Комина Г.П., Яковлев В.А. Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС

Подождите немного. Документ загружается.

Природный газ при использовании утилизаторов по ряду сво-

их свойств выгодно отличается от всех других видов топлив.

Во-первых, газ подавляющего большинства газовых месторожде-

ний характеризуется отсутствием серы, что по сравнению с твер-

дым и жидким топливом обеспечивает отсутствие низкотемпера-

турной сернокислотной коррозии металла. Во-вторых, продукты

сгорания не содержат каких-

либо загрязняющих твердых частиц.

В-третьих, эти продукты содержат сравнительно много водяных

паров. Названные особенности природного газа и продуктов

его сгорания дают возможность применять контактные теплооб-

менники, которые обеспечивают достаточно глубокое охлаждение

отходящих газов (до 40 °С) и конденсацию 70

80 % содержащихся

в них водяных паров.

Применение природного газа допускает прямое использова-

ние нагретой контактным способом воды. Повышение КПД уста-

новок теоретически на 11

12 %, а практически на 8 9 % только за

счет конденсации водяных паров представляется вполне достаточ-

ным для широкого практического применения контактных водо-

нагревателей на газовом топливе.

Как известно, в поверхностных теплообменниках при приме-

нении противотока воду можно нагреть до температуры, близкой

к начальной температуре отходящих газов, а в контактных водя-

ных экономайзерах – лишь до так называемой температуры

мок-

рого термометра t

. Эта температура составляет 70 75 °С для эко-

номайзеров, устанавливаемых после промышленных печей, при

температуре газов за ними порядка 500 °С и давлении газов, близ-

ком к атмосферному; 65

70 °С – для экономайзеров, устанавлива-

емых непосредственно после промышленных котлов, при темпе-

ратуре газов за ними 350

300 °С; 50 60 °С – для контактных эко-

номайзеров, устанавливаемых за хвостовыми поверхностями на-

грева энергетических и крупных промышленных котельных агре-

гатов, т. е. при температуре газов на входе в контактный экономай-

зер 120

140 °C.

В процессе теплообмена с греющими отходящими газами про-

исходит испарение воды при её температуре выше точки росы t

после

достижения водой постоянной температуры t

. При нагреве воды до

температуры t < t

парциальное давление водяных паров в газах выше,

чем у поверхности воды; поэтому на входе отходящих газов в кон-

тактную камеру начинается конденсация водяных паров, содержа-

щихся в продуктах сгорания, и, следовательно, их осушение.

Осушение отходящих газов тем интенсивнее и глубже, чем

ниже начальная температура воды и больше ее количество, прихо-

дящееся

на 1 кг газов. В любом случае в контактных экономайзе-

рах происходит одновременно «сухой» и «мокрый» теплообмен,

т. е. теплообмен без изменения и с изменением агрегатного состо-

яния воды в зависимости от характера процесса.

Применение контактных водонагревателей полностью зави-

сит от соответствия качества нагретой воды требованиям к ней

согласно направлениям использования.

6.2.

Основы расчёта контактных теплообменных аппаратов

Основными целями тепловых расчётов контактных экономай-

зеров является определение:

1) теплопроизводительности экономайзеров по заданному

расходу и параметрам продуктов сгорания на входе и выходе

из экономайзера;

2) параметров уходящих газов по заданной теплопроизводи-

тельности экономайзера, расходу и параметрам продуктов сгора-

ния на входе в него, расходу и температуре воды;

3) расхода подогреваемой воды и её конечной температуры;

4) объёма контактной камеры, выбора типа и размера насадки;

5) размеров корпуса экономайзера, подводящих и отводящих

газоходов, типа дымососа;

6) экономического эффекта от установки экономайзера,

и в частности экономии топлива и увеличения коэффициента ис-

пользования топлива.

8382

Теплопроизводительность экономайзера, кДж/ч, вычисляется

по формуле



гн

ух ср ср

,QkFtt  

(6.1)

где

– коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя

к нагреваемому;

F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м

/м

;

ср

t – средняя температура греющего теплоносителя в теплообмен-

нике, °С;

ср

t – средняя температура нагреваемого теплоносителя в теплооб-

меннике, °С.

