Тепловой баланс парового котла.

Коэффициент полезного действия

Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характери­зуется равенством между количествами подведенной (располагаемой) и расходу­емой теплоты: . Обычно теп­ловой баланс составляют на единицу ко­личества сжигаемого топлива 1 кг твер­дого или жидкого, либо 1 м³ газообраз­ного топлива, взятый при нормальных условиях. С учетом этого и пренебрегая физической теплотой топлива и холодно­го воздуха, можно считать

Здесь — низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии.

Часть теплоты, затрачиваемая на по­догрев, испарение воды и перегрев пара, составляет использованную теплоту , остальное — потери. В итоге уравнение теплового баланса котла будет иметь вид

=

где — потери теплоты со­ответственно с уходящими газами, от хи­мической неполноты сгорания топлива, от механического недожога, через ограждения топки и конвективных газо­ходов.

В процентах от располагаемой тепло­ты тепловой баланс может быть за­писан так:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆

Доля теплоты, использованной в ко­тельном агрегате (переданной воде и па­ру), есть коэффициент полезно­го действия котла брутто , (так называют КПД, подсчитанный без учета затрат энергии на собственные нужды).

Таким образом,

,

или

Теплота , воспринятая водой и па­ром в котле, может быть определена из уравнения

Здесь и — энтальпии перегретого пара и питательной воды.

Величина взята здесь в долях единицы.

 

ЛЕКЦИЯ 17

Состав и основные характеристики жидкого топлива

Практически все жидкие топлива по­ка получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300—370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при раз­личной температуре : сжиженный газ (выход около 1 %), бензиновую (около 15%, = 30…80°С), керосиновую (около 17%, =120…135°С), дизель­ную (около 18%, = 180…350 °С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330—350 °С называется мазу­том. Указанные фракции служат исход­ным сырьем для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок — бензина, керосина, дизель­ных топлив и т. д.

Мазутная фракция может подвер­гаться дальнейшей переработке на свет­лые нефтепродукты путем крекинга, т. е. расщепления тяжелых молекул на более легкие.

Мазут, как и мотор­ные топлива, представляет собой слож­ную смесь углеводородов, в состав кото­рых входят в основном углерод (C'= 84-86%) и водород (Н'=10 - 12%).

Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при их сжигании.

Зольность мазута не должна превы­шать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы вхо­дят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому ее часто ис­пользуют в качестве сырья для получе­ния, например, ванадия.

 

Состав и основные характеристики газообразного топлива

К газообразным топливам относится, прежде всего, природный газ, огромными запасами которого располагает СССР. Основным его компонентом явля­ется метан СН₄, кроме того, в газе раз­ных месторождений содержатся небольшие количества азота N₂, высших угле­водородов С_nН_m, диоксида углерода СO₂. В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) мо­жет оставаться. Кроме того, в бытовой газ для обнаружения утечек добавляют так называемые одоризаторы, придаю­щие газу специфический запах; они тоже содержат соединения серы. Принято счи­тать, что концентрация водяного пара в природном газе соответствует состоя­нию насыщения при температуре газа в трубопроводе.

Теплота сгорания топлива

Под теплотой сгорания по­нимается количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного — к 1 м³ (в нормальных условиях) на рабочее, сухое или сухое беззольное состояние. По ГОСТ 147—74 с изменениями от 01.01.1981 г. и 01.01.1985 г. она определяется в калориметре.

Продукты сгорания пробы топлива охлаждаются в калориметре до комнатной температуры. При этом вода, образу­ющаяся при сгорании водорода и содер­жащаяся во влажном топливе, оказыва­ется в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидко­сти, теплота сгорания называется высшей — Q_s.

В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с продук­тами сгорания в виде пара. Если в ре­зультате сгорания вода получается в ви­де пара, теплота сгорания называется низшей — Q_i. Она меньше, чем Q_s, на количество затрат теплоты на испарение. В СССР и ряде других стран обычно оперируют низшей теплотой сгорания на рабочее состояние . В США и Вели­кобритании теплотехнические расчеты выполняют на основе высшей теплоты сгорания.

Поскольку 1 кг водорода дает при сгорании 9 кг воды, а конденсация 1 кг пара при 20 °С — около 2,5 МДж тепло­ты, то приближенно

Значения и подставляются в эту формулу в %, Q— в КДж/кг.

Максимальная теплота сгорания твердых топлив доходит до =28МДж/кг (тощие угли и антраци­ты), минимальная может в зависимости от содержания балласта опускаться до 10 МДж/кг и ниже.

Теплота сгорания обезвоженных ма­зутов = 41,54…39 МДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, примерно одинаков, их теплота сгорания также примерно одинакова.

Зависимость теплоты сгорания (МДж/кг) широкого круга органических
веществ от их элементного состава (%) хорошо иллюстрирует формула Д. И. Менделеева:

Калориметр позволяет определить тепло­ту сгорания с большей точностью, чем эта и аналогичные ей формулы, поэтому она используется как иллюстративная и иногда — для проверки точности эле­ментного анализа.

Теплоту сгорания газообразного топ­лива обычно относят к 1 м³ сухого газа (так называемая низшая теплота сгора­ния сухого газа ) в нормальных усло­виях и рассчитывают через теплоты сго­рания составляющих его компонентов (кДж/м³), являющиеся коэффициентами в следующей формуле, умноженными на 100:

Здесь СН₄, С₂Н₆ и т. д.— содержание соответствующих компонентов в газе, % по объему. С другой стороны, теплоту сгорания нетрудно определить экспери­ментально в калориметре. Значения Q_i для основных газообразных топлив при­ведены в таблице.

 

Таблица 17.1 - Состав (% об.) и теплота сгорания горючих газов

Газ	СН4	Н2	СО	СnНm	O2	СO2	H2S	N2
Природный (газопровод Бухара—Урал)   Коксовый (очищенный)   Доменный     Сжиженный   Биогаз	94,9   22,5     0,3       55-70	-   57,5     2,7	-   6,8	3,8   1,9     -	-   0,8     -	0,4   2,3   10,2	-   0,4     0,3	0,9   7,8     58,5	36,7   16,6         88,5   18—23
Пропан 79, этан 6, бутан 11
До 0,5		28—43	До 0,5	До 0,5

 

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой ба­зе. Поэтому введено понятие так называ­емого условного топлива, тепло­та сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг), что соот­ветствует хорошему малозольному сухо­му углю.