ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА_учебное пособие.pdf 5 семестр

Следовательно, удельный тепловой поток теплопередачи

q tж1 tж2 / 1/ 1 / 1/ 2 k tж1 tж2 ,

где k 1/ 1/ 1 / 1/ 2 - коэффициент теплопередачи.

Величина 1/k называется термическим сопротивлением теплопередачи.

Для многослойной плоской стенки

				n	δi
	1/k 1/ 1						1/ 2 .
					λ
				1
					i
Температура поверхностей однородной стенки
tc1 = tж1 – q/α1 ;				tc21 = tж2 + q/α2.
Теплопередача через однослойную цилиндрическую стенку (трубу), отнесен-
ная к единице длины трубы,
где		ql = klπ(tж1 – tж2),
			1
kl 1	1/ 1d1			ln d2		/d1 1/ 2d2			,
			2λ

здесь ki - коэффициент теплопередачи единицы длины трубы. Температура на внутренней и наружной поверхностях трубы

tc1 tж1 ql /π 1/ 1d1 ; tc2 tж2 ql /π 1/ 2d2 .

При передаче теплоты через многослойную цилиндрическую стенку, например, двухслойную стенку из слоя металла и тепловой изоляции с теплопроводностями внутреннего λ1 и наружного λ2 слоев и диаметрами соответственно d1, d2 и d3, количество теплоты, передаваемой через единицу длины трубы в единицу времени,

										1							1
q		t		t		/ 1/α d		1				ln d	2	/d	1				ln d	3	/d	2	1/α d	3	.
	l		ж1		ж2
							1		2		λ1					2		λ2					2

Температура на внутренней поверхности трубы со стороны греющей жидкости с температурой tж1

tc1 tж1 ql /π 1/α1d1 .

Температура на наружной поверхности трубы

tc3 tж2 ql / 1/α2d3 .

Определение температуры на границе слоев изоляции на плоской стенке производится по равенствам (16.4) или (16.5), а на цилиндрической поверхности - по

(17.1).

20.3. Тепловая изоляция

Тепловой изоляцией называют любое покрытие теплоотдающей поверхности, которое способствует необходимому уменьшению теплоотдачи от нее в окру-

91

жающую среду или передачи теплоты через данную поверхность. Теплоизоляционными считаются материалы, коэффициент теплопроводности которых меньше 0,2 Вт/(м·К). Так как теплопроводность теплоизоляционных материалов зависит от температуры и с повышением температуры повышается, то при расчете тепловой изоляции коэффициент ее теплопроводности должен определяться по среднему значению температуры слоя изоляции в рабочих условиях. Расчет тепловой изоляции обычно сводится к определению ее толщины и производится следующим образом.

Устанавливают допустимую потерю теплоты q с единицы поверхности (плоской стенки) или единицы длины трубы через наружную поверхность изоляции. Затем определяют расчетную температуру наружной поверхности изоляции t2.

Так как q = α(t2 – tв), где tв - температура окружающего воздуха, то

t2 = tв + q / α.

Температуру внутренней поверхности изоляции принимают равной температуре теплоносителя, омывающего изолируемую поверхность с противоположной стороны (если термическим сопротивлением стенки можно пренебречь), а температуру наружной поверхности изоляции принимают по техническим условиям. Среднюю температуру слоя изоляции принимают равной средней арифметической температуре ее поверхностей. Величину коэффициента теплопроводности материала изоляции λиз определяют по справочным таблицам или графикам с учетом средней температуры изоляции, а затем, пользуясь формулами расчета теплопередачи, в соответствии с задачей для плоской стенки или для трубы определяют требуемую толщину тепловой изоляции.

Толщину тепловой изоляции для трубы определяют по отношению наружного диаметра изоляции d2 к внутреннему d1 с учетом допустимой удельной потери теплоты ql с единицы длины трубы, температур поверхностей изоляции t1 и t2 и коэффициента теплопроводности изоляции λиз:

ln d2/d1 2πλиз t1 t2 /ql .

Толщина изоляции плоской стенки

δиз λиз/q t1 t2 .

Следует учитывать, что при наложении тепловой изоляции на трубопровод внешняя поверхность изолированного трубопровода увеличивается и при неправильном выборе качества теплоизоляционного материала тепловые потери могут не уменьшаться, а увеличиваться. Сравнение теплоотдачи изолированного и неизолированного трубопроводов выявляет условие, которому должно соответствовать качество изоляции

λиз < 0,5α2d2 ,

где α2 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции к окружающей среде;d2 – наружный диаметр неизолированного трубопровода.