Средняя температура греющего теплоносителя в контактном

экономайзере определяется как среднеарифметическая полусумма

температур греющего теплоносителя на входе и выходе из контак-

тного экономайзера, °С, по формуле

ср



. (6.2)

Средняя температура нагреваемого орошаемого теплоносите-

ля в контактном экономайзере находится как среднеарифметичес-

кая полусумма температур нагреваемого теплоносителя на входе

и выходе из контактного экономайзера, °С, по формуле

ср



. (6.3)

Коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя

к нагреваемому,

кДж/мчград

, определяется по формуле

экв

O

(6.4)

где

– критерий Кирпичёва;

O – коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя,

кДж/м

ч град;

экв

d – эквивалентный диаметр насадки, м.

Критерий Кирпичёва находится по формуле

0,7 0,7 0,3

гнг

Ki001ReRePr,,   

(6.5)

где

– критерий Рейнольдса для греющего теплоносителя;

– критерий Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя;

– критерий Прандтля для греющего теплоносителя.

Эквивалентный диаметр, м,

экв



(6.6)

где

– свободный объём насадки, м

/м

;

F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м

/м

Критерий Рейнольдса для греющего теплоносителя опреде-

ляется по формуле

гэкв

Re ,

wd

(6.7)

где

w – скорость греющего теплоносителя в свободном сечении

насадки, м/с;

Q – коэффициент кинематической вязкости греющего теплоноси-

теля, м

/с.

8584

Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для

прохода греющего теплоносителя, м

3600



(6.8)

где

V – расход греющего теплоносителя через контактный тепло-

обменник, м

/ч;

w – скорость греющего теплоносителя в теплообменнике, м/с.

Расход нагреваемого (орошаемого) теплоносителя через кон-

тактный экономайзер, м

/ч, определяется по формуле



111

н 22

VII

ctt



(6.9)

где

c – средняя объёмная теплоёмкость нагреваемого теплоноси-

теля в области температур

, кДж/м

град.

Критерий Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

экв

Re ,

Gd

(6.10)

где G – интенсивность орошения, м

/м

с;

Q – коэффициент кинематической вязкости нагреваемого тепло-

носителя, м

/с.

Интенсивность орошения,

ммс/  , определяется по формуле

3,6 10



(6.11)

где S – площадь поперечного сечения насадки теплообменника

для прохода греющего теплоносителя, м

. Вычисляется по форму-

ле (6.8);

V – часовой расход нагреваемого теплоносителя, м

/ч. Определя-

ется по формуле (6.9).

Площадь необходимой смоченной поверхности насадки теп-

лообменника, м



111

гн

ср ср

VII

kt t

K



(6.12)

где

– КПД теплообменника.

Необходимый объём насадки контактного теплообменника, м

определяется по формуле

(6.13)

где F – площадь поверхности насадки в единице объёма, м

/м

ПРИМЕР РАСЧ Ё ТА

Выполнить расчёт контактного экономайзера, нагревающего воду

от 25 до 65 °С для нужд горячего водоснабжения предприятия. КПД теплооб-

менника 95 %. Продукты сгорания охлаждаются от 150 до 70 °С. Расход про-

дуктов сгорания

160 мчV

. Свободный объём насадки V = 0,5 м

/м

. Пло-

щадь поверхности насадки в единице объёма F = 80 м

/м

. Скорость продуктов

сгорания в живом сечении насадка

25 мсw, . Определить расход горячей

воды (нагреваемого теплоносителя), площадь омываемой поверхности и объём

насадки.

8786

РЕШЕНИЕ

Средняя температура продуктов сгорания в теплообменнике вычисляется

по формуле (6.2):

ср

150 70

110 C.



Средняя температура воды в теплообменнике определяется по формуле (6.3):

ср

65 25

45 C.



Расход воды в контактном теплообменнике рассчитывается по формуле (6.9):



111

н 22

160 1,08 150 1,06 70

0,084 .

