Теплопроводность дымовых газов, теплофизические свойства продуктов сгорания топлива
Дымовые газы представляют собой смесь выхлопных, отходящих газов, продуктов горения топлива.
В таблице представлены следующие теплофизические свойства дымовых газов при нормальном атмосферном давлении:
- плотность, кг/м 3 ;
- удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
- теплопроводность, Вт/(м·град);
- температуропроводность, м 2 /сек;
- динамическая вязкость, Па·сек;
- кинематическая вязкость, м 2 /сек;
- число Прандтля.
С повышением температуры дымовых газов их плотность и число Прандтля уменьшают свои значения. Другие теплофизические свойства дымовых газов такие, как теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и вязкость с ростом температуры увеличиваются. Особенно сильно возрастают значения температуропроводности и кинематической вязкости.
Например, кинематическая вязкость дымовых газов при температуре 0°С составляет величину 12,2·10 -6 м 2 /сек, а при температуре 1200°С вязкость увеличивается до значения 22,1·10 -5 м 2 /сек.
Свойства дымовых газов в таблице представлены в зависимости от температуры, в интервале от 0 до 1200°С.
Теплопроводность дымовых газов при увеличении их температуры от 0 до 1200°С увеличивается не так значительно, как вязкость — с 0,0228 до 0,1262 Вт/(м·град). В целом, выхлопные газы сравнимы по своим свойствам с воздухом.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность дымовых газов в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!
Источник
Тепловой баланс котельного агрегата
Тепловой баланс котельного агрегата
Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса котельного агрегата определяют расход топлива и вычисляют коэффициент полезного действия, который является важнейшей характеристикой энергетической эффективности работы котла.
В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревание воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразовании энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.
Тепловой баланс котельного агрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты и суммой использованной теплоты и тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива или для 1 м 3 газа. Уравнение, при котором тепловой баланс котельного агрегата для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде:
Q p/ p = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 (19.3)
Где Q р/ р — теплота, которой располагают; Q 1 — использованная теплота; ∑Q n — общие потери; Q 2 — потери теплоты с уходящими газами; Q 3 — потери теплоты от химического недожога; Q 4 — потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q 5 — потери теплоты в окружающую среду; Q 6 — потери теплоты с физической теплотой шлаков.
Если каждое слагаемое правой части уравнения (19.3) разделить Q p/ p и умножить на 100%, получим второй вид уравнения, при котором тепловой баланс котельного агрегата:
q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 100% (19.4)
В уравнении (19.4) величина q 1 представляет собой коэффициент полезного действия установки «брутто». Он не учитывает затраты энергии на обслуживание котельной установки: привод дымососов, вентиляторов, питательных насосов и прочие расходы. Коэффициент полезного действия «нетто» меньше КПД «брутто», так как он учитывает затраты энергии на собственные нужды установки.
Левая приходная часть уравнения теплового баланса (19.3) является суммой следующих величин:
Q p / p = Q p / н + Q в.вн + Q пар+ Q физ.т (19.5)
где Q B.BH — теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива. Эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухоподогревателе, то эта теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q пap — теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг топлива; Q физ.т — физическая теплота 1 кг или 1 м 3 топлива.
Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству
где β — отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с р — средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха; при температуре воздуха до 600 К можно считать с р = 1,33 кДж/(м 3 К); Т г.вз — температура нагретого воздуха, К; Т х.вз — температура холодного воздуха, принимаемая обычно равной 300 К.
Теплоту, вносимую с паром для распыления мазута (форсуночный пар), находят по формуле:
где W ф — расход форсуночного пара, равный 0,3 — 0,4 кг/кг; i ф — энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; r — теплота парообразования, кДж/кг.
Физическая теплота 1 кг топлива:
где с т — теплоемкость топлива, кДж/(кгК); Т т — температура топлива, К.
Значение величины Q физ. т обычно незначительно и в расчетах учитывается редко. Исключением являются мазут и низкокалорийный горючий газ, для которых значение Q физ.т существенно и должно обязательно учитываться.
Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q p / р = Q р / н. Слагаемые потерь тепла в уравнении теплового баланса котельного агрегата подсчитывают на основании равенств, приводимых ниже.
