Основы технической термодинамики

 

Q₁ = Q₂ = k F Dt.    (177)

 

Средний температурный напор Dt зависит от вида движения теплоносителей (прямоток, противоток):

 

    (178)

 

Величины Dtб и Dtм для случаев прямотока и противотока следует принимать из рисунка 39, а для более сложных схем движения теплоносителей – из справочной литературы.

Рекуперативные теплообменники противоточного типа в практике используют значительно  чаще, поскольку они имеют при  одинаковых с прямотоком значениях температур теплоносителей большее значение Dt, а следовательно, меньшую площадь теплообмена F (м²), то есть они более компактны.

 

П р и м е р  1.  Рассчитать коэффициент теплопередачи через  обмуровку парогенератора, обмываемую изнутри дымовыми газами,              a₁ = 25 Вт/(м^{2 .} К), а снаружи – воздухом, a₂ = 10 Вт/(м^{2 .} К). Обмуровка состоит из двух слоев: огнеупорного кирпича (d₁ = 400 мм) и красного кирпича (d₂ = 500 мм).

Коэффициент теплопроводности огнеупорного кирпича l₁ = 1,16 Вт/(м^{2 .} К), для красного кирпича l₂ = 0,58 Вт/(м^{2 .} К).

Решение.

 

 

П р и м е р  2.  Из сельской котельной в водоводяной теплообменник, установленный на ферме КРС, поступает  вода с начальной температурой t¢₁ = 110 ⁰C. Температура обратной воды должна быть не ниже t²₁ = 70 ⁰C.

Для внутрифермских нужд (мытье оборудования, душевая, подмывка вымени животных и  т. п.) требуется в час 0,8 м³ воды с температурой              t²₂ = 65 ⁰C. Считая начальную температуру нагреваемой воды t²₁ = 10 ⁰C, надо определить расход греющей воды G_r, количество теплоты Q, передаваемой от греющей воды к нагреваемой, и площадью поверхности нагрева при прямоточной схеме движения теплоносителей, считая коэффициент теплопередачи К = 1700 Вт/(м^{2 .} К).

Р е ш е н и е.  Тепловой баланс для такого теплообменника будет:

 

G_r ^. c_в (t¢₁ – t²₁) = G_н ^. c_в (t²₂  –  t¢₂),  

 

где c_в – массовая теплоемкость воды » 4,18 кДж/(кг ^. К), G_в – масса нагреваемой воды = 800 кг/ч.

 

 

 

Количество теплоты, передаваемой от греющей воды к нагреваемой, следующее:

 

Q_г = G_r ^. c_в (t¢₁ – t²₁) = 183920 кДж/ч = 51 кДж/с = 51 кВт.

 

Площадь поверхности теплообмена  при прямотоке определяется по уравнениям:

 

 

       

 

 

Контрольные вопросы и задания. 1. Что означает сложный теплообмен? 2. Как рассчитать теплопередачу через однослойную плоскую стенку? 3. Напишите выражение для подсчета коэффициента теплопередачи К, укажите его размерность. 4. Дайте понятие термического сопротивления R, укажите его размерность.5. Как рассчитать теплопередачу через цилиндрическую стенку? 6. Дайте понятия линейного коэффициента теплопередачи и линейного термического сопротивления, укажите их размерность. 7. Какие способы интенсификации теплопередачи вы знаете? 8. Как влияют отложения сажи и накипи на эксплуатационные показатели котельного агрегата? 9. Расскажите о назначении и основных свойствах теплоизоляционных материалов. 10. Дайте определение теплообменных аппаратов, назовите виды теплообменников. 11. Нарисуйте схему изменения температур теплоносителей по длине теплообменника при прямотоке и противотоке, напишите формулу для подсчета Dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ  14

ТОПЛИВО  И  ОСНОВЫ

ТЕОРИИ  ПРОЦЕССОВ  ГОРЕНИЯ

 

 

14. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

 

Энергетическим топливом называют такие горючие вещества, которые  экономически целесообразны при  сжигании в технических устройствах  для получения теплоты.