4190 65 25 ч

VII

ctt







Площадь необходимой смоченной поверхности насадки контактного теп-

лообменника определяется по формуле (6.12):



111

гн

ср ср

160 1,08 150 1,06 70 0,95

0,7 м .

294 110 45

VII

kt t

 K





Коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воде

экв

64,86 11,34 10 кДж

294 .

0,025

мчград



O



Коэффициент теплопроводности для продуктов сгорания среднего состава

при температуре 110

°С

11,34 10 кДж м ч град



O  

Критерий Кирпичёва определяется по формуле (6.5):

0,7 0,7 0,3 0,7 0,7 0,3

гнг

Ki 0,01 Re Re Pr 0,01 2757 56 3,98 64,86.      

Эквивалентный диаметр насадки вычисляется по формуле (6.6):

экв

440,5

0,025 м.



Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода гре-

ющего теплоносителя определяется по формуле (6.8):

160

0,017 м .

3600 3600 2,5



Критерий Рейнольдса для продуктов сгорания находится по формуле (6.7):

гэкв

2,5 0,025

Re 2757.

22,67 10





Коэффициент кинематической вязкости продуктов сгорания при темпера-

туре 110 °С

22,67 10 мс.



Q 

Интенсивность орошения определяется по формуле (6.11):

33 2

0,084 м

13,7 10 .

3,6 10 3,6 10 0,017 мс





  

Критерий Рейнольдса для воды вычисляется по формуле (6.10):

экв

13,7 10 0,025

Re 56,

0,61 10









где

Q – коэффициент кинематической вязкости воды при температуре 45 °С;

06110 мс,



Q 

Критерий Прандтля для воды при температуре 45

°С

Pr 3,98.

Объём насадки контактного экономайзера определяется по формуле (6.13):

0,7

0,00875 м 8,75 дм .

Глава 7. СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ

ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА

В СИСТЕМАХ ТГС С ПРИМЕНЕНИЕМ

РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Рекуперативные теплообменные аппараты устанавливаются за

топками тепловых агрегатов по ходу продуктов сгорания и осуще-

ствляют утилизацию (отбор с дальнейшим использованием) теп-

лоты по низшей теплоте сгорания топлива. Температура уходящих

8988

газов за рекуперативными теплообменниками не должна опускаться

ниже 150

160 °С. В противном случае в газоходах и дымовой тру-

бе может наступить конденсация водяных паров, содержащихся в

продуктах сгорания, что недопустимо.

Устанавливаемые за тепловыми установками рекуператоры,

как правило, используются для подогрева дутьевого воздуха, кото-

рый подаётся на горение непосредственно в саму тепловую уста-

новку, для подогрева газового топлива, а также могут

быть исполь-

зованы для подогрева теплоносителя сторонних потребителей тепла

на производственные и непроизводственные нужды.

Для производственных нужд может производиться выработ-

ка горячей воды с различными выходными параметрами темпера-

туры теплоносителя, используемого для приготовления бетонных

смесей и других технологических целей.

Могут производиться подготовка горячей воды для непроиз-

водственных или хозяйственно-бытовых нужд,

подогрев приточ-

ного воздуха для систем вентиляции в зимнее время, выработка

теплоносителя для системы отопления.

На рис. 6 показана схема использования теплоты уходящих га-

зов путём подогрева вторичного воздуха. Вентилятор 2 забирает хо-

лодный воздух и подаёт его в рекуперативный теплообменник (воз-

духоподогреватель) 3. В воздухоподогревателе воздух подогревает-

ся и затем направляется

в тепловую установку 1. При реализации

такой схемы воздух, подаваемый в топку, удаётся подогреть до

300

400 °С, что обеспечит подъём КПД установки на 10 15 %. Од-

нако у такой схемы температура уходящих газов достаточно велика.

