Тепловой расчет и эксергетический анализ парогенераторов химической технологии

  - низшая теплота сгорания топлива;

  - полезно использованная в котельном агрегате теплота;

  - потери теплоты с уходящими газами;

  - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;

  - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;

  - потери теплоты от наружного охлаждения;

  - потери с физическим теплом шлака;

 

Разделив обе части  уравнения (3.1) на и умножив на 100, получим уравнение теплового баланса, выраженное в %:

 

,

в котором величина , численно равна КПД котельного агрегата.

При сжигании газообразного  топлива принимаем и .

При коэффициенте избытка воздуха в топке , выбираем камерную горелку для сжигания жидких и газообразных топлив (экранированную) при кинетическом принципе сжигания топлива с потерей теплоты от химической неполноты сгорания [7, прилож.2].

По паропроизводительности котельного агрегата т/ч определяем потери тепла на наружное охлаждение [7, прилож.3].

 

3.3.1  Потери теплоты с уходящими газами определяем для двух случаев:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

 

б)  без воздухоподогревателя

 

,

 

.

 

где при ^оС;

 

3.3.2  КПД брутто котельного агрегата, %:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

.

б)  без воздухоподогревателя

,

.

 

3.3.3  Часовой расход натурального топлива, м³/ч:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

  где D – паропроизводительность котельного агрегата, кг/ч;

- энтальпия перегретого пара, определяется по таблице термодинамических свойств воды и водяного пара по и    [1, с. 337];

При =1,5 МПа и =230^оС  =2873,5кДж/кг

- энтальпия питательной воды  при температуре  и            [1, с. 334];

При =1,5 МПа и =40^оС  =168,8кДж/к

- энтальпия котловой воды  в котельном агрегате, определяется  при температуре    и [1, с. 330];

При =1,5 МПа и =198,28^оС  =844,6кДж/кг

 

м³/ч

 

б)  без воздухоподогревателя

,

м³/ч

 

 

3.3.4  Часовой расход условного топлива, м³/ч:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

 

м³/ч

б)  без воздухоподогревателя

,

м³/ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Диаграмма тепловых потоков (кДж/м³) котельного агрегата

 

 

3.4  Исследовательская задача

        Используя аналитические выражения построить зависимость влияния температуры уходящих газов t_ух на КПД брутто котельного агрегата при      α_ух = const.

 

КПД брутто котельного агрегата с воздухоподогревателем, %:

,

При сжигании газообразного топлива принимаем и .

При коэффициенте избытка воздуха в топке , выбираем камерную горелку для сжигания жидких и газообразных топлив (экранированную) при смешанном принципе сжигания топлива с потерей теплоты от химической неполноты сгорания [7, прилож.2].

По паропроизводительности котельного агрегата т/ч определяем потери тепла на наружное охлаждение [7, прилож.3].

 

Потери теплоты с  уходящими газами с воздухоподогревателем:

,

Определяем энтальпию  уходящих газов с воздухоподогревателем:

,

 

 

Тогда

Потери теплоты с  уходящими газами с воздухоподогревателем:

,

        Следовательно

,

 

 Результаты расчетов  предоставлены в таблице:

 

Температура уходящих газов t 0C	Воздух   с’воз	Азот   с’N2	Углекислый газ с’С02	Водяной пар с’Н20	hух кДж/кг	q2 %	ηкв %
50	1,29875	1,2955	1,65005	1,49975	1024,09	2,92	94,13
100	1,3004	1,3004	1,7003	1,5052	2058,68	5,87	91,18
200	1,3071	1,3038	1,7373	1,5223	4143,95	11,81	85,24
300	1,3172	1,3109	1,8627	1,5424	6294,60	17,93	79,12
400	1,3289	1,3205	1.9297	1.5654	8488,67	24,18	72,87
500	1,3427	1,3322	1.9887	1,5897	10738,09	30,62	66,43
600	1,3565	1,3452	2,0411	1,6148	13078,46	37,26	59,79
700	1,3708	1,3586	2,0884	1,6412	15412,27	43,91	53,14

 

 

 

 

Рис.5.

-диаграмма

 

 

По графику видно, что  с увеличением температуры уходящих газов t_ух уменьшается КПД брутто котельного агрегата с воздухоподогревателем при  α_ух = const в линейной форме, значит увеличиваются потери теплоты с уходящими газами, т.е. уменьшается эффективность котельного агрегата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5  Упрощенный эксергетический баланс котельного агрегата

 

3.5.1  Эксергия топлива с достаточной для приближенных практических расчетов точностью может быть принята равной низшей теплоте сгорания топлива, кДж/м³:

,

кДж/м³

 

3.5.2  Эксергия теплоты продуктов сгорания топлива, образующихся в топке котла, кДж/м³:

 

а)  с воздухоподогревателем

где - температура окружающего воздуха, ;

  - калориметрическая температура горения, ;

 

кДж/м³

б)  без воздухоподогревателя

 

,

кДж/кг

 

3.5.3  Потери при адиабатном горении (без учета потери эксергии за счет теплообмена топки с окружающей средой), кДж/м³:

 

а) с воздухоподогревателем

,

кДж/м³

б)  без воздухоподогревателя

,

кДж/м³

или в %

а)  с воздухоподогревателем

,

.

