. У него низкая скорость и безударное течение потока вдоль ротора. В нем можно сжимать двухфазные системы без опасности повреждения компрессора. При больших отношениях давлений это позволит не применять промежуточного охлаждения, так как теплота, которая уходит на нагрев однофазного потока, в этом случае уходит на испарение жидкой фазы. Это приближает процесс сжатия к изотермному, и, следовательно, уменьшается работа сжатия, т.е. наиболее эффективным является сжатие именно влажного пара. Приводом компрессора может служить электродвигатель, газовая турбина или двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Привод от электродвигателя является распространенным, что объясняется его дешевизной, простотой в эксплуатации и высокой надежностью. Вместе с тем, электродвигатель менее эффективен по первичной энергии. Газовая турбина имеет относительно небольшие размеры для своей мощности, но имеет высокую стоимость. При нагрузке ниже 20-25% от максимальной мощности, КПД турбины резко уменьшается, т.е. она не может применяться в установке с большим диапазоном изменения нагрузок. При использовании в качестве привода ДВС появляется возможность использовать теплоту воды, нагретой в охлаждающем контуре двигателя и теплоту выхлопных газов. Компрессионные тепловые насосы имеют сравнительно высокий КПД и небольшие габариты. Недостатком их является дороговизна и сложность изготовления, а также большие расходы механической энергии при значительном повышении давления. Область применения этих ТНУ - установки большой производительности с небольшим повышением давления. Применение компрессионных ТНУ в нашей стране сдерживается отсутствием компрессоров для сжатия паров и высокой стоимостью эл. энергии по отношению к цене энергии первичного топлива. За рубежом ТНУ широко используются в системах тепло- и хладоснабжения, в технологических процессах. Лекция № 24 Пароэжекторные ТНУ Работают только по замкнутой схеме. В паровых эжекторах с помощью водяного пара высокого давления происходит сжатие инжектируемого (подсасываемого) потока до необходимых давления и температуры. Отношение давлений на выходе и входе в эжектор находится в пределах от 1,2 до 4. Пароэжекторные (струйные) компрессоры (ТНУ) просты в изготовлении и в обслуживании, компактны и дешевы. К недостатком относится низкий КПД (около 20 ÷25%), который ухудшается при работе компрессора в режимах, отличных от расчетного. Струйный компрессор может быть простым эжектором без диффузора или же иметь диффузор. В диффузоре происходит снижение скорости потока и переход его кинетической энергии в потенциальную, что приводит к повышению давления потока. Составим энергетический баланс камеры смешения. Приход энергии: 1) кинетическая энергия эжектирующей среды , Вт; 2) кинетическая энергия эжектируемой среды . Расход энергии: 1) кинетическая энергия смеси (m1+m2) , Вт; 2) работа, затраченная на повышение давления эжектируемой среды - , Вт ; 3) потеря кинетической энергии при ударе за счет уменьшения скорости эжектирующей среды – m1 Вт ; 4) потери кинетической энергии при ударе за счет увеличения скорости эжектируемой среды – m2 . Приравнивая обе части энергетического баланса, получим основное расчетное уравнение струйного нагнетателя: При расчетах обычно эта формула служит для определения скорости или необходимого давления эжектирующей среды Р2. Если известно Р2 и , то по данной формуле определяют величину Р3 и , задаваясь одной из них. При наличии диффузора прирост давления в нем , Па, где - КПД диффузора (= 0,8 ÷0,85). Диаметры сечений нагнетателя определяют по расчетным скоростям и расходам. Длину диффузии находят по формуле , где - угол конусности диффузора (= 5 ÷ 700). Для работы струйного нагнетателя большое значение имеет расстояние от сопла до камеры смешения l. В первом приближении l=(2÷3) d1, где d1 – диаметр выходного сечения сопла. При конструктивном выполнении эжектора рекомендуется предусмотреть возможность изменения этого расстояния при наладке устройства. Рекомендуется принимать отношение площадей сечения камеры смешения и выходного сечения сопла В этом случае диаметр камеры смешения , а ее длина L= (4 ÷6 ) Dсм. КПД эжектора без диффузии = 0, 1÷ 0,15 и = 0,25 ÷0,3 при наличии диффузора. Для идеального пароструйного эжектора (отсутствуют потери на трение) энергетический баланс: m1 h1 + m2 h2 = ( m1 + m2 ) hcм , где h1, h2 и hсм - энтальпии сред. Запишем