75 группа 2 вариант / ГТ и ПГУ / Книги / Общая энергетика. Часть 1

собности абсолютно чёрного тела той же температуры и зависит только от температуры.

Таким образом, закон Кирхгофа устанавливает связь между собственным излучением любого тела и излучением абсолютно черного тела. Так как Е / Е0 = , то для всех серых тел А = , то есть поглощательная способность тела численно равна его степени черноты. Рассмотрим случай теплообмена излучением между двумя пластинами, поверхности которых достаточно велики по сравнению с расстоянием между ними (рис.2.8). Температуры поверхности пластин удовлетворяют условию Т1 > Т2.

Обозначим через Е1, А1 и Е2 , А2 лучеиспускательную (собственно излучение) и поглощательную способности первой и второй пластин. Назовём эффективным излучением Е1эф количество энергии, излучённое первой пластиной.

Это излучение составляется из собственного излучения Е1 = С1 (Т1/100)4 и отраженной энергии, полученной от второй пластины, т.е.

Е1эф = Е1	+ (1 – А1) Е2эф,	(2.22)
где Е2эф – эффективное излучение второй пластины.
По аналогии для второй пластины
Е2эф = Е2	+ (1 – А2) Е1эф.	(2.23)

Количество теплоты, переданное от первой пластины ко вто-

рой,
			q1-2 = Е1эф – Е2эф.					(2.24)
После подстановки и преобразований получим, Вт/м2,
q1-2 = Cпр	Т		/ 100 4 Т		/ 100 4		,	(2.25)
		1		2

где Спр = 1 / [(1/С1) + (1/С2) – (1/С0)] – приведённый коэффициент лучеиспускания тел.

Так как С1 = 1 Со , С2 = 2 Со, то
q1-2 = пр Со	Т		/ 100 4	Т		/ 100 4	,	(2.26)
		1			2

где пр = 1 / [(1/ 1) + (1/ 2) – 1] – приведённая степень черноты.

51

2.9. Схемы движения и температурный напор теплоносителей

2.9.1. Схемы движения теплоносителей

Примерные схемы движения теплоносителей показаны на рис.2.9. Схема на рис. 2.9, а называется прямоточной, схема на рис. 2.9, б – противоточной, схема на рис. 2.9, в – с перекрест-

			ным	током;		схема	на
			рис. 2.9, г – смешанным
			током; на рис. 2.9, д – мно-
			гократно		перекрестным
			током.
			Если для определения
			величины		разностей		тем-
			ператур по обе стороны
			разделительной поверхно-
			сти учитывать			не только
			схемы движения сред, но и
	Рис. 2.9.	Схемы движения теплоноси-	величину		их	теплоемко-
			стей, то можно опреде-
	телей
			лить	четыре		основные
			зависимости			изменения
			температур вдоль поверх-
			ности теплообмена, пока-
			занные на рис. 2.10, где по
			обе оси абсцисс отложена
			поверхность теплообмена
			F , а на оси ординат – из-
			менения температур с го-
			рячей	tг1	и холодной tх2
			сторон.
			Большей			величине
			теплоемкости			соответ-
			ствует	меньшее измене-
	Рис. 2.10.	Изменение разности темпе-	ние температур вдоль по-
	ратур теплоносителей вдоль поверхно-		верхности		нагрева.		На
	сти теплообмена		рис. 2.10		показаны		рас-

четные прямоточные и противоточные схемы движения при разных соотношениях теплоемкостей горячего и холодного теплоносителей. Разность температур между горячим и холодным теплоносителями получила название температурный напор.

52

Рис. 2.11. Определение температурных напоров при разных схемах движения теплоносителей

2.9.2. Средний температурный напор

Расчетная схема прямоточного теплообменника для определения среднего температурного напора вдоль поверхности теплообмена показана на рис. 2.11.

На графике приведены температуры tг1, tг2 горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, а также температуры tх1, tх2 холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника. Приведены значения температурных напоров между горячим и холодным теплоносителями: Δtб – на входе, Δtм – на выходе из теплоносителя.

Для температурного напора на входе в теплообменник применен индекс «б», т.к. при прямоточной схеме движения теплоносителей температурный напор всегда значительно больше на входе, чем на выходе, поэтому к последнему применяют индекс

«м».

Для вычислений температурного напора вдоль поверхности теплообмена используют уравнение, по

которому определяется среднелогарифмический напор:

	tср		tб tм	,	(2.27)
			ln( tб / tм )
	где Δtср – среднелогарифмический			температурный	напор;

Δtб – большая разность температур теплоносителей; Δtм – меньшая разность температур теплоносителей.

Формула (2.27) позволяет независимо от направления движения теплоносителя и конца теплообменника через tб обозначить большую разность температур, а через tм – меньшую и получить универсальную зависимость для расчета среднего температурного напора в теплообменнике.

53

В ряде случаев температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева изменяются незначительно. Тогда средний температурный напор можно вычислить как среднеарифметическое от

tб и tм:

			1
t				( t		t		) tб 1	tМ .	(2.28)
	ср				б		М
			2					2	tб

Среднеарифметический температурный напор больше среднелогарифмического. Однако при tМ / tб > 0,6 они отличаются меньше чем на 3 %, что допустимо в приближенных технических расчетах.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается процесс теплообмена и какова его физическая сущность?

2.Перечислите виды теплообмена.

3.Объясните процесс теплопроводности и напишите общую формулу теплопроводности.

4.В чем заключается сущность конвективного теплообмена?

5.Дайте определение коэффициента теплопередачи.

6.Приведите уравнение для определения термического сопротивления теплопередачи R.

7. Опишите физические процессы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества (кипение и конденсация).

8. Назовите основные законы лучистого теплообмена.

9. Как происходит теплообмен излучением между двумя телами?

10. Назовите особенности излучения газов.

11. Опишите физическую сущность сложного теплообмена или теплопередачи от одного теплоносителя к другому.

12. Какими способами осуществляется процесс интенсификации теплообмена?

13. Покажите на примерах схемы движения теплоносителей.

14. Дайте определение понятия «средний температурный напор».

15. Приведите уравнение для определения среднелогарифмического температурного напора.

16. Приведите уравнение для определения среднеарифметического температурного напора.

54

Раздел 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

ИПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

3.1.Виды топлива

Под топливом следует понимать любые материалы или вещества, используемые для получения тепловой энергии.

Вещества, основной составной частью которых является углерод, а выделение тепловой энергии происходит за счет химической реакции окисления этих веществ, относятся к органическому топливу. Органическое топливо состоит из углеродистых и углеводородистых соединений, которые будучи нагреты до определенной температуры вступают в реакцию с кислородом и выделяют при этом значительное количество теплоты.

Смесь веществ (материалов), в состав которых могут входить изотопы урана, плутония и тория, а выделение тепловой энергии происходит за счет ядерных реакций деления, относится к ядерному (неорганическому) топливу.

В тепловой энергетике используют органическое топливо, в атомной энергетике – ядерное топливо.

Наиболее распространенными видами органического топлива являются: древесина, торф, ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, а также природные и искусственные газы. По своему состоянию топливо делится на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное, а также топливные отходы.

К естественным видам твердого топлива относятся антрациты, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы и дрова, к искусственным – брикеты, кокс, полукокс и пр. Естественным жидким топливом является нефть, искусственным – продукты перегонки нефти: бензин, керосин, мазут и пр. Естественным газообразным топливом является природный газ, искусственным – газ генераторный, коксовый, нефтяной, доменный и др.

3.2.Элементарный состав топлива

3.2.1.Элементарный состав твердого и жидкого топлив

Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, азот N и сера S. Топливо также содержит минеральные примеси, которые определяют его зольность и обозначаются А, и влагу W .

55

Углерод входит в состав топлива в виде сложных соединений с другими элементами. Чем выше содержание углерода, тем выше теплота сгорания топлива. В горючей массе топлива содержание его колеблется от 50 % для древесины до 93 % для антрацита. Теплота сгорания углерода около 33 МДж/кг.

Содержание водорода в твердом топливе колеблется от 2 до 6 %. Теплота сгорания водорода примерно в четыре раза выше, чем углерода, поэтому его содержание оказывает заметное влияние на теплоту сгорания топлива. При сгорании водорода образуется вода, которая может находиться в парообразном или жидком состоянии, поэтому теплота сгорания водорода колеблется: для парообразного состояния – 120 МДж/кг, для жидкого – 142 МДж/кг.

Кислород является частью внутреннего балласта топлива, так как своим присутствием уменьшает горючую часть в топливе. Содержание кислорода в горючей массе топлива колеблется в пределах от 2 % у антрацита до 42 % у древесины.

Азот, как и кислород, также считается внутренним балластом топлива, снижающим горючую часть, так как входит в органическое вещество. В твердом топливе содержание азота доходит до 3 %. Азот топлива при горении целиком превращается в токсичные окислы NO и NO2.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания – 9,05 МДж/кг. В твердом топливе она находится в виде органической (Sо), колчеданной (Sк) и сульфатной (Sc) серы. Органическая сера входит

всостав молекул органических соединений; колчеданная входит

всостав пирита – FeS2, а сульфатная содержится в минеральной части топлива в виде солей металлов, например FeSO4, MgSO4, CaSO4 и т.д. Органическую и колчеданную серу называют горючей (Sг), так как она участвует в процессе горения.

3.2.2. Минеральные примеси твердого топлива

Присутствие в твердых топливах минеральных компонентов обусловлено следующими тремя основными причинами:

-наличием минеральных веществ в исходном органическом материале, из которого образовалось топливо. Количество примесей такого происхождения невелико – до 0,5 % сухой массы топлива. Их называют первичными примесями;

-накоплением в залежи с органическим материалом веществ, заносимых туда водой и ветром (песок, глина и т.п.) и образующихся в результате жизнедеятельности бактерий

56

(сульфаты, пирит, карбонаты и др.). Эти минеральные примеси получили название вторичных. Вместе с первичными их называют также внутренними примесями, поскольку они распределены в самой залежи топлива;

- попаданием в топливо минералов из окружающих горных пород при разработке месторождения. Примеси, заносимые в топливо в процессе его добычи, называют третичными или внешними. Доля их в общем количестве примесей зависит от геологии пласта топлива и способа его разработки; с увеличением механизации добычи доля эта значительно возрастает.

Зола представляет собой твердый минеральный остаток после сжигания топлива и состоит из топочных шлаков и летучей золы, покидающей топку с продуктами сгорания. Содержание минеральных примесей в топливе изменяется в широких пределах: от 1 – 2 % у древесины до 55 % в углях, а в горючих сланцах до 70 %.

Важное практическое значение имеет характеристика плавкости золы, которую разделяют на тугоплавкую с температурой плавления выше 1425 С, среднеплавкую – 1200 – 1425 С, легкоплавкую – ниже 1200 С. Плавкость золы зависит от ее вязкостных характеристик и оценивается по трем характерным температурам: t1 – начало деформации; t2 – начало размягчения; t3 – начало жидкоплавкого состояния.

Для топок с твердым шлакоудалением важно сгранулировать расплавленный шлак до его встречи с трубами на выходе из топки для предотвращения шлакования труб. Поэтому топочный режим горения рассчитывают так, чтобы температура газов на выходе из топочной камеры была ниже температуры t2. Для устойчивого образования жидкого шлака на поде топочной камеры в топках с жидким шлакоудалением необходимо, чтобы температура газов у пода была выше t3 на 100 – 200 С. Эту температуру обозначают tн.ж и называют температурой нормального жидкого шлакоудаления.

3.2.3. Влага твердого топлива

Все виды твердого топлива способны удерживать в себе некоторое количество влаги за счет сил химического и физикохимического происхождения. Различают два вида влаги в топливе: внешнюю и внутреннюю. Внешняя влага разделяется на поверхностную и капиллярную. Поверхностная влага остается в топливе после контакта с водой и сохраняется на поверхности

57

за счет смачивания. Ее количество зависит от степени измельчения топлива и внешних условий при транспорте и хранении топлива. Капиллярная влага скапливается в каналах и трещинах кусков топлива.

Внутренняя влага связана с органическим веществом и его минеральными примесями. Она состоит из двух компонентов: гигроскопической влаги в коллоидносвязанном состоянии, равномерно распределенной в массе топлива, и гидратной, входящей в состав молекул минеральных примесей. Внутреннюю влагу принято называть гигроскопической (Wгн). Величина гигроскопической влажности необходима для оценки допустимой влажности угольной пыли во избежание слипания частиц при повышенной влажности или взрывоопасности пересушенной пыли.

Большая влажность рабочей массы топлива вызывает определенные трудности при сжигании топлива: снижается теплота сгорания, растут расходы топлива и объемы продуктов сгорания, увеличиваются потери теплоты с уходящими газами и затраты энергии на привод дымососов. Увеличение влажности топлива часто приводит к росту влажности дымовых газов, что, в свою очередь, вызывает усиление коррозии металла воздухоподогревателя. Кроме того, в тракте доставки топлива и при его переработке нарушается нормальное движение топлива вследствие потери сыпучести, а в зимнее время топливо смерзается.

Влага, как и зольность, является внешним балластом топлива. Сумма рабочих зольности и влажности составляет внешний балласт рабочего топлива и обозначается Б.

3.2.4. Химический состав твердых и жидких топлив

Химический состав твердых и жидких топлив определяют по суммарной массе химических элементов в топливе в процентах от 1 кг, т.е. устанавливают элементарный состав топлива.

Различают три основных элементарных масс топлива. Рабочая масса топлива

Сp Hp Op Np Sp Ap W p 100 % . (3.1)

Сухая масса топлива
Cc Hc Oc Nc Sc Ac 100 % .	(3.2)
Условная горючая масса топлива
Cг Нг Ог Nг Sг 100 % .	(3.3)

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на ТЭС. Расчет расхода топлива и полученных объе-

58

мов продуктов сгорания производится по составу рабочей массы топлива.

При нагревании топлива до 102-105оС влага из него испаряется и тогда получится сухая масса топлива.

В горючую массу топлива входят химические элементы исходного органического вещества, кроме того, к ней причисляют серу органическую и колчеданную, поэтому она называется условной горючей массой.

Пересчет состава топлива заданной массы на другую искомую массу производится с помощью коэффициентов, приведенных в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Таблица коэффициентов пересчета состава топлива с

заданной массы на другую искомую массу

Искомая

Заданная масса топлива

масса

Рабочая

Сухая

Горючая

топлива

Рабочая

1

100 W p

100 W p Ap

100

100

Сухая

100

1

100 Ac

100 W p

100

Горючая

100

100

1

100 W p Ap

100 Ac

3.2.5. Выход летучих твердого топлива

Одной из важнейших характеристик твердого топлива является выход летучих. От него зависят условия воспламенения и характер горения топлива. При нагревании из твердого топлива выходят летучие Vг, включающие горючие и негорючие газы (СО, СН4, Н2, СО2), а также водяной пар, а из углерода и минеральной части топлива образуется коксовый остаток различного вида – спекшийся, слабоспекшийся и порошкообразный.

Каменные жирные угли с большим содержанием битума при нагревании дают плотный, спекшийся, крупнопористый остаток, называемый коксом и используемый в черной металлургии. Такие угли называют коксующимися и, как правило, в энергетике не используют. В энергетических установках применяются топлива, не пригодные для получения плотного кокса.

59

Поскольку выход летучих веществ прежде всего определяется содержанием кислорода в топливе, то он тем больше, чем топливо моложе, т.е. с химическим возрастом топлива количество летучих веществ на горючую массу Vг неизменно снижается. Поэтому для торфа выход летучих составляет около 70 %, для бурых углей – 35 – 60 %, для каменных углей – 12 – 45 %, для антрацитов – 3 – 8 %. Чем ниже выход летучих в топливе, тем ниже его реакционная способность и поэтому менее надежно и устойчиво зажигание и горение топлива. Следовательно, условия зажигания и горения бурого угля более надежны, чем антрацита или каменного угля с небольшим выходом летучих.

Поэтому при подготовке твердого топлива с низкими значениями величин летучих веществ на горючую массу необходимо производить размол этого топлива до более мелкого состояния, т.е. получать более тонкую пыль при подготовке топлива к сжиганию.

Выход летучих веществ из твердого топлива происходит в интервалах температур 110 – 1100 С. Наибольший выход (до 95 %) имеет место при температуре до 800 С. Поэтому условно за выход летучих веществ твердых топлив принимают уменьшение массы навески топлива после выдержки в тигле при температуре 850 25 С в течение 7 минут, отнесенной к горючей массе топлива.

3.3.Теплота сгорания топлива

3.3.1.Теплота сгорания твердого и жидкого топлив

Теплота сгорания характеризует энергетическую ценность органического топлива и представляет собой количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе химических реакций окисления горючих его компонентов газообразным кислородом.

При определении теплоты сгорания в теплотехнике исходят из того, что содержащийся в горючей части топлива водород и углерод окисляются до состояния высших окислов этих элементов – Н2О и СО2, сера превращается в SО2, а азот выделяется в виде простого вещества N2. Именно такие продукты в основном образуются при сжигании топлива в различных промышленных топках, в том числе топках энергетических котлов.

Теплоту сгорания рассматривают как удельную характеристику, т.е. относят ее к единице количества топлива или определенной его части. Для твердого и жидкого топлив за единицу количества может быть принят 1 кг любой из расчетных масс: рабочей,

60