1. Потерю теплоты с уходящими газами Q 2(q 2) определяют как разность между энтальпией газов на выходе из котельного агрегата и воздуха, поступающего в котельный агрегат (двоздухоподогревателя), т.е.
где V r — объем продуктов сгорания 1 кг топлива, определяемый по формуле (18.46), м 3 /кг; c р.r, с р.в — средние объемные изобарные теплоемкости продуктов сгорания топлива и воздуха, определяемые как теплоемкости газовой смеси (§ 1.3) с помощью таблиц (см. прил. 1); Т ух, Т х.вз — температуры уходящих газов и холодного воздуха; а — коэффициент, учитывающий потери от механического недожога топлива.
Котельные агрегаты и промышленные печи работают, как правило, под некоторым разрежением, которое создается дымососами и дымовой трубой. Вследствие этого через не плотности в ограждениях, а также через смотровые лючки и т.д. подсасывается из атмосферы некоторое количество воздуха, объем которого необходимо учитывать при расчете I ух.
Энтальпию всего поступающего в агрегат воздуха (с учетом присосов) определяют по коэффициенту избытка воздуха на выходе из установки α ух = α т + ∆α.
Общий подсос воздуха в котельных установках не должен превышать ∆α = 0,2 ÷ 0,3.
Из всех потерь теплоты величина Q 2 — самая значительная. Величина Q 2 возрастает с увеличением коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов, влажности твердого топлива и забалластированности негорючими газами газообразного топлива. Снижение присосов воздуха и улучшение качества горения приводят к некоторому уменьшению потери теплоты Q 2. Основным определяющим фактором, влияющим на потерю теплоты уходящими газами, является их температура. Для снижения Т ух увеличивают площадь теплоиспользующих поверхностей нагрева — воздухоподогревателей и экономайзеров.
Величина Т ух влияет не только на КПД агрегата, но и на капитальные затраты, необходимые для установки воздухоподогревателей или экономайзеров. С уменьшением Т ух возрастает КПД и снижаются расход топлива и затраты на него. Однако при этом возрастают площади теплоиспользующих поверхностей (при малом температурном напоре площадь поверхности теплообмена необходимо увеличивать; см. § 16.1), в результате чего повышаются стоимость установки и эксплуатационные расходы. Поэтому для вновь проектируемых котельных агрегатов или других теплопотребляющих установок значение Т ух определяют из технико — экономического расчета, в котором учитывается влияние T ух не только на КПД, но и на величину капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Другой важный фактор, влияющий на выбор Т ух, — содержание серы в топливе. При низкой температуре (меньше, чем температура точки росы дымовых газов) возможна конденсация водяных паров на трубах поверхностей нагрева. При взаимодействии с сернистым и серным ангидридами, которые присутствуют в продуктах сгорания, образуются сернистая и серная кислоты. В результате этого поверхности нагрева подвергаются интенсивной коррозии.
Современные котельные агрегаты и печи для обжига строительных материалов имеют Т ух = 390 — 470 К. При сжигании газа и твердых топлив с небольшой влажностью Т ух — 390 — 400 К, влажных углей
Т ух = 410 — 420 К, мазута Т ух = 440 — 460 К.
Влажность топлива и негорючие газообразные примеси являются газообразующим балластом, который увеличивает количество получающихся при горении топлива продуктов сгорания. При этом повышаются потери Q 2.
При использовании формулы (19.6) следует иметь в виду, что объемы продуктов сгорания рассчитывают без учета механического недожога топлива. Фактическое количество продуктов сгорания с учетом механической неполноты горения будет меньше. Это обстоятельство учитывают, вводя в формулу (19.6) поправочный коэффициент a = 1 — р 4/100.
2. Потеря теплоты от химического недожога Q 3(q 3). Газы на выходе из топки могут содержать продукты неполного горения топлива СО, Н 2, СН 4, теплота сгорания которых не использована в топочном объеме и далее по тракту котлоагрегата. Суммарная теплота сгорания этих газов и обусловливает химический недожог. Причинами появления химического недожога могут быть:
- недостаток окислителя (α v, кВт/м 3 .