Реализация схемы двухступенчатого использования теплоты

уходящих газов путём подогрева вторичного воздуха и холодной

воды, используемой в системе горячего водоснабжения (рис. 7),

позволяет повысить КПД промышленных печей до 50

60 %, а ко-

тельных установок и ещё выше. В эту схему дополнительно за воз-

духоподогревателем включен второй рекуперативный теплообмен-

ник 5, который подготавливает горячую воду для производствен-

ных или хозяйственно-бытовых целей. Температура уходящих га-

зов за вторым теплообменником находится в пределах 130

150 °С.

Холодный

воздух

Промышленная

печь

Прод укты

сгорания

Гор ячий возду

Рис. 6. Схема использования теплоты уходящих газов путём подогрева

вторичного воздуха:

1 – тепловая установка; 2 – вентилятор вторичного дутья;

3 – рекуперативный теплообменник (воздухоподогреватель)

Продукты

сгорания

ромыш-

енная

ечь

Холодный

воздух

Горячий воздух

Холодн ая

вода

Горячая вода

На ГВ

Рис. 7. Схема двухступенчатого использования теплоты уходящих газов

путём подогрева вторичного воздуха и холодной воды:

1 – тепловая установка; 2 – вентилятор подачи вторичного воздуха;

3 – воздухоподогреватель; 4 – рекуперативный теплообменник; 5 – бак;

6 – насос сети горячего водоснабжения

9190

Глава 8. ГАЗОГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

8.1. Требования, предъявляемые к горелкам

для промышленных печей

Газовая горелка – устройство, обеспечивающее подачу опре-

делённого количества горючего газа и окислителя (воздуха и кис-

лорода), создание условий их смешения, транспортировку образо-

вавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа.

Требования, предъявляемые к горелкам:

создание условий для полного сгорания газа с минималь-

ными избытками воздуха и выходом вредных веществ в продуктах

сгорания;

наличие пределов регулирования, не меньших, чем требу-

емое изменение тепловой мощности агрегата;

обеспечение необходимой теплопередачи и максимально-

го использования теплоты газового топлива;

отсутствие сильного шума, уровень которого не должен

превышать 80 дБ;

простота конструкции, удобство ремонта и безопасность

в эксплуатации;

возможность применения автоматики регулирования и бе-

зопасности;

соответствие современным требованиям промышленного

дизайна.

8.2. Выбор типа горелок к промышленным печам

Выбор давления газа в сети газоснабжения промпредприятия

зависит от принятого давления для газовых горелок и от давления

газа в точке подключения предприятия к распределительному

газопроводу.

Выбор типа и конструкции горелок для печей определяется

рядом условий, а именно: конструкцией, тепловым и температур-

ным

режимом печи, условиями сжигания газа и его свойствами,

наличием автоматического регулирования процесса сжигания, не-

обходимостью использования резервного топлива и др.

При выборе типа горелки можно руководствоваться следую-

щими рекомендациями, которые должны в каждом отдельном слу-

чае уточняться с учетом реальных условий:

1. Диффузионные горелки целесообразно применять в печах

и других тепловых агрегатах

, имеющих камеру сгорания значитель-

ной длины и требующих равномерного нагрева и длинного светя-

щегося факела.

2. Инжекционные горелки следует применять в малых котлах,

небольших и средних тепловых агрегатах с относительно посто-

янным тепловым режимом в рабочем пространстве.

3. Горелки с принудительной подачей воздуха целесообразно

устанавливать в тепловых агрегатах с различными тепловыми на

грузками, работающих с постоянным и переменным режимами на

холодном и подогретом воздухе.

4. Комбинированные горелки следует применять в тепловых

агрегатах, не допускающих перерыва в работе, а также на буфер-

ных потребителях газа.

Если можно использовать горелки при низком и среднем дав-

лении, нужно отдавать предпочтение горелкам среднего давления,

исключение составляют горелки небольшой

производительности.

Применение горелок среднего давления позволяет уменьшить ди-

аметры газопроводов и габариты газогорелочных устройств.

Одним из основных требований, предъявляемых к горелкам,

является обеспечение достаточных пределов регулирования по рас-

ходу газа. Различают минимальную, номинальную и максималь-

ную тепловую мощность горелки.

Давление газа, соответствующее указанным тепловым нагруз-

кам, называется соответственно минимальным, номинальным

максимальным.

