Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

централизованной системе теплоснабжения используются теплоносители, в

качестве которых чаще всего применяется вода или пар. Воду в зависимости

от температуры окружающей среды и потребностями нагревают до

необходимой температуры и насосами подают по трубам к потребителю.

Система трубопроводов с арматурой, насосами, компенсаторами и

теплоизоляцией называется теплотрассой.

Системы производства и распределения тепловой энергии в отличие от

потребителей теплоты обладают некоторой общностью, в связи с чем могут

быть рассмотрены как самостоятельные объекты, имеющие сходные

характеристики.

Рассмотрим процессы производства тепловой энергии путем сжигания

углеводородного топлива.

Горение углеводородного топлива это химическая реакция его

быстрого окисления, в результате которой выделяется тепло. Если

химическая реакция горения протекает на открытом воздухе, то давление

остается постоянным и процесс получения теплоты определяется следующим

уравнением

Q = ΔН (7.1)

где Q – выделенная при горении теплота, Дж.;

ΔН – изменение энтальпии в процессе горения, Дж.

Разные виды топлива обладают и разной способностью изменять

энтальпию в процессе горения. Можно записать:

Q = k

m (7.2)

- Соотношение выполняется не точно из-за диффузии продуктов сгорания в

атмосферу.

1 3

2 3

где m – масса сгораемого топлива, кг.

Коэффициент k

называется удельной теплотой сгорания или

теплотворной способностью топлива, и согласно (7.2) измеряется в Дж/кг

Теплотворную способность топлива можно определить опытным

путем, сжигая его в калориметре, или расчетным путем. Различают высшую

и низшую теплотворную способность топлива, которые для углеводородного

топлива можно определить по следующим формулам:

 высшая теплотворная способность

= 339C + 1256H – 109(O – S), кДж/кг (7.3)

 низшая теплотворная способность

= 339C + 1256H – 109(O – S) – 25W, кДж/кг (7.4)

где C, H, O, S – процентное содержание в топливе углерода, водорода,

кислорода и летучей серы соответственно, %;

W – содержание влаги в топливе, %.

Как следует из формул (7.3), (7.4), понижение теплотворной

способности топлива связано с испарением влаги. При расчете теплотворной

способности топлива по формулам (7.3) и (7.4) следует учитывать, что

рабочая масса топлива включает следующие компоненты:

C + H + S + O + N + A + W = 100% (7.5)

где А – содержание минеральных примесей, образующих золу, %;

N – содержание азота, %.

- для газообразного топлива теплотворную способность измеряют в Дж/м

1 3

2 3

Теплотворную способность газообразного топлива определяют по

следующей формуле:

= 358CH

+ 638C

+ 913C

+ 108H

+ 126CO + 590C

+ 234H

S, кДж/м

(7.6)

Очевидно, что чем больше теплотворная способность топлива, тем оно

ценнее. Ниже приводится теплотворная способность некоторых

распространенных видов топлива.

Таблица 7.1

Теплотворная способность топлива

Вид топлива Теплотворная способность, Дж/кг

высшая низшая

Природный газ

36200 30000

Каменный уголь (антрацит) 30000 25000

Нефть 45100 30000

Мазут 42000 40500

Биогаз

30000 23000

Дрова 20000 13300

Торф 14000 12600

Солярка 44000 42600

* - приводятся усредненные данные;

** - размерность Дж/м

Кроме теплотворной способности топлива его качество определяют и

температурой его горения. Считается, что чем выше температура горения,

тем ценнее топливо. Это утверждение основано на зависимости к.п.д. цикла

Карно от температуры (см. гл. 6) и справедливо для анализа тепловых машин.

Это определение качества топлива (по температуре горения) справедливо и

для процессов теплоснабжения, так как теплота, выделяемая при сгорании

топлива, определяется по формуле (5.4), и тем больше, чем больше

превышение температуры горения над температурой окружающей среды.

1 3

2 3

Для повышения температуры горения увеличивают скорость

выделения тепла и обеспечивают полное сгорание топлива. Этого достигают

путем более интенсивной подачи окислителя (кислорода воздуха) и

увеличения поверхности окисления, для чего твердое топливо измельчают, а

жидкое топливо распыляют.

Отметим здесь, что если теплоту получают с помощью теплообменных

аппаратов, то не всегда эффективно увеличивать температуру греющего

теплоносителя (см. гл. 6).

Произведенную в результате горения теплоту стараются направить к

теплоносителю или сразу к объекту его потребления (внутреннему

пространству отапливаемого помещения). Так как воздух обладает меньшей

теплопроводностью, чем вода, то казалось бы всегда более рационально

нагревать воду и распределять ее по всему обогреваемому пространству.

Однако, (как уже отмечалось в главе 5), выделяемое тепло

распространяется в окружающую среду, необратимо теряясь в виде анергии.