это уравнение в виде h2 + h1 m1/ m2 = hсм (1+m1/ m2). Отношение m1/ m2 = u – называется коэффициентом инжекции и является одной из основных характеристик струйного нагнетателя. Тогда уравнение энергетического баланса примет вид h2 + h1u= hсм (1+u). Отсюда . Из-за наличия потерь коэффициент инжекции в действительном пароструйном компрессоре меньше, чем в идеальном. Лекция № 25 Воздушные ТНУ Рабочий агент – воздух. Известны две модификации воздушных ТНУ: с положительным циклом и с отрицательным циклом. В ТНУ с положительным циклом (Брайтона) воздух засасывается компрессором, сжимается с повышением температуры, охлаждается в теплообменнике при постоянном давлении и расширяется в турбине (турбодетандере). Поскольку Т4< Т1, в дальнейшем выброшенный холодный воздух нагревается до состояния Т1 за счет теплоты атмосферного воздуха или каких-либо охлаждаемых объектов, т.е. цикл замыкается условно. Так как турбина размещена на одном валу с компрессором, она возвращает на вал часть мощности, затраченной на привод компрессора. Такой ТН целесообразно применять, например, в конвективных сушильных установках. Коэффициент преобразования для такой установки , где Qат – теплота, отдаваемая в теплообменнике, Nкм и Nат - мощности компрессора и детандера. Чем выше уровень совершенства детандера и компрессора, тем выше . В настоящее время, когда КПД осевых многоступенчатых компрессоров составляет 0,9, а турбодетандеров 0,92, для многих установок коэффициент преобразования > 2. В данном цикле давление воздуха повышается от атмосферного до давления сжатия в компрессоре (положительный цикл). Возможна другая модификация, когда воздух будет поступать в детандер, охлаждаться при расширении и сжиматься в компрессоре до атмосферного давления. Это - отрицательный цикл, который по предложению В.Томсона (Кельвина) в 1852г. положил начало тепловым насосом. В настоящее время развитие воздушных детандеров привело к существенному прогрессу в КПД этих машин. Кроме того, широкое развитие получили контактные воздухонагреватели, в которых холодный атмосферный воздух нагревается за счет непосредственного контакта с водой. Такие установки целесообразны во всех случаях отопления, совмещенного с вентиляцией, применяемого для производственных помещений. В ТНУ с отрицательным циклом атмосферный воздух (например, с температурой t1 = -10оС) поступает в детандер. После расширения холодный воздух (например, с температурой t2 = -15оС) подается в подогреватель (теплообменный аппарат), где нагревается, например, сточными водами до t3 = + 6оС. Нагретый воздух сжимается компрессором до атмосферного давления, его температура при этом повышается до значения, необходимого для целей отопления и вентиляции, например до t4 = + 18С. В данной схеме заданными считаются температуры и давление атмосферного воздуха и воздуха, подаваемого в систему отопления, температура воды и температурный напор между воздухом и водой на выходе из теплообменника. Тогда, если пренебречь гидравлическим сопротивлением теплообменника, давление воздуха на выходе из детандера Р2 = Р4/ (Т4/Т3), где Р2 и Р4 - давление на выходе из детандера и компрессора; Т4 и Т3 - температуры воздуха на выходе и на входе в компрессор , К; к – показатель адиабаты; - КПД компрессора. В свою очередь Т3 =Тос – Δt, где Тос – температура воды, подаваемой из окружающей среды, или используемых ВЭР; Δt – разность температур между водой и воздухом на выходе из теплообменника, К. Температура воздуха на выходе из детандера Т2= Т1 , где Р1 – давление воздуха на входе в детандер; Т1 и Т2 – температуры воздуха на входе и выходе из детандера, К; - КПД детандера. Коэффициент преобразования такой установки , где Q- теплота, полученная в тепловом насосе; Н4 и Н1 – энтальпии потока воздуха на входе и выходе из теплового насоса; Nкм, NДТ, Nн – мощность приводов компрессора, детандера, насоса для подачи воды. Эффективность отрицательного цикла увеличивается при понижении температуры наружного воздуха, а также при увеличении температуры ВЭР. Существенно, что рассматриваемая схема осуществляет не только нагрев воздуха, но и выполняет функции вентилятора, одновременно воздух обеспыливается и увлажняется. Из сравнения положительного и отрицательного циклов следует, что для отрицательного цикла несколько выше коэффициент преобразования ( при прочих равных условиях), по его эксплуатация более сложная, чем положительного цикла.