В качестве топлива можно использовать такое горючее вещество, которое удовлетворяет следующим требованиям: 1) выделяет при сгорании достаточно большое количество теплоты; 2) в продуктах сгорания отсутствуют компоненты, губительно действующие на окружающий растительный и животный мир; 3) встречается в природе или его получают при переработке других горючих веществ в значительных количествах; 4) экономически целесообразно при добыче и транспортировке к местам потребления; 5) сравнительно легко воспламеняется.

 

 

§ 3. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.

       ПОНЯТИЕ  УСЛОВНОГО ТОПЛИВА

 

Теплота сгорания топлива показывает, какое количество теплоты (в килоджоулях) выделяется при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива  при нормальных условиях.

Различают низшую и высшую, удельную и объемную теплоту сгорания топлива.

Низшая теплота сгорания меньше высшей на то количество теплоты, которая затрачивается на испарение воды, образующейся при сгорании топлива, а также влаги, содержащейся в нем.

Высшей называется теплота сгорания, определяемая без учета затрат теплоты  на испарение влаги топлива и влаги, полученной при сгорании свободного и связанного водорода.

Например, удельная низшая теплота  сгорания каменного угля – 28…34 МДж/кг, бензина » 44 МДж/кг, низшая объемная теплота сгорания природного газа – 31…38 МДж/м³.

Низшей Q_н^p называется теплота сгорания, определяемая с учетом затрат теплоты на испарение влаги. В расчетах применяется низшая теплота сгорания топлива Q_н^p (кДж/кг).

Низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлив подсчитывается по формуле Д. И. Менделеева:

 

    Q_н^p = 339 C^p + 1030 H^p – 109 (O^p – S_л^p) – 25 W^p, (183)

 

где  S_л^p = S_ор^p + S_к^р – летучая сера, %.

 

Высшая теплота сгорания твердого и жидкого топлив определяется по формуле:

 

Q^р_в = Q^р_н + 25 (9 H^p + W^p).   (184)

 

Низшую теплоту сгорания сухого газообразного топлива при нормальных условиях, кДж/нм³, определяют по формулам, приводимым в справочной литературе.

Так как теплота сгорания различных  видов топлива различна, для сравнения  их теплового действия введено понятие  «условное топливо». Условным принято  считать топливо, для которого низшая теплота сгорания равна 29 300 кДж/кг (29,3 МДж/кг) для твердого и жидкого или 29 300 кДж/нм³ для газообразного.

Для перевода любого конкретного топлива  в условное необходимо низую теплоту  сгорания данного топлива разделить  на 29 300 кДж/кг или кДж/нм³, полученное число (тепловой эквивалент Э_т) умножить на массу (В_к) этого топлива, то есть:

 

  (185)

 

где В_ус – масса условного топлива, соответствующая данному конкретному топливу.

 

При отсутствии данных о низшей теплоте сгорания конкретных топлив при планировании расхода условного топлива рекомендуется пользоваться средними эквивалентами для перевода натурального топлива в условное.

 

Уголь:

подмосковный	–0,38		экибастузский	–0,57
кузнецкий	–0,93		ленгеровский	–0,57
печорский	–0,83		узбекский	–0,51
кизеловский	–0,76		Торф:
челябинский	–0,51		фрезерный	–0,37
богословский	–0,44		кусковой	–0,40
южно-уральский	–0,38		брикетированный	–0,60
черемховский	–0,73		Дрова (на 1 м3)	–0,26
забайкальский	–0,62		Мазут:
хакасский	–0,78		топочный	–1,37
канский	–0,48		флотский	–1,43
приморский	–0,64		Моторное топливо	–1,43
дальневосточный	–0,48		Дизельное топливо	–1,43
сахалинский	–0,76		Газ природный и попутный	–1,2
норильский	–0,78		Сжиженный газ:
магаданский	–0,78		пропан технический	–3,1
якутский	–0,89		бутан технический	–4,05
донецкий	–0,9
украинский	–0,39
карагандинский	–0,78

 

 

 

§ 4. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

        ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА

 

Главная составляющая горючей части топлива – углерод. Теплота сгорания углерода – 33 650 кДж/кг. Содержание углерода по горючей массе топлива составляет: в антраците – 87…93%, в мазуте – 85…88, в бурых и каменных углях – 65…80, в торфе – 50…56, в сланцах _ 60…77%. Следовательно, с повышением геологического возраста топлива содержание в нем углерода возрастает. Чем выше содержание углерода в топливе, тем хуже его воспламеняемость.

