Эксергетическая оценка системы «печь - котел-утилизатор»

V = 1,50 + 2,19+ 12,68 + 0,75 = 17,13 м³/кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

                                                                                                            (17)

 кг/м³.

Найдем  теплоемкость и энтальпию продуктов  сгорания 1 кг топлива в интервале температур от  0 °С (273 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 1.

     Таблица 1

Средние удельные теплоемкости газов с_р, кДж/(кг∙К)

t, °С	O2	N2	CO2	H2О
0	0,9148	1,0392	0,8148	1,8594
100	0,9232	1,0404	0,8658	1,8728
200	0,9353	1,0434	0,9102	1,8937
300	0,95	1,0488	0,9487	1,9292
400	0,9651	1,0567	0,9877	1,9477
500	0,9793	1,066	1,0128	1,9778
600	0,9927	1,076	1,0396	2,0092
700	1,0048	1,0869	1,0639	2,0419
800	1,0157	1,0974	1,0852	2,0754
1000	1,0305	1,1159	1,1225	2,1436
1500	1,099	1,1911	1,1895	2,4422

 

Энтальпия дымовых газов, образующихся при  сгорании 1 кг топлива:

                                                                                               (18)

=  (19)

где с_CO2, с_H2O, с_N2, с_О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газов при температуре t, кДж/(кг · К);

с_t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t, кДж/(кг К);

при 0°С

 кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 100°С

 кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 300 °С:

  кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 500 °С:

 кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 600 °С:

 кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 700 °С:

  кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг;

 при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

 кДж/кг.

 

Результаты расчетов сводим в табл. 2.                                               

                                                                                                                   Таблица 2

Температура		Теплоемкость продуктов сгорания сt, кДж/(кг∙К)	Энтальпия продуктов сгорания Ht, кДж/кг
°С	К
0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500	273 373 473 573 673 773 873 973 1073 1273 1773	23,151 23,353 23,581 23,859 24,148 24,438 24,745 25,061 25,361 25,901 27,892	0,00 2335,29 4716,26 7157,68 9659,25 12219,01 14847,29 17542,51 20288,73 25900,59 41837,27

 

По данным табл. 2 строим график зависимости H_t = f(t) см. рис. 2.

 

Рис.2

      

3.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

 

Полезная  тепловая нагрузка - тепловой поток, воспринятый водяным паром в печи:

                                                                          (20)

где G - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;

H_вп1 и Н_вп2 - энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;[4]

Вт.

          Температура уходящих дымовых  газов равна 290°С (563 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причём 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной, то есть КПД топки составляет:

.

 

Потерями тепла от химического недожига, а также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем [3,с. 325].

Определим КПД печи:

                                                                                     (21)

где Н_ух=7000 кДж/кг (см рис. 2) - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь,

 q_пот - потери тепла в окружающую среду, % или доли от Q_пол;

Расход  топлива, кг/с:

                                                                                        (22)

 кг/с.

 

3.3 Расчет радиантной камеры  и камеры конвекции

 

Задаемся  температурой дымовых газов на перевале t_п = 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале H_п = 20288,73 кДж/кг (см. табл. 2 и рис. 2).

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в радиантных трубах:

                                                                            (23)

где Н_п - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;

η_т - коэффициент полезного действия топки;

 Вт.

Тепловой  поток, воспринятый водяным паром  в конвекционных трубах:

                                                                                           (24)

 Вт.

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру рассчитывается как:

                                                                                      (25)

 кДж/кг.

          Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере ∆P_к = 0,1 МПа, тогда:

P_к = P - P_к,                                                                                                (26)

P_к = 0,7 – 0,1 = 0,6 МПа.

С помощью  программы [4] по найденным значениям и определяем температуру входа водяного пара в радиантную секцию, t_к = 350°С.

Средняя температура наружной поыерхности  труб составит:

                                                                                 (27)

где Δt - разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt = 20°С;

К

Максимальная расчетная температура горения:

                                                                                        (28)

где t_o - приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха, которая принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение; t₀=24⁰C

с_п.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре на перевале, t_п;

         °С.

При t_max = 1713,6 °С и t_п = 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q_s для различных температур наружной поверхности радиантных труб [1, с. 17]  имеет следующие значения:

Θ, °С                    200                   400                   600

q_s, Вт/м²           1,50 ∙ 10⁵          1,25 ∙ 10⁵          0,85 ∙ 10⁵

Строим вспомогательный график (см. рис. 3), по которому находим теплонапряженность при Θ = 535 °С: q_s = 1,0 ∙ 10⁵ Вт/м².

Рис.3

          Рассчитываем полный тепловой поток, внесенный в топку:

                                                                                     (29)

 Вт.

Предварительное значение площади эквивалентной  абсолютно черной поверхности:

                                                                                                  (30)

     м².

Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 и для α = 1,29 находим [3, с. 310] , что

H_s/H_л = 0,74

         Величина эквивалентной плоской поверхности:

                                                                                              (31)

        м².

Принимаем однорядное размещение труб и шаг  между ними:

S = 2d_н = 2 ∙ 0,152 = 0,304 м.                                                                (32)

 Для  этих значений фактор формы К = 0,87.

Величина  заэкранированной поверхности кладки:

                                                                                                     (33)

 м².

Поверхность нагрева радиантных труб:

                                                                                                (34)

 м².

Т.к. рассчитанная поверхность нагрева радиантных труб 105,19 м² выбираем печь ББ1 , ее параметры:

поверхность камеры радиации, м² 124

поверхность камеры конвекции, м² 124

рабочая длина печи, м 12

ширина  камеры радиации, м 1,2

исполнение  б

способ  сжигания топлива беспламенное горение

диаметр труб камеры радиации, мм 152×6

диаметр труб камеры конвекции, мм 114×6

Вариант исполнения печи типа ББ1 приведен на рис. 4.

Вариант исполнения печи ББ1

                               

Рис. 4

Число труб в камере радиации:

                                                                                             (35)

где d_н - наружный диаметр труб в камере радиации, м;

l_пол - полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,

l_пол = 12 –0,4·2=11,2м,                                                                               (36)

Теплонапряженность  поверхности радиантных труб:

                                                                                                  (37)

 Вт/м².

Определяем  число труб камеры конвекции:

                                                                                              (38)