Недостаток воздуха приводит в тому, что часть горючих элементов газообразных продуктов неполного горения топлива может вообще не сгорать из-за отсутствия окислителя.
Плохое перемешивание топлива с воздухом является причиной или местного недостатка кислорода в зоне горения, или, наоборот, большого его избытка. Большой избыток воздуха вызывает снижение температуры горения, что уменьшает скорости реакций горения и делает процесс сжигания неустойчивым.
Малое удельное тепловыделение в топке (q v = BQ p / н/V т, где В — расход топлива; V T — объем топки) является причиной сильного рас сеяния теплоты в топочном объеме и ведет к снижению температуры. Завышенные значения qv также вызывают появление химического недожога. Объясняется это тем, что для завершения реакции горения требуется определенное время, а при значительно завышенном значении qv время нахождения топливовоздушной смеси в топочном объеме (т.е. в зоне наиболее высоких температур) оказывается недостаточным и ведет к появлению в газообразных продуктах сгорания горючих составляющих. В топках современных котельных агрегатов допустимое значение qv достигает 170 — 350 кВт/м 3 (см. § 19.2).
Для вновь проектируемых котельных агрегатов значения qv выбирают по нормативным данным в зависимости от вида сжигаемого топлива, способа сжигания и конструкции топочного устройства. При балансовых испытаниях эксплуатируемых котельных агрегатов величину Q 3 рассчитывают по данным газового анализа.
При сжигании твердого или жидкого топлива величину Q 3, кДж/кг, можно определить по формуле (19.7)
3.Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива Q 4(g 4). При горении твердого топлива остатки (зола, шлак) могут содержать некоторое количество несгоревших горючих веществ (в основном углерода). В результате химически связанная энергия топлива частично теряется.
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания включает ее потери вследствие:
- провала мелких частиц топлива через зазоры в колосниковой решетке Q пр (q пр);
- удаление некоторой части недогоревшего топлива со шлаком и золой Q шл (q шл);
- уноса мелких частиц топлива дымовыми газами Q ун (q ун)
Потеря теплоты q yн принимает большие значения при факельном сжигании пылевидного топлива, а также при сжигании неспекающихся углей в слое на неподвижных или подвижных колосниковых решетках. Значение q ун для слоевых топок зависит от видимого удельного энерговыделения (теплонапряжения) зеркала горения q R, кВт/м 2 , т.е. от количества выделяющейся тепловой энергии, отнесенного к 1 м 2 горящего слоя топлива.
Допустимое значение q R BQ р / н/R (В — расход топлива; R — площадь зеркала горения) зависит от вида сжигаемого твердого топлива, конструкции топки, коэффициента избытка воздуха и т.д. В слоевых топках современных котельных агрегатов величина q R имеет значения в пределах 800 — 1100 кВт/м 2. При расчете котельных агрегатов величины q R, q 4 = q np + q шл + q ун принимают по нормативным материалам. При балансовых испытаниях потерю теплоты от механического недожога рассчитывают по результатам лабораторного технического анализа сухих твердых остатков на содержание в них углерода. Обычно для топок с ручной загрузкой топлива q 4 = 5 ÷ 10%, а для механических и полумеханических топок q 4 = 1 ÷ 10%. При сжигании пылевидного топлива в факеле в котельных агрегатах средней и большой мощности q 4 = 0,5 ÷ 5%.
4. Потеря теплоты в окружающую среду Q 5 (q 5) зависит от большого числа факторов и главным образом от размеров и конструкции котла и топки, теплопроводности материала и талщины стенок обмуровки, тепловой производительности котлоагрегата, температуры наружного слоя обмуровки и окружающего воздуха и т. д.
Потери теплоты в окружающую среду при номинальной производительности определяют по нормативным данным в зависимости от мощности котлоагрегата и наличия дополнительных поверхностей нагрева (экономайзера). Для паровых котлов производительностью до 2,78 кг/с пара q 5 — 2 — 4%, до 16,7 кг/с — q 5 — 1 — 2%, более 16,7 кг/с — q 5 = 1 — 0,5%.