Диапазоном устойчивой работы горелки (пределом регулиро-

вания) называется отношение максимальной тепловой мощности

горелки к минимальной:

9392

г max

г min

Диапазону устойчивой работы горелки по тепловой мощнос-

ти (нагрузке) соответствует диапазон устойчивой работы по давле-

нию в следующем соотношении:

г max г max

г min г min

Величина диапазона зависит от типа горелки и её конструк-

ции, вида газообразного топлива, температуры газа и воздуха, ко-

эффициента расхода воздуха, а также от способа регулирования

соотношения газ – воздух. Практически диапазон устойчивой ра-

боты горелки определяется давлением газа, при котором происхо-

дят проскок и отрыв пламени или другие нарушения

процесса

горения (погасание пламени, увеличение недожога топлива).

8.3. Общие рекомендации по выбору типа горелок

для промышленных печей

В больших нагревательных печах (с большим объёмом рабо-

чего пространства) рекомендуются двухпроводные горелки, даю-

щие растянутый факел и обеспечивающие равномерное распределе-

ние температуры в объёме. В малых нагревательных печах обычно

используют короткопламенные горелки как инжекционные сред-

него давления, так и двухпроводные различных типов.

В термических печах могут использоваться горелки любых

типов, обеспечивающие полное сжигание газа. Необходимо, одна-

ко, иметь в виду, что диапазон регулирования тепловой нагрузки

термических печей может достичь 1:10, а температура в рабочем

пространстве может быть ниже температуры устойчивого горения

природного газа, что сильно усложняет организацию устойчивого

сжигания

топлива. Для получения равномерного нагрева в некото-

рых конструкциях печей газ сжигается с помощью большого чис-

ла горелок небольшой производительности, но при этом усложня-

ется обслуживание таких печей.

При наличии у печи рекуператора установка инжекционных

горелок практически исключается, так как, во-первых, сопротив-

ление рекуператора затрудняет нормальную работу горелки, во-

вторых,

при остановке печи (при выключении горелки) воздух пе-

рестаёт проходить через рекуператор, который может прогореть.

Подогрев воздуха до 400

150 °С практически не влияет на вы-

бор типа горелки. Но необходимо учитывать, что объем воздуха

при нагревании увеличивается и при сохранении давления весо-

вой расход воздуха снижается, а следовательно, снижается тепло-

производительность горелки.

При температурах воздуха свыше 400 °С требуется применять

горелки специальных конструкций с водоохлаждающими носика-

ми или горелочными плитами из

жаропрочных сплавов. При пода-

че к печи газа низкого давления (Р

< 5000 Па) обычно используют

двухпроводные горелки, при подаче газа среднего давления – как

двухпроводные, так и инжекционные.

Применение двухпроводных горелок приводит к дополнитель-

ным затратам электроэнергии на привод вентилятора (стоимость

тепла увеличивается на 10

15 %). Однако это увеличение компен-

сируется установкой рекуператора с температурой подогрева воз-

духа до 150

250 °С.

При установке большого числа горелок небольшой произво-

дительности легче обеспечить равномерный нагрев металла и из-

бежать нагрева отдельных участков кладки и металла, но при этом

усложняются эксплуатация и автоматизация печи, поэтому следу-

ет стремиться к установке меньшего количества горелок,

но не в ущерб необходимой равномерности нагрева.

В автоматизированных печах горелки

объединяются в груп-

пы по зонам регулирования, изменение расхода газа и воздуха про-

изводится обычно для всей группы, поэтому необходимо обеспе-

чивать максимально возможную равномерность распределения

расхода газа и воздуха между отдельными горелками зоны. Диапа-

9594

зон устойчивой работы двухпроводных горелок, регулируемых ав-

томатически, значительно сокращается. В этом случае должны

приниматься специальные меры по обеспечению надёжной и бе-

зопасной эксплуатации автоматизированных печей.

Подбор газогорелочных устройств производится по типовым

альбомам или справочной литературе.

Газ ко всем горелкам большой производительности подводится

с помощью колена, снабжённого смотровым патрубком.

8.4. Горелки типа «труба

в трубе» конструкции

«Стальпроекта»

Эти горелки предназначены для установки на промышленных

печах различных конструкций. Общий вид горелок «труба в тру-

бе» показан на рис. 8, а конструктивные размеры приведены в спра-

вочной литературе или прил. V.

«Стальпроектом» разработаны горелки типа «труба в трубе»

трёх серий: малой тепловой мощности – серия М, средней тепло-

вой мощности – серия C и большой тепловой мощности – серия Б.

Каждая серия имеет два исполнения: для газов с высокой теплотой

сгорания

р 3

10 35 МДж мQ y – исполнение В; для газов с низ-

кой теплотой сгорания

р 3

35 10 МДж мQ, y

– исполнение Н.

Конструкция горелок позволяет применять газ и (или) воздух,

подогретые до 400 °С.

Рекомендуемое максимальное давление газа перед горелкой –

6 кПа, минимальное, определяемое возможностью работы прибо-

ров автоматического регулирования, – 0,1 кПа.

Горелки типа «труба в трубе» малой, средней и большой теп-

ловой мощности различаются размерами и конструктивным ис-

полнением, а горелки для

газов с высокой и низкой теплотой сгора-

ния – соотношением проходных сечений для воздуха и газа. Номи-

нальное их деление является, однако, условным, поскольку при оп-

ределённых соотношениях давлений и температур подогрева газа

Рис. 8. Горелка ДВС и ДВБ конструкции «Стальпроекта»

Газ

9796

Рис. 9. Горелки ГНП конструкции «Теплопроекта»:

a – с многосопловым наконечником; б – с односопловым наконечником;

1 – насадка; 2 – корпус; 3 – газораспределительное устройство;

4 – наконечник; 5 – завихритель; 6 – фронтовая плита

и воздуха, теплоты сгорания газа и коэффициентов расхода возду-

ха теплопроизводительность горелки серии С может оказаться

выше, чем горелки серии Б, и, наоборот, для сжигания газа с низкой

теплотой сгорания может потребоваться горелка исполнения В.

Соотношение скоростей газа w

и воздуха w

в выходных сече-

ниях горелки рекомендуется выбирать в пределах 1 : 2

1 : 4, скорость

истечения газа из сопла при этом не должна превышать 100 м/с.

Минимальную среднюю по выходному сечению скорость сме-

си w

см

следует принимать не менее 5 и не более 40 м/с. При указан-

ных параметрах потоков горелки этого типа и другие аналогичные

= 1,0 1,05 растянутый по дли-

не факел; при

= 1,10 1,15 факел укорачивается.

Главные преимущества горелок типа «труба в трубе» – воз-

можность получения высоких скоростей продуктов сгорания, ис-

пользование подогретого воздуха до 500 °С (и газа), а также широкие

пределы регулирования мощности и малые габаритные размеры.

8.5. Горелки ГНП конструкции «Теплопроекта»

Горелки типа ГНП (9 типоразмеров), разработанные институ-

том «Теплопроект» (рис. 9), широко применяются в

промышленных

печах и сушилах. Они рассчитаны на сжигание природного газа.

Номинальное давление газа – 2,4 кПа, воздуха – 1,6 кПа. В горелках

типа ГНП использована подача в закрученный лопатками воздуш-

ный поток одной центральной газовой струи (сопло типа Б) или не-

скольких струй, истекающих под углом 45° к оси горелки (сопло

типа А). Во всем диапазоне рабочих

нагрузок горелки устойчиво

работают при

= 1,05. Горелка с соплом типа А позволяет органи-

зовать более устойчивый факел, чем горелка с соплом типа Б, одна-

ко различия в длине факела при использовании сопел типов А и Б

практически нет. Горелки могут работать с воздухом, подогретым

до 500 °С. Они выполнены из литых деталей и крепятся на печи

с помощью горелочной

плиты. Технические характеристики горе-

лок ГНП и номограммы для их подбора приведены в прил. IV.