7844

10

На выходе из паровой или газовой турбины рабочее тепло может содержать достаточно высокие параметры для возможности дальнейшего применения. Таким образом, появляются перспективы для использования отработанного рабочего тела в качестве вторичного энергетического ресурса.

Хорошим примером будет газопаровая установка (рис. 3), где после газотурбинной установки дымовые газы направляются в котел-утилизатор.

Рис. 4. Схема газопаровой установки.

Котел-утилизатор представляет собой теплообменник, в котором теплота уходящих газов используется для получения (в данном случае) пара.

Особенностью котла-утилизатора является отсутствие топочной камеры – продукты сгорания органического топлива поступают непосредственно в котел.

После котла-утилизатора пар поступает в паровую турбину, далее в конденсатор, где отработанный пар конденсируется и, с помощью циркуляционного насоса, возвращается в котел-утилизатор для повторения цикла.

Помимо котла-утилизатора для использования высокотемпературных ВЭР широкое распространение получили рекуператоры и регенераторы.

В рекуператоре (рис. 5) теплота уходящих газов передается воздуху через поверхности пластин, отделяющих течение уходящих газов от течения воздуха. В рекуператоре процесс теплообмена между дымовыми газами и воздухом происходит непрерывно. С одной стороны это положительный момент, поскольку в рекуператоре отсутствуют сложные конструктивные элементы, требующие дополнительного обслуживания. С другой стороны, невозможно добиться такой же эффективности использования теплоты дымовых газов как в регенераторе.

Регенератор снабжается поворотным механизмом, через ротор которого попеременно проходят то уходящие газы, то нагреваемый воздух. Насадки в роторе нагреваются после прохождения через них уходящих газов, и эта теплота затем передается воздуху. Регенератор позволяет добиться более высокой эффективности использования теплоты, чем рекуператор, но из-за сложности конструкции (рис. 6) по сравнению с рекуператором, имеет более высокую стоимость и стоимость обслуживания.

11

Рис. 5. Принцип работы рекуператора.

Рис. 6. Принцип работы регенератора.

В качестве насадок могут быть использованы: диски из алюминиевой гофрированной ленты; пакет пластин; различные виды кирпичных насадок; насадки из керамических колец и т.д. Среди керамических колец наибольшее распространение получили кольца Рашига, в качестве альтернативы можно рассмотреть кольца Палля.

13

Холодная вода через водораспределитель равномерно распространяется по сечению контактной камеры. В качестве насадки в этом теплообменнике используются керамические кольца Рашига, которые были описаны выше. Стекая по кольцам в виде тонкой пленки, вода подогревается восходящим потоком продуктов сгорания и затем собирается в нижней части экономайзера. Для предотвращения выноса капель из контактной камеры, охлажденные уходящие газы проходят нерабочий слой колец, который служит влагоуловителем.

Контактный утилизатор обладает достаточно большими габаритами, однако, в отличие от конденсационного, он может быть установлен вместо хвостовой поверхности нагрева. Насадочные утилизаторы проходили испытания не только в котельных, но и в цехах, где температура уходящих газов от печей достигала 550 ºС и выше.

2.4 Контрольные вопросы

Раздел 1

Уравнение горения метана в воздухе. Определение низшей и высшей теплоты сгорания. Определения жаропроизводительности топлива. Определение пределов воспламеняемости.

Определение объема воздуха необходимого для горения топлива и продуктов сгорания.

Раздел 2

Топливоиспользующее оборудование. Общее сведения. Потери теплоты.

Сравнительный анализ расчета объема продуктов сгорания по разным методикам. Особенности работы различных топливоиспользующих установок.

Проверка правильности работы газоанализитора.

Применение топливоиспользующих установок в различных отраслях промышленности. Определение потерь теплоты.

Раздел 3

Турбины. Общие сведения.

Основные схемы турбинных установок. Паровые турбины.

Особенности расчета паровых турбин.

Раздел 4

Виды теплоутилизационного оборудования. Коэффициент полезного действия. Коэффициент использования топлива. Рекуператоры.

Регенераторы.

Особенности расчетов по низшей теплоте сгорания. Контактные теплообменники.

Поверхностные теплообменники.