Из приведенного неравенства следует, что чем меньше диаметр изолируемого трубопровода, тем меньше должен быть коэффициент теплопроводности изоляционного материала, т. е. качество изоляции должно быть выше. Если неравенст-

92

во невыполнено, то при наложении слоя изоляции потери теплоты в окружающую среду будут увеличиваться. Только при большом увеличении толщины слоя изоляции тепловые потери станут уменьшаться.

Наружный диаметр слоя неправильно выбранной толщины изоляции dиз′, при котором имеют место максимальные потери теплоты, называется критическим диаметром тепловой изоляции:

dиз′ = 2 λиз′/ α2 ,

где λиз′ - коэффициент теплопроводности неправильно выбранного теплоизоляционного материала.

21. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

21.1. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами называются устройства для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. По принципу действия теплообменные аппараты разделяются на смесительные и поверхностные, которые в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от греющей среды к нагреваемой происходит через разделяющую их стенку. В рекуперативных теплообменных аппаратах поток передаваемой теплоты идет в одном и том же направлении от нагревающей среды к нагреваемой через стенку. В регенеративных аппаратах стенка или насадка вначале омывается нагревающей средой, затем нагреваемой. В смесительных теплообменных аппаратах нагреваемая среда смешивается с нагревающей.

В теплоэнергетических установках чаще применяют рекуперативные теплообменники. Если в таких аппаратах нагреваемая и нагревающая среды протекают в одном и том же направлении, то такая схема называется прямоточной, при противоположном направлении движения – противоточной. На рис. 35 приведены эти две схемы с температурными графиками теплоносителей.

Р и с. 21.1. Температурные графики рекуперативных теплообменников: а – при прямоточной системе;

б – при противоточной системе

93

21.2.Расчет параметров теплообменных аппаратов

Те п л о в о й р а с ч е т. Для расчета рекуперативного теплообменного аппарата составляем два уравнения:

уравнение теплового баланса

Q= G1ср1(t1′ - t1″ ) = G2ср2(t2″ - t2′)

иуравнение теплопередачи

Q = kF t ,

где G и ср - расходы и теплоемкости теплоносителей; t′и t″ - начальная и конечная температуры теплоносителей; k и F - соответственно коэффициент теплопередачи и расчетная площадь поверхности теплопередачи теплообменного аппарата; t - средний температурный напор между теплоносителями, который определяется по формуле

t = (Δtб – tм)/(2,3 lg(Δtб/Δtм)),

где tб и tм - наибольшая и наименьшая разности температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника.

Графическое определение tб и tм приведено на рис. 21.1. Поверхность нагрева теплообменного аппарата

F = Q/(k t) = Q/(k/[ 2,3 lg(Δtб/Δtм)]/ [Δtб – tм]).

Конечные температуры теплоносителей

t1″ = t1′ - Q/(G1ср1); t2″ = t2′ - Q/(G2ср2).

Когда температура теплоносителей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно определять как среднее

арифметическое температурных напоров tб и			tм, т. е.
		= 0,5(Δtб +	tм).
	t

Среднеарифметическое значение температурного напора всегда несколько больше среднелогарифмического.

Для теплообменных аппаратов с перекрестным или смешанным током рабочих теплоносителей точное определение температурного напора представляет сложную задачу. Поэтому расчет таких аппаратов проводят по расчетным формулам, соответствующим противотоку, с введением поправочного коэффициента кt , который определяется по специальным графикам, приводимым в справочных пособиях по теплопередаче.

Когда теплообменный аппарат представляет сложное устройство и найти для него общее значение коэффициента теплопередачи затруднительно, то определяют коэффициент теплопередачи для отдельных частей теплопередающей поверхности. В этом случае расчетное значение коэффициента теплопередачи

n	n	,
k = (k1F1 + k2F2 + … + knFn)/( F1 + F2 + … + Fn) = kiFi	Fi
1	1
где ki - коэффициент теплопередачи для поверхности Fi.

94

Расчет регенеративных теплообменников ведется по среднему значению коэффициента теплопередачи kц для цикла работы регенератора. Расчет состоит из определения периода нагрева длительностью τ1 и периода охлаждения насадки длительностью τ2. Длительность цикла τ = τ1 + τ2.

Средняя величина расчетного коэффициента теплопередачи для цикла приближенно равна

kц = 0,8 11 1 12 2 ,

где α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи соответственно для периода нагрева и периода охлаждения.

Уравнение теплопередачи для цикла

Qц = kц(t1 – t2)Fτ,

где F – расчетная площадь поверхности теплопередачи регенератора, м2.

Г и д р о м е х а н и ч е с к и й р а с ч е т. Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой мощности насоса или вентилятора, затрачиваемой на перемещение в нем теплоносителей.