Потери теплоты в окружающую среду распределяются по различным газоходам котлоагрегата (топка, пароперегреватель, экономайзер и т.д.) пропорционально теплоте, отдаваемой газами в этих газоходах. Эти потери учитывают, вводя коэффициент сохранения теплоты φ = 1 q 5/(q 5 + ȵ к.а) где ȵ к.а — КПД котельного агрегата.
5. Потеря теплоты с физической теплотой удаляемых из топок золы и шлаков Q 6(q 6) незначительна, и ее следует учитывать только при слоевом и камерном сжигание многозольных видов топлива (типа бурых углей, сланцев), для которых она составляет 1 — 1,5%.
Потери теплоты с горячей золой и шлаком q 6, %, рассчитывают по формуле
где а шл — доля золы топлива в шлаке; С шл — теплоемкость шлака; Т шл — температура шлака.
При факельном сжигании пылевидного топлива а шл = 1 — а ун (а ун — доля золы топлива, уносимой из топки с газами).
Для слоевых топок а сл шл = а шл + а пр (а пр — доля золы топлива в «провале»). При сухом шлакоудалении температура шлака принимается Т ш = 870 К.
При жидком шлакоудалении, которое наблюдается иногда при факельном сжигании пылевидного топлива Т шл = Т зол + 100 К (Т зол — температура золы в жидкоплавком состоянии). При слоевом сжигании горючих сланцев к зольности Aр вводится поправка на содержание углекислоты карбонатов, равная 0,3 (СО 2), т.е. зольность принимается равной А Р + 0,3 (СО 2) р / к. Если удаляемый шлак находится в жидком состоянии, то значение величины q 6 достигает 3%.
В печах и сушилках, применяемых в промышленности строительных материалов, помимо рассмотренных потерь теплоты приходится учитывать также потери на прогрев транспортных устройств (например, вагонеток), на которых материал подвергается тепловой обработке. Эти потери могут доходить до 4% и более.
Таким образом, КПД «брутто» может быть определен как
ȵ к.а = g 1 — 100 — ∑q потерь(19.9)
Теплоту, воспринятую вырабатываемым продуктом (пар, вода), обозначим Qк.a, кВт, тогда имеем:
для паровых котлов
Q 1 = Q к.а = D (i n.n – i п.н)+ pD/100 ( i — i п.в) (19.10)
для водогрейных котлоагрегатов
Где D — производительность котла, кг/с; i п.п — энтальпия перегретого пара (если котел вырабатывает насыщенный пар, то вместо i п.в следует поставить (i пн) кДж/кг; i п.в — энтальпия питательной воды, кДж/кг; р — количество воды, удаляемой из котлоагрегата с целью сохранения допустимого содержания солей в котловой воде (так называемая непрерывная продувка котла), %; i — энтальпия котловой воды, кДж/кг; М в — расход воды через котлоагрегат,кг/с; с р.в — теплоемкость воды, кДж/(кгК); T вых — температура горячей воды на выходе из котла; Т вх — температура воды на входе в котел.
Расход топлива В, кг/с или м 3 /с, определяют по формуле
Объем продуктов сгорания (см. § 18.5) определяют без учета потери от механического недожога. Поэтому дальнейший расчет котельного агрегата (теплообмен в топке, определение площади поверхностей нагрева в газоходах, воздухоподогревателя и экономайзера) осуществляется по расчетному количеству топлива В р:
Источник
МЕТОДИКИ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛА В УХОДЯЩИХ ГАЗАХ
Уваров В.А. 1 , Староверов С.В. 2 , Феоктистов А.Ю. 3 , Юдин А.И. 4
1 Доктор технических наук, 2 Кандидат технических наук, 3 Кандидат технических наук, 4 Аспирант, государственный технический университет им. В. Г. Шухова
МЕТОДИКИ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛА В УХОДЯЩИХ ГАЗАХ
Аннотация
В статье рассмотрено – методики расчёта количества тепла в зависимости от состава уходящих газов.
Ключевые слова: теплоэнергетика, энергосбережение, промышленность.
Uvarov V.A. 1 , Staroverov S.V. 2 , Pheoktistov A.Y. 3 , Yudin A.I. 4
1 PhD in Engineering, 2 PhD in Engineering, 3 PhD in Engineering, 4 Postgraduate student, Shukhov State Technical University
METHOD OF CALCULATION OF AMOUNT OF HEAT IN THE LEAVING GASES
Abstract
In article it is considered – method of calculation of amount of heat depending on composition of the leaving gases.
Keywords: heat-and-power engineering, energy saving, industry.
К вопросу об использовании тепла от уходящих дымовых газов.
При разработке технологической схемы для использования тепла и углекислого газа от хвостовых поверхностей стеклоплавильных печей следует уделить особое внимание методики расчёта потенциальной тепловой мощности и составу уходящих газов в зависимости от режима работы печи.
В данной статье авторами предложено две методики расчёта тепловой мощности котла-утилизатора.
Известны следующие исходные данные:
Температура уходящих дымовых газов – 820 0 С;
Температура уходящих газов после котла-утилизатора – 350 0 С;
Расход дымовых газов при н.у. – 17187 м 3 /ч;
Объёмный состав уходящих дымовых газов:
Плотность компонентов при н.у.(при 100 0 С):
Средняя плотность дымовых газов при н.у. – 0,308 кг/м 3 ;
Средняя плотность дымовых газов при н.у.(сухой части) – 0,332 кг/м 3 ;
Массовый состав дымовых газов:
Теплоёмкость компонентов при н.у. (при 100 0 С):
Теплоёмкость компонентов после печи:
Средняя теплоёмкость дымовых газов при н.у. – 1,271 кДж/(кг·К);
Средняя теплоёмкость дымовых газов при н.у. (сухой части) – 1,144 кДж/(кг·К);
Энтальпия дымовых газов после печи – 1566 кДж/кг;
Энтальпия дымовых газов после печи (сухой остаток) – 1462 кДж/кг;
Теплоёмкость компонентов после котла-утилизатора:
Средняя теплоёмкость дымовых газов после котла-утилизатора – 1,190кДж/(кг·К);
Средняя теплоёмкость дымовых газов при после котла-утилизатора (сухой части) – 1,074 кДж/(кг·К);
Энтальпия дымовых газов после котла-утилизатора – 808 кДж/кг;
Энтальпия дымовых газов после котла-утилизатора (сухой остаток) – 767 кДж/кг;
Соответственно тепловая мощность котла утилизатора – 4327 кВт;
Соответственно тепловая мощность котла утилизатора (сухой остаток) – 3964 кВт;
Основываясь на расчётах, следует учитывать теплоёмкость водяных паров в уходящих дымовых газах, т.к. погрешность составляет – 408 кВт;
Данные расчёты указывают на влияние влагосодержания дымовых газов к общему тепловому потенциалу. Однако возникает вопрос о средней теплоёмкости газов в зависимости от изменения состава газов.
Для сравнительного анализа потенциального тепла были проведены замеры состава уходящих газов и получены следующие данные:
Период проведения замера – зима
Состав уходящих газов:
Теплоёмкость компонентов при н.у. (при 100 0 С):
Теплоёмкость компонентов после печи:
Средняя теплоёмкость дымовых газов при н.у. – 1,349 кДж/(кг·К);
Средняя теплоёмкость дымовых газов при н.у. (сухой части) – 1,141 кДж/(кг·К);
Энтальпия дымовых газов после печи – 1965 кДж/кг;
Энтальпия дымовых газов после печи (сухой остаток) – 1794 кДж/кг;
Соответственно тепловая мощность котла утилизатора – 5082 кВт;
Соответственно тепловая мощность котла утилизатора (сухой остаток) – 4482 кВт;
Разница составляет: 5082 -4327 =755кВт;
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что при расчётах котлов-утилизаторов необходимо учитывать технологические особенности установки, от которой будет производиться отбор тепла.
Литература
- Уонг Х. Основные формулы по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. – М.: Атомиздат, 1979. – 216 с
- Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях: Справочник / В.Н. Зубарев, А.Д. Козлов, В.М. Кузнецов и др. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 232 с.
Источник