Вследствие этого невозможно всю произведенную тепловую энергию

направить к теплоносителю. Исходя из этого, можно выделить два

граничных случая: обогрев очень малого внутреннего объема и обогрев

достаточно большого объема. В первом случае, видимо будет более

эффективно получаемое тепло сразу передавать окружающему пространству,

в качестве которого выступает внутренний (небольшой) объем

обогреваемого помещения. Во втором случае обогрев помещения

непосредственно от источника тепла будет неравномерным по объему из-за

больших размеров помещения и низкой теплопроводности воздуха. Таким

образом, для обогрева больших помещений применяются теплоносители,

которые способны распределять теплоту по всему (большому) объему

обогреваемого помещения.

Применение промежуточных теплоносителей позволяет распределять

теплоту не только внутри обогреваемого помещения, но и между

помещениями или тепловыми аппаратами, часто называемыми

1 3

2 3

потребителями тепловой энергии

. Передача тепловой энергии с помощью

теплоносителя производится при помощи тепломассопереноса, который

заключается в следующем.

Если какой либо флюид (от слова fluidus – текучий (лат.)) газ или

жидкость направить вдоль нагретого тела, например, по нагретой трубе

(рисунок 7.1), то теплота путем теплопроводности будет передаваться этому

флюиду, который в результате будет нагреваться. Если затем перемещенный

флюид соприкоснется с менее нагретым телом (имеющим более низкую

температуру чем нагретый флюид), то теплота от флюида будет путем

теплопроводности передаваться этому телу. Если это (нагреваемое) тело (см.

рисунок 7.1) имело тепловой контакт с более нагретым телом, то теплота ему

будет передаваться не только путем теплопроводности через тепловой

контакт, но и путем теплопроводности между флюидом и нагреваемым

телом. Дополнительным источником теплоты здесь служит более нагретый

флюид, точнее более нагретая перемещенная масса флюида.

Рисунок 7.1. К пояснению транспортировки теплоты тепломассопереносом

1 – нагретое тело, 2 – теплоноситель (флюид), 3 холодное тело.

Таким образом, теплота перемещается не только посредством

теплопроводности по тепловому контакту между нагретым и холодным

телами, но и (в основном) посредством перемещения нагретых масс флюида

к холодному телу. Это процесс называется тепломассопереносом, а флюид -

теплоносителем. Такой процесс передачи тепловой энергии называется

транспортировкой теплоты.

- потребители тепловой энергии не совсем удачное название, так как энергию нельзя потребить, ее можно

только преобразовывать или передавать.

> T

1 3

2 3

При описании процесса тепломассопереноса мы упоминали явление

теплопроводности, но не затрагивали его сущности. Учитывая, что

теплопроводность участвует в отборе теплоты от нагретого тела и в

транспортировке тепловой энергии, рассмотрим это понятия более подробно.

Для уяснения физической сущности теплопроводности обратимся к

современным представлениям о строении вещества и его энергетических

характеристиках. Как известно, все вещества состоят из молекул, которые

связаны между собой действием межмолекулярных сил. По теории

Максвелла взаимодействие между молекулами осуществляется посредством

полей. При таком взаимодействии молекулы находятся в непрерывном

колебательном движении, то есть, обладают кинетической энергией. Чем

выше частота и амплитуда колебаний молекул, то есть, чем выше их

кинетическая энергия, тем выше и температура тела, состоящего из этих

молекул. Зависимость между температурой и средней кинетической энергией

молекул установлена Максвеллом и Больцманом, и имеет вид:

СР



(7.7)

где Е

СР

– средняя кинетическая энергия молекул вещества, Дж.;

k – постоянная Больцмана. k = 1,38 • 10

–23

, Дж/К.

Таким образом, более нагретое тело имеет и большую среднюю

кинетическую энергию молекул, то есть, его молекулы имеют бόльшую

амплитуду и частоту колебаний. Если два тела сблизить настолько, что их

пограничные молекулы будут взаимодействовать своими полями, то более

нагретая молекула будет раскачивать менее нагретую, увеличивая ее

кинетическую энергию и температуру. При этом кинетическая энергия (а,

следовательно, и температура) греющей молекулы будет, по закону

сохранения энергии, уменьшаться. Очевидно, молекула с меньшими

2 3

колебаниями не сможет раскачать молекулу с большими колебаниями, что

совпадает со вторым законом термодинамики.

Взаимное влияние молекул греющего и нагреваемого тела приведет, в

конце концов, к выравниванию колебаний молекул (точнее, к выравниванию

средних кинетических энергий молекул этих тел), то есть, наступит тепловое

равновесие. До наступления теплового равновесия температура, измеренная

на разных расстояниях от теплового контакта, будет неодинакова.

Отношение разности температур к расстоянию называется температурным

градиентом. Очевидно, скорость передачи теплоты будет пропорциональна

площади теплового контакта и градиенту температур. То есть, можно

записать:







(7.8)

Или в дифференциальной форме:



(7.9)

где t – время, сек.