Мощность привода вентилятора или насоса

N = V p/η,

где V - объемный расход теплоносителя; р - перепад давления в потоке теплоносителя; η - КПД насоса или вентилятора.

При определении мощности привода насоса или компрессора необходимо знать гидравлическое сопротивление теплообменника со стороны рассматриваемого теплоносителя. Сопротивление движению жидкости при ее течении разделяют на сопротивление трению (по длине канала) и на местные сопротивления. Сопротивление трению в каналах, вызываемое вязкостью теплоносителя,

pт = ξ(l/d)(ρω2/2),

где ξ - коэффициент сопротивления трения; l - длина канала; d - эквивалентный диаметр; ρ - плотность теплоносителя; ω - средняя линейная скорость.

Местные сопротивления, возникающие при изменении сечения канала (резкого или плавного), при входе в канал и при выходе из него,

pм = ζ (ρω2/2),

где ζ - коэффициент местного сопротивления, определяемый по справочным таблицам.

Суммарное сопротивление движению теплоносителя без учета затраты энергии на ускорение движения теплоносителя при неизотермическом течении

p = pт + ΣΔpм.

Коэффициент сопротивления трению при изотермическом ламинарном движении теплоносителя

ξ0 = А/Reж.

Значения коэффициента А приведены ниже для различных каналов:

95

Форма сечения канала	А
Круг..................................................................	64
Квадрат............................................................	57
Равносторонний треугольник........................	53
Кольцо…………………………….................	96
Прямоугольник при a/b = 0 (щель)………… 96
a/b = 0,25……………...	73
a/b = 0,5.........................	62

При турбулентном режиме для Re до 108

ξ0 = 0,86/(lgRe)2,4.

При неизотермическом течении значение коэффициента сопротивления

трения

ξ = ξ0(Prc/Prж)0,33.

Сопротивление пучков труб при поперечном обтекании труб рассматривается как чередующиеся местные сопротивления сужения и расширения потока. Коэффициент местного сопротивления (суммарный для пучка):

для шахматного пучка

ζ = (5,4 + 3,4m)Reж0,28 ;	(21.1)
для коридорного пучка
ζ = (6 + 9m)(х1/d)-0,23Reж0,26 .	(21.2)

В этих формулах расчетная скорость принимается по самому узкому проходному сечению; определяющим размером является диаметр d трубок; m - число рядов труб по ходу теплоносителя; х1 – поперечный шаг (расстояние между осями) труб в пучке.

Если поток теплоносителя не перпендикулярен образующей трубок (пересекает трубки под углом менее 90°), то расчетное значение ζ определяют по формулам (21.1), (21.2) и умножают на поправочный коэффициент ε, найденный в соответствии со следующей его зависимостью от угла φ:

φо……...	90	80	70	60	50	40	30	10
ε……….	1	1	0,95	0,83	0,69	0,53	0,38	0,15

Раздел III ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

22. ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО И ПРОЦЕССЫ ЕГО ГОРЕНИЯ

22.1.Характеристики топлив

Элементарный состав твердых и жидких топлив состоит из следующих компонентов: углерода С, водорода Н2, кислорода О2, азота N2, серы S, минеральных

96

соединений А и влаги W. Сера S может присутствовать в топливе в трех видах: органическая So, колчеданная Sк и сульфатная Sc. Сумму So + Sк = Sл называют летучей серой.

Втвердом топливе различают рабочую, сухую, сухую беззольную (горючую)

иорганическую массы, а в жидком - рабочую и сухую массы. Сухой беззольной, или горючей, называют часть массы топлива, состоящую из углерода, водорода, кислорода и летучей серы. Влага и минеральные соединения составляют негорючую массу топлива, называемую балластом. Сухая беззольная масса и минеральные соединения составляют сухую массу топлива. Сухая масса топлива и влага образуют рабочую массу топлива.

Состав твердых и жидких топлив принято представлять в виде суммы масс химических элементов в %:

СР + НР + SР + OР + NР + AР + WР =100 .

Индекс «р» означает, что состав топлива рассчитан на рабочую массу.

В справочных данных обычно приводится состав сухой беззольной массы топлива. Пересчет состава топлива с сухой беззольной на рабочую или сухую массы производится с помощью коэффициентов

КР = [100 – (АР + WР)]/100;

КС =(100 –АС)/100.

Основными компонентами газообразного топлива являются метан СН4, высшие углеводородные соединения CmHn, водород Н2, азот N2, оксид углерода СО, диоксид углерода СО2, сероводород H2S, кислород О2. Состав газообразного топлива представляют в виде суммы долей объема составляющих его компонентов в

%:

CH4 + CmHn + H2 + N2 + CO + CO2 + H2S + O2 = l00.

Количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива, называется теплотой сгорания, которую разделяют на высшую и низшую. Высшей теплотой сгорания QBP называют количество теплоты, полученное при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива (при температуре 0 °С и давлении 0,1013 МПа) и конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания Qнр, кДж/кг или кДж/м3, не включает в себя теплоту конденсации водяных паров. Высшая и низшая теплота сгорания связаны между собой зависимостью

Qнр = QBP – 25,14(9 НР + WР).

Низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива с достаточной для технических расчетов точностью подсчитывается по формуле Д. И. Менделеева:

Qнр = 338 Cp + 1025 НР - 108,5(ОР – SЛР) - 25 Wр.

Теплоту сгорания газообразного топлива в кДж/м3 определяют в расчете на сухую массу:

97

Qс = 108Н2 + 126СО + 234H2S + 358СН4 + 591C2H4 + 638C2H6 + 860С3Н6 +

+ 913С3Н8 + 1135С4Н8 + 1187С4Н10 + 1461C5H12 + 1403C6H6.

Для сопоставления экономичности работы энергетических установок, использующих различные топлива, применяется понятие условное топливо, теплота сгорания (Qнp)усл которого принята 29,3 МДж/кг. Пересчет расхода В, кг/с, используемого топлива с теплотой сгорания Qнp, кДж/кг, на условное топливо производится по формуле

Bycл = ВQнр/(Qнp)усл = ВQнр/29300,

где Вусл - расход условного топлива, кг/с.

Важным показателем в характеристике твердого и жидкого топлива является выход летучих веществ, представляющих собой смесь горючих и негорючих газов, которые выделяются из массы топлива при его нагревании от 110 до 1100 °С. Уменьшение массы пробы топлива при нагревании без доступа воздуха за вычетом содержащейся в топливе влаги, отнесенное к горючей массе топлива (масса пробы 1 г, температура нагревания 850 °С, время нагрева 7 мин), характеризует величину выхода летучих Vг. Чем больше выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и легче его зажигание.

Выход летучих веществ зависит в основном от возраста топлива и условий его формирования. Так, выход летучих веществ у торфа, имеющего самый молодой возраст, составляет 70 %, бурого угля - 45 ...50, каменных углей - 25 ...40, а у антрацита -3 ...4 %.

Твердый остаток топлива после выхода летучих веществ называют коксом. Коксовый остаток может быть плотным, спекшимся или рыхлым. В энергетических установках используются топлива, непригодные для получения плотного кокса. Несгоревший остаток, образующийся после сгорания топлива и состоящий

восновном из минеральных примесей, называется золой. Часть золы в процессе горения топлива под действием высоких температур оплавляется и превращается

вшлак.

Отношение массы золы к массе топлива (в %) называют зольностью А. Бурые и каменные угли имеют зольность Ас = 10...55 % (в зависимости от месторождения), сланцы - 40...60 %, жидкие топлива - 0,05…0,1 %.

Зольность топлива и свойства золового остатка влияют на процесс горения. Зола уменьшает теплоту сгорания топлива, снижает интенсивность теплообмена вследствие осаждения на поверхностях нагрева, вызывает износ их, загрязняет окружающую среду.

Вместе с тем зола иногда используется в производстве строительных материалов, в сельском хозяйстве как удобрение. Из золы некоторых топлив добывают редкие и рассеянные элементы (например германий, галлий и др.).

Влажность W - это количество влаги (воды) в топливе, выраженное в %. Повышенная влажность снижает теплоту сгорания топлива и вызывает большие трудности при сжигании. Высокую влажность (до 50 %) имеют бурые угли и торф, и поэтому их теплота сгорания невелика - 8...10 МДж/кг. Влажность каменных углей значительно ниже и составляет 5...8 %.

98

Для сравнения топлив с различной степенью влажности, зольности и сернистости используют приведенные характеристики, под которыми понимают характеристики рабочей массы топлива, отнесенные к низшей теплоте его сгорания. Приведенные влажность Wпр, зольность Апр и сернистость Sпр, (%·кг)/МДж, определяются соответственно по формулам

Wпр = WР/Qнр ; Апр = АР/Qнр ; Sпр = SР/Qнр .

Например, для подмосковного угля с WР = 32 % и Qнр = 10,4 МДж/кг приведенная влажность Wпр = 3,06 (%·кг)/МДж, для антрацита с WР = 5,2 % И Qнр = 22,6 МДж/кг величина Wпр = 0,23 (%·кг)/МДж и т. д.