Водород является важным горючим компонентом топлива. Теплота сгорания водорода – около 142 000 кДж/кг, то есть в 4,2 раза больше теплоты сгорания углерода. Содержание водорода в топливах (на горячую массу) составляет: в мазуте – 10…10,5%, в торфе и дровах – 6…6,2, в бурых и каменных углях – 4…6, в антрацитах – 2,0…2,4%. Содержание водорода в топливе с повышением возраста уменьшается.

Сера в составе твердого топлива разделяется на органическую S_op, колчеданную S_к и сульфатную S_c. Органическая сера и сера колчеданная в сумме составляют горючую, или летучую, серу S_л. При сгорании S_л образует окислы SO₂ и SO₃, вызывающие коррозию поверхностей нагрева котлоагрегатов и другой аппаратуры, а при попадании с дымовыми газами в атмосферу загрязняет окружающую среду.

Сульфатная сера в горении не участвует и попадает в состав золы.

Теплота сгорания серы составляет около 9000 кДж/кг. Содержание серы в углях доходит до 5…7%, в сланцах – до 15, в мазуте – до 3%, в природных газах сера практически отсутствует, и ее примеси встречаются только в оренбургском газе.

Кислород относится к негорючей части топлива. Он входит в химические соединения с некоторыми горючими компонентами (например, с водородом) топлива.

Азот не участвует в горении и является инертной частью топлива, образуя вместе с кислородом его внутренний балласт.

Зола топлива – негорючий остаток, получающийся при полном сгорании топлива. Она вместе с влагой образует внешний балласть топлива.

Как правило, в золе твердого топлива  содержатся окислы серы (SO₂), алюминия (Al₂O₃), железа (FeO) и в значительно меньших количествах MgO,  K₂O, щелочи и хлориды. Содержание золы после сгорания бурых и каменных углей составляет (в % от рабочей массы) 5…25, торфа – 5…7, мазута – 0,3, сланцев – 40…60.

Наличие значительного количества золы затрудняет эксплуатацию котельных  агрегатов. Если зола легкоплавкая (температура начала жидкоплавкого состояния t₃ £ 1350 ⁰C), то она налипает на поверхности нагрева котлоагрегата и нарушает режим его работы.

Влага, как отмечалось выше, является балластом топлива, уменьшает его  тепловую ценность. Кроме того, часть  теплоты, выделяемой при сгорании топлива, расходуется на испарение влаги.

Важнейшей теплотехнической характеристикой  твердого топлива является наличие  в нем летучих веществ. Летучими веществами называют газообразные и  парообразные продукты, которые выделяются при нагревании воздушно-сухого топлива массой 1 кг при температуре 850 ⁰С в течение 7 мин без доступа воздуха. Твердый остаток, получающийся после удаления летучих веществ, называется коксом.

В состав летучих веществ входят СО, H₂, CO₂, O₂, N₂, H₂O и др. Количество летучих веществ и их состав характеризуют воспламеняемость топлива, яркость пламени при горении и длину факела. С уменьшением содержания летучих веществ воспламенение происходит при более высоких температурах, а пламя теряет окраску. Выход летучих веществ для сланцев составляет 80…90%, для торфа – 70, для бурых углей – 30…60, для антрацитов – до 9%.

 

 

 

 

 

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ  15

ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

 

Горение топлива – это окисление  его горючих элементов кислородом с выделением значительного количества теплоты.

 

 

§ 1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ  ТОПЛИВА

 

В зависимости от скорости горения  различают нормальное горение и  взрывное. Скоростью горения называется скорость распространения пламени. При нормальном горении скорость распространения пламени, как  правило, не превышает 20…30 м/с, а при взрывном горении – 2000…3500 м/с. Для того чтобы топливо начало гореть, необходимо поднять его температуру (⁰С) до температуры воспламенения:

 

 

 

 

 

 

каменный уголь	–500…650		природный газ	–800
бурый уголь, дрова	–620…700		водород	–800…850
торф (сухой)	–500…650		метан	–1080
кокс, антрацит	–920…970		этан	–860
керосин	–650		окись углерода	–890
бензин	–690		ацетилен	–600…770
бензол	–800		генераторный газ	–800