х – линейная координата, м;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м•К;

S – площадь теплового контакта, м

Таким образом, коэффициент теплопроводности показывает, какая

мощность теплового потока будет передана на единицу длины при разности

температур в 1К. Значения коэффициента теплопроводности для различных

материалов определены и приводятся в справочных таблицах (приложение

3).

2 3

Рассматривая процесс теплопередачи с помощью теплоносителя

необходимо рассмотреть и передачу тепла в среду, окружающую

теплопровод. Теплота, переданная в окружающую среду, не доходит до

потребителя тепловой энергии и является потерями. В этой связи она

представляет весьма значительный интерес для энергосбережения.

Теплота в окружающую среду передается посредством излучения или

радиации (от слова radiare – испускать лучи (лат.)). Тепловое излучение

обусловлено испусканием нагретым телом квантов энергии. Испускаемые

кванты энергии, достигая поверхности какого-либо тела, увеличивают

кинетическую энергию его молекул, то есть, увеличивают его температуру. В

свете этого, тепловое излучение можно представить как поток тепла от

нагретого тела в окружающее пространство. Установлено, что поток

теплового излучения пропорционален его температуре в четвертой степени:

ТИ

= к

σ S Т

(7.10)

где к

– коэффициент черноты, о.е.

σ – постоянная Стефана – Больцмана. σ = 5,67 • 10

–8

Вт/(м

S – площадь теплового излучения, м

Коэффициент черноты показывает, какую долю составляет поток

теплового излучения данного тела по сравнению с излучением абсолютно

черного тела. Таким образом, тела имеют тем больший поток теплового

излучения в пространство, чем выше их чернота, то есть, чем ближе они к

абсолютно черному телу. Следовательно, для уменьшения потока теплового

излучения в пространство необходимо снижать температуру поверхности

теплотрассы и уменьшать ее черноту. С этой целью теплопроводы

покрываются слоем теплоизолятора (материала с малым коэффициентом

теплопроводности), что приводит к уменьшению температуры излучаемой

поверхности теплотрассы, и делают поверхность зеркальной, что приводит к

2 3

уменьшению коэффициента черноты. Следует отметить, что особенно

эффективно снижение температуры на поверхности теплотрассы, так как

тепловой поток зависит от температуры в четвертой степени.

7.2. Энергосбережение

в промышленных котельных

Промышленная котельная – это техническая система, предназначенная

для получения пара или горячей воды за счет сжигания топлива. Основу

котельной составляет котельный агрегат. Кроме котельного агрегата

котельная включает вспомогательное оборудование, служащее для

подготовки и подачи топлива, воды, воздуха, а так же для очистки дымовых

газов и удаления (или утилизации) продуктов сгорания.

Котельные могут работать на твердом топливе (уголь), жидком (мазут)

или газообразном (природный газ). Имеются универсальные котельные,

могущие работать на различных видах топлива. На рисунке 7.2 показана

функциональная схема промышленной котельной, работающей на твердом

топливе /10/.

Котельная работает следующим образом.

Твердое топливо (уголь) из загрузочного бункера 1 подается на

углеразмольную мельницу 2, в которой измельчается до пылеобразного

состояния. В результате измельчения увеличивается поверхность окисления.

Угольная пыль вентилятором 3 подается в горелку 4, пламя из которой

направлено в топку 5. В топке образуются высокотемпературные дымовые

газы с температурой Т ≥ 1700К. В верхней части топки они имеют меньшую

температуру (Т = 1200К). Дымовые газы с такой температурой поступают в

газоотвод 6, в котором последовательно проходят через пароперегреватель

16, экономайзер 14 и воздухоподогреватель 12. Проходя через эти аппараты,

дымовые газы отдают им свою теплоту, в результате чего их температура

понижается до 300 – 310К. Охлажденные дымовые газы проходят через

устройство газоочистки 7, дымососом 8 направляются в дымовую трубу 9 и

2 3

удаляются в атмосферу. В устройстве газоочистки из охлажденных дымовых

газов выделяются твердые примеси, которые вместе с золой и шлаком топки

5 подаются в шлако-золоудалитель и выводятся из котельной.

Рисунок 7.2. Функциональная блок-схема котельной

на твердом топливе

1 – загрузочный бункер, 2 – углеразмольная мельница, 3 – вентилятор, 4 -

горелка, 5 – топка, 6 – газоотвод, 7 – устройство газоочистки, 8 – дымосос, 9

– дымовая труба, 10 – шлако- золоудалитель, 11 – вентилятор воздуха, 12 –

воздухоподогреватель, 13 – питательный насос воды, 14 – экономайзер, 15 –

водяной баран, 16 – пароперегреватель.

Для повышения температуры горения в горелку 4 воздушным

вентилятором 11 подается кислород воздуха. Подводимый воздух проходит

через воздухоподогреватель 12 и не снижает температуру горения.

В котельной рабочим телом является вода, которая (после

соответствующей водоподготовки) подается питательным насосом 13 в

7 8

121416

152

Пар

Золы, шлак

2 3