Топлива с Wпр < 0,7 (%·кг)/МДж считаются маловлажными, а с Wпр > l,9 (%·кг)/МДж - высоковлажными. Топлива с Апр (%·кг)/МДж называют малозоль-

ными, а с Апр >5 (%·кг)/МДж - высокозольными.

22.2. Горение топлива

Горение - экзотермическая окислительно-восстановительная реакция топлива с окислителем (кислородом воздуха и др.), сопровождающаяся выделением теплоты и света. Различают гомогенное горение, протекающее в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии (например горение газа в воздухе), и гетерогенное, происходящее на поверхности раздела фаз, когда топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях (например горение твердых и жидких топлив).

Процесс горения может идти с различной скоростью: от медленного до мгновенного окисления горючих элементов во всем объеме топлива. Примером медленного горения является самовоспламенение твердого топлива при хранении его на складе без соприкосновения с пламенем или раскаленным телом. Мгновенное окисление представляет собой взрыв. В энергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение с постоянной во времени концентрацией топлива и окислителя (воздуха). Такой процесс горения осуществляется, например, в двигателе внутреннего сгорания или в топочной камере парового котла. При нарушении соотношения между концентрациями топлива и воздуха, например при избытке воздуха (бедная смесь) или топлива (богатая смесь), скорость реакции снижается и вследствие этого уменьшается тепловыделение на единицу объема. Существуют нижний и верхний пределы концентрации топлива, вне которых горение становится невоз-

можным.

Для возникновения процесса горения необходимо, чтобы приходящие в соприкосновение частицы горючего вещества и кислорода имели определенную температуру, при которой может происходить их химическое взаимодействие. Эта температура называется температурой воспламенения. Значение температуры воспламенения зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются физико-химические свойства реагирующих веществ и внешние условия, при которых происходит реакция воспламенения.

99

Средние температуры	воспламенения отдельных видов топлива в возду-
хе (при атмосферном давлении), оС:
Торф.........……………..250	Бензин…………………………400 - 550
Дерево........……………300	Тяжелые углеводороды ……..600 - 800
Бурый уголь.....………..450	Метан....………………………….700
Каменный уголь...….350 – 450	Водород…………………………..600
Антрацит и кокс...….650 – 750	Окись углерода…………………..650
Нефть........………….350 - 400

Максимальное тепловыделение в процессе горения происходит при определенных соотношениях масс элементов исходных веществ, вступающих в реакцию горения, которые называют стехиометрическими. В качестве примера приводятся стехиометрические соотношения для основных горючих элементов твердого (жидкого) топлива в единицах массы, а для газов — в единицах объема:

C + O2 = CO2 + q1	S + O2 = SO2 + q4
12 кг + 32 кг = 44 кг	32 кг + 32 кг = 64 кг
2С + О2 = 2СО + q2	2H2 + O2 = 2H2O + q5
24 кг + 32 кг = 56 кг	4 кг + 32 кг = 36 кг
2CO + O2 = 2CO2 + q3	СH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + q6
2 м3 + 1 м3 = 3 м3	1 м3 + 2 м3 = 1 м3 + 2 м3

Из реакции горения углерода следует, что для полного сгорания 1 кг углерода необходимо затратить 32/12 = 2,67 кг кислорода и при этом образуется 44/12 = 3,67 кг углекислого газа СО2. Из аналогичных реакций окисления Н2 и S следует, что для сгорания 1 кг Н2 требуется 8 кг (5,55 м3) О2 и при этом образуется 11,1 м3 водяных паров, а для сжигания 1 кг S расходуется ~ 1 кг (0,7 м3) О2 и получается

0,7 м3 SO2.

Таким образом, теоретически необходимое количество кислорода (кг/кг) с учетом его содержания в топливе для полного сжигания 1 кг рабочей массы топлива

L0O2 2,67Cр /100 Sрл /100 8Нр /100 Ор /100 .

Так как содержание кислорода в воздухе составляет примерно 21% по объему, то теоретически необходимое количество воздуха (м3) на 1 кг твердого или жидкого топлива:

V0 L0O2 / 0,21 O2 0,0889 Cр 0,375Sрл 0,265Нр 0,0333Ор .

При рассмотрении горения газообразного топлива объемы воздуха и продуктов сгорания относят к 1 м3 газа. Для определения теоретически необходимого количества воздуха V0 на 1 м3 газового топлива аналогично производится расчет материального баланса элементарных реакций горения и получается следующее выражение:

V0 0,0476 0,5CO 0,5H2 1,5H2S m n/4 CmHn O2 .

100