б)  без воздухоподогревателя

,

.

 

 

3.5.4  Определяем уменьшение эксергии продуктов сгорания за счет теплообмена в нагревательно – испарительной части котла, кДж/м³:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

кДж/м³

б)  без воздухоподогревателя

,

кДж/м³

 

3.5.5  Приращение эксергии в процессе превращения воды в перегретый пар, кДж/м³:

а)  с воздухоподогревателем

,

где - удельная энтропия перегретого пара и питательной воды, определяются по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара;

кДж/кг·К[1, с. 337];

кДж/кг·К[1, с. 334];

 

кДж/м³

б)  без воздухоподогревателя

кДж/м³

или в %

а)  с воздухоподогревателем

,

.

б)  без воздухоподогревателя

,

.

 

 

 

3.5.6  Потеря эксергии от теплообмена по водопаровому тракту, кДж/м³:

а)  с воздухоподогревателем

,

                                    Dex п = 21 876,5-  12435,5= 9441   кДж/м³

 

б)  без воздухоподогревателя

,

кДж/м³

или в %

а)  с воздухоподогревателем

,

 

б)  без воздухоподогревателя

,

.

 

3.5.7  Уменьшение эксергии продуктов сгорания за счет теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³:

,

кДж/м³

 

3.5.8  Увеличение эксергии воздуха в воздухоподогревателе, кДж/м³:

,

кДж/м³

 

3.5.9  Потеря эксергии за счет теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³:

,

 кДж/м³

или в %

,

.

 

3.5.10  Составим эксергетический баланс котельного агрегата и определим эксергию уходящих газов, кДж/м³:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

 

 

Отсюда

кДж/м³

 

б)  без воздухоподогревателя

,

Отсюда

,

кДж/м³

или в %

а)  с воздухоподогревателем

,

.

б)  без воздухоподогревателя

,

 

3.5.11  Определим среднетермодинамическую температуру при теплоподводе, К:

,

 

К

 

3.5.12  Эксергетический КПД котельного агрегата оценим через среднетермодинамическую температуру при теплоподводе, %:

 

а)  с воздухоподогревателем

,

.

б)  без воздухоподогревателя

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6. Диаграмма Гроссмана-Шаргута для эксергетического баланса котельного агрегата

 

4  Тепловой  расчет котла-утилизатора

4.1  Выбор  типа котла-утилизатора

 

4.1.1  Расход газов через котел – утилизатор, м³/ч:

,

где - объем газов;

- часовой расход топлива без  воздухоподогревателя;

м³/ч

По расходу газов  через котел – утилизатор выбираем по каталогу его тип. Выбираем котел-утилизатор КУ-16 с конструктивными характеристиками:

мм; мм; ;

где - наружный диаметр дымогарных труб[1, с. 228];

- внутренний диаметр дымогарных  труб[1, с. 228];

- число дымогарных труб[1, с. 228];

 

4.1.2 Определяем среднюю температуру продуктов сгорания в котле – утилизаторе, ^оС:

,

 

^оС

 

4.1.3  Выписываем теплофизические свойства продуктов сгорания при    [7, прилож.4]

Вт/(кг·^оС);

м²/с;

;

 

4.1.4  Вычисляем площадь поперечного («живого») сечения дымогарных труб, м²:

,

м²

 

4.1.5  Определяем скорость газов в дымогарных трубах, м/ с:

,

 

м/ с

 

Рекомендуемая скорость газов от до .

 

 

 

4.2  Расчет  поверхности теплообмена котла-утилизатора

 

4.2.1  Коэффициент теплоотдачи газов к стенкам дымогарных труб, Вт/(м²·К):

,

где и - поправочные коэффициенты;

- при охлаждении;

 

Вт/(м²·К)

 

4.2.2 Коэффициент теплопередачи от газов к воде через дымогарные трубы испарительной части котла – утилизатора, Вт/(м²·К):

,

где - коэффициент загрязнения поверхности нагрева;

=0,005;

Вт/(м²·К)

 

4. 2. 3 Теплота, отданная  газами в котле – утилизаторе, кДж/с:

 

,

 

кДж/с

 

4.2.4  Выписываем из технической характеристики котла – утилизатора параметры получаемого пара (перегретого), питательной воды и давление в котле утилизаторе[7, прилож.5]: