Курсовая работа: Термодинамический анализ эффективности агрегатов энерготехнологических систем

Эксергия воздуха на входе в котел

, (7.15)

где , , – энтальпии воздуха при  и .

Эксергия питательной воды, поступающей в котел, находится в случае ее предварительного подогрева как

, (7.16)

где ,  – энтальпия и энтропия воды при  и заданном давлении в котле (находятся по таблицам воды и водяного пара); ,  – энтальпия и энтропия воды при , .

С достаточной степенью точности  и  для воды могут быть вычислены по формулам  и , где  – теплоемкость воды:  = 4,19 кДж/(кг×К).

Суммарный поток эксергии, уходящий из установки, складывается следующим образом:

, (7.17)

где   эксергия потока перегретого пара;  – эксергия продуктов сгорания, покидающих котел (на выходе из экономайзера);  – эксергия продуктов неполного окисления (химический недожог) смеси отходящих и природного газов в топке котла;   эксергия несгоревшего (физический недожог) топлива (для газообразных горючих  = 0);  – эксергия потока теплоты, теряемой через стенки котла в окружающую среду.

Эксергия потока перегретого пара

, (7.18)

где ,  – энтальпия и энтропия перегретого пара; ,  – энтальпия и энтропия воды при условиях окружающей среды.

Эксергия потока уходящих из котла продуктов сгорания

, (7.19)

где

.

Эксергия продуктов неполного окисления

. (7.20)

Эксергия потока теплоты в окружающую среду

, (7.21)

где

.

Потери эксергии обусловлены необратимостью процессов горения , теплообмена , трения и др., причем наибольший вклад вносят  и , поэтому можно принять:

. (7.22)

Потери эксергии из-за необратимости процесса горения

, (7.23)

или

, (7.24)

где  – эксергия продуктов сгорания в топке при адиабатной температуре горения:

. (7.25)

Здесь

.

Потери эксергии из-за конечной разности температур при теплообмене
между продуктами сгорания, с одной стороны, и водой, паром, воздухом, с другой

. (7.26)

7.3 Эксергетический КПД котла-утилизатора

Эксергетический КПД  характеризует долю полезно использованной эксергии

, (7.27)

где ,   соответственно затраченная и использованная эксергии;

 – транзитная эксергия, то есть эксергия, которая проходит от входа в установку до выхода из нее, не участвуя в процессах преобразования энергии. Для котла-утилизатора в данном случае к транзитной эксергии относятся эксергии потоков питательной воды  и воздуха , а также физическая эксергия потока отходящих газов сажевого производства.

В случае, когда отсутствует “вторичная” утилизация, т. е. не используются потенциалы работоспособности продуктов сгорания, уходящих из котла, , теплоты наружного охлаждения  и теплоты сгорания продуктов неполного окисления , последние могут рассматриваться как потери эксергии. Тогда формула (7.27) преобразуется к виду

. (7.28)

8. РАСЧЕТ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

Продукты сгорания удаляются из котла в атмосферу через дымовую трубу. Необходимая высота дымовой трубы при естественной тяге должна обеспечивать решение двух задач достижение определенной скорости движения продуктов сгорания по газоходам котла, от которой зависит эффективность теплообмена в элементах котла, и вынос продуктов сгорания в более высокие слои атмосферы.

В современных промышленных котельных установках с помощью трубы решается, как правило лишь вторая задача, поскольку для получения требуемых скоростей потоков в газовых и воздушных трактах могут использоваться дутьевые вентиляторы и дымососы. Выбор последних осуществляется на основе результатов аэродинамического расчета котельной установки, который в данной работе не рассматривается.

При эвакуации продуктов сгорания из высотных дымовых труб их концентрация может быть снижена до нормативных значений за счет турбулентного перемешивания с большими объемами окружающего воздуха.

Особую опасность представляют вредные (токсичные) примеси. Для газообразного топлива при полном сгорании основными токсичными составляющими являются оксиды серы SО2, SО3 и оксиды азота NО, NО2. Около 99% оксидов серы составляет SО2 и в расчетах выбросов условно принимается, что вся сера переходит в SО2.

Оксиды азота образуются в зоне высоких температур (в ядре факела пламени) в предтопке в результате окисления азота, входящего в состав как смеси горючих газов, так и подаваемого воздуха. На выходе из дымовой трубы NО составляет до 95% от суммы NО + NО2. Однако в процессе распространения дымового факела в атмосфере происходит доокисление NО в NО2 кислородом воздуха. Поэтому массовый выброс оксидов азота из котлов рассчитывается по NО2.

Высота дымовой трубы должна обеспечивать такое рассеивание токсичных веществ в атмосфере, при котором их концентрация у поверхности земли будет меньше предельной допускаемой санитарными нормами. Разовая предельно допускаемая концентрация (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест не должна превышать по SО2 – 0,5 мг/м3, по NО2 – 0,085 мг/м3.

Минимально допустимая высота трубы, при которой выполняется указанное выше требование, рассчитывается по формуле (без учета фоновой загазованности от других источников):

Нmin ³ , (8.1)

где   коэффициент, учитывающий характер атмосферных течений ( для Нижнего Поволжья принимают  = 200);   безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения загрязняющих веществ в атмосфере (для газообразных веществ =1); ,  – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода дымовых газов из устья трубы; ,  – массовые выбросы вредных веществ, г/с;  – максимальная разовая предельно допускаемая концентрация диоксида серы, мг/м3;  – объем всех выбрасываемых продуктов сгорания, м3/с: ; – разность между температурой выбрасываемых из трубы продуктов сгорания и температурой атмосферного воздуха.

Массовый выброс окислов азота в г/с (в пересчете на NО2) рассчитывается по приближенной формуле

 , (7.2)

где  – низшая теплота сгорания смеси горючих газов, КДж/м3;  – суммарный расход указанной смеси, м3/с; b – поправочный коэффициент, учитывающий вид топлива и особенности сжигания (в данном случае принимается b=1);  – выход NО2 на 1МДж теплоты, выделяющейся при сгорании, г/МДж. Значения  при сжигании газообразного топлива определяются по формулам:

для котлов паропроизводительностью  = 20 … 265 кг/с

 , (7.3)

для котлов паропроизводительностью  = 8 … 20 кг/с

, (7.4)

При сжигании газового топлива SО2 образуется в ходе реакции окисления Н2S. В данном случае последний компонент присутствует только в составе отходящих газов, поэтому объем  в расчете на 1м3 смеси отходящих газов с природным составляет

, (7.5)

Объемный выброс диоксида серы в единицу времени , м3/с:

. (7.6)

Массовый выброс диоксида серы , г/с:

, (7.7)

где   атмосферное давление;   универсальная газовая постоянная;
  молекулярная масса SO2.

8.1 Расчет экономии топлива

Как уже отмечалось ранее, использование вторичных энергоресурсов, имеющихся практически во всех отраслях промышленности, где применяются теплотехнологические процессы, позволяет обеспечить значительную экономию топлива и энергии.

Экономия топлива за счет использования отходящих газов сажевого производства в котле-утилизаторе для выработки пара определяется по формуле

, (8.1)

где  – расход природного газа в смеси с отходящими газами;  – количество природного газа, которое потребовалось бы без использования отходящих газов для выработки такого же количества пара тех же параметров, что и в котле-утилизаторе.

Величина  приближенно вычисляется по формуле

, (8.2)

Где

.

Теплота, вносимая подогретым воздухом в топку (в расчете на 1м3 природного газа),

, (8.3)

где  – объем воздуха необходимый для сжигания 1м3 природного газа при a=1.

На практике часто экономию топлива выражают в тоннах так называемого условного топлива, теплота сгорания которого составляет 29300 кДж/кг:

. (8.4)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назначение котла-утилизатора.

2. Устройство котла-утилизатора типа ПКК, назначение его отдельных элементов.

3. Методика расчета процесса сгорания в котле-утилизаторе.

4. Как рассчитываются энтальпии воздуха и продуктов сгорания?

5. Тепловой баланс котла-утилизатора.

6. Коэффициент использования теплоты и его вычисление.

7. Что включает в себя располагаемая теплота?.

8. Методика расчета действительной паропроизводительности котла.

9. Адиабатная температура горения и ее вычисление.

10. Понятие эксергии.

11. Каковы цели эксергетического анализа котла-утилизатора?

12. Виды эксергии и расчетные формулы.

13. Эксергетический баланс котла-утилизатора.

14. Эксергетический КПД.

15. Формула для приближенного вычисления эксергии потока продуктов сгорания.

16. Формулы для вычисления эксергий потоков перегретого пара и питательной воды.

17. Виды потерь эксергии в котле.

18. Методика расчета дымовой трубы.

19. Методика расчета экономии топлива.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица П 1

Интерполяционные формулы для средних объемных теплоемкостей в изобарном процессе при атмосферном давлении 0,1013 МПа (линейная зависимость)

ГАЗ	= аi + bi t, кДж / (м3×К)
ВОЗДУХ	= 1,287 + 1,201×10 -4t
H2	= 1,28 + 5,23×10-5t
N2	= 1,306 + 1,107×10-4t
О2	= 1,313 + 1,577×10-4t
СО	= 1,291 + 1,21×10-4t
СО2	= 1,7132 + 4,723×10-4t
Н2О	= 1,473 + 2,498×10 –4t
СН4	= 1,5491 + 1,181×10-3t
Н2S	= 1,5072 + 3,266×10-4t

Здесь t в °С.

Таблица П 2

Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

р, МПа	0,1	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
tН, °С	99,63	151,85	179,88	198,28	212,37	223,94	233,84	242,54	250,33	257,41
h¢,кДж/кг	417,5	640,1	762,6	844,7	908,6	962,0	1008,4	1049,8	1087,5	1122,2
h¢¢,кДж/кг	2,6757	2748,5	2777,0	2790,4	2797,4	2800,8	2801,9	2801,3	2799,4	2796,5

Таблица П3

Термодинамические свойства воды и перегретого пара

t, °C	р = 2,0 МПа			р = 2,5 МПа			р = 4,5 МПа
	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кг×К)	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кг×К)	n, м3/кг	h, кДж/кг	s, кДж/(кг×К)
0	0,00010	2,0	0,0000	0,00010	2,5	0,0000	0,00010	4,5	0,0002
50	0,00101	211,0	0,7026	0,00101	211,4	0,7023	0,00101	213,1	0,7014
100	0,00104	420,5	1,3054	0,00104	420,9	1,3050	0,00104	422,4	1,3034
150	0,00109	633,1	1,8399	0,00109	633,4	1,8394	0,00109	634,6	1,8372
200	0,00115	852,6	2,3300	0,00115	852,8	2,3292	0,00115	853,6	2,3260
250	0,1115	2902,5	6,5460	0,08701	2879,9	6,4087	0,00125	1085,8	2,7923
300	0,1255	3024,0	6,7679	0,09892	3009,4	6,6454	0,05136	2943,9	6,2848
350	0,1386	3137,2	6,9574	0,1098	3126,6	6,8415	0,05840	3081,3	6,5149
400	0,1512	3248,1	7,1285	0,1201	3239,9	7,0165	0,06473	3205,8	6,7071
450	0,1635	3357,7	7,2855	0,1301	3351,0	7,1758	0,07070	3323,8	6,8763

Примечание. Числовые значения выше разграничительной линии относятся к воде, ниже – к перегретому пару.

* Теплота подогрева воздуха в воздухоподогревателе в выражении (4.33) не учитывается, так как это же количество теплоты отдается продуктами сгорания воздуху в воздухоподогревателе в пределах котельного агрегата, т. е. осуществляется регенерация (возврат) теплоты.

* Продувка – это вывод из котла небольшого количества воды с большой концентрацией растворимых накипеобразующих солей.