Особенности расчетов по высшей теплоте сгорания. Котлы-утилизаторы.

Оценка параметров сушильного агента. Определение эффективности работы рекуператора.

Оценка количества воды, подогреваемой контактным способом.

Расчет многоступенчатых установок использование теплоты уходящих газов. Комплексные теплотехнические расчеты.

14

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям

3.1Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям

Входе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.

При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.

Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.

3.3.1 Раздел 1: Введение

Помимо теплоты сгорания и жаропроизводительности топлива важным моментом является нахождение пределов воспламеняемости топлива.

Пределы воспламеняемости смеси, состоящей из нескольких горючих газов, зависят от пределов воспламеняемости составных частей смеси и могут быть ориентировочно определены по формуле Ле Шателье.

– предел воспламеняемости (нижний или верхний, %)

a, b, c, d – содержание горючих составляющих в минимальном газе в % от объёма

A, B, C, D – значения пределов воспламеняемости (нижнего и верхнего) каждой отдельной составной части газа.

Важно также отметить, что у всех математических зависимостей в рамках данной дисциплины есть свои границы применимости, так, например, данная формула справедлива только для горючей части смесей газов и не учитывает влияние балластных примесей.

3.3.2 Раздел 2: Топливоиспользующее оборудование

Наряду с различными методиками теплотехнических расчетов студентам предлагается задача по проверке правильности анализа продуктов сгорания. В ходе решения этой задачи студенты не только могут оценить исправность работы оборудования или правильность сбора данных, но и запомнить опорную величину – максимальное количество трехатомных газов (при сжигании природного газа CO2), которое получается в результате сгорания топлива, составляет 11,8% от общего объема продуктов сгорания.

Пример: Продукты сгорания природного газа имеют следующий состав: CO2 – 9,4%; CO – 0,2%; H 2 – 0,1%; O 2 – 4%; N 2 – 86,3%.

(CO$ + CO + CO%) ∙ 100

CO$ = 100 − 4,76(O$ − 0,4 ∙ CO − 0,2 ∙ H$ − 1,6 ∙ CH%)

(9,4 + 0,2) ∙ 100

CO$ = 100 − 4,76(4 − 0,4 ∙ 0,2 − 0,2 ∙ 0,1) = 11,8%

В данном случает газовый анализ продуктов сгорания произведён верно.

15

3.3.3 Раздел 3: Турбины и Раздел 4: Теплоутилизационное оборудование

Для успешного выполнения расчёта комплексных схем использования теплоты уходящих газов по методу обратного баланса необходимо пользоваться следующей методикой.

1. После составления схемы использования теплоты после каждого устройства проставляют состав продуктов сгорания и их температуру.

Рис. 9. Предварительная схема комплексного использования теплоты уходящих газов.

2. Определяем полное или неполное сгорание топлива: при полном сгорании топлива в дымовых газах содержатся CH4, Н2, CO.

Если сгорание полное, то для определения коэффициента избытка воздуха можно воспользоваться опытной таблицей «Состав и теплотехнические характеристики продуктов полного сгорания природного газа» [1,2] фрагмент которой приводится ниже:

h – коэффициент разбавления сухих продуктов сгорания

При неполном сгорании коэффициент избытка воздуха определяется по следующей зависимости:

α = O$ + 2CO$ + 1,5CO − 0,5H$ 2(CO$ + CO + CH%)

3. Следует обратить внимание на значение t ух. газов, если t выше tт.р. (55-65° С), то расчёт всей установки осуществляется по низшей теплоте сгорания, если ниже tт.р. – по высшей теплоте сгорания.

Особенности расчётов по низшей теплоте сгорания

Опытным путём был найден коэффициент z, зависящий от t продуктов сгорания и степени их разбавления избыточным воздухом, т.е. от содержания в сухих продуктах полного сгорания CO2, а в продуктах неполного сгорания – суммы CO2, CO и CH4. Благодаря данному коэффициенту значительно упрощается нахождение потерь теплоты с уходящими газами.

Для всех ступеней, кроме последней, потери теплоты с уходящими газами определяются по следующей зависимости:

q$ = 0,01 ∙ z ∙ tух

В данной формуле z определяется по таблице «Значение величины Z для природного газа» [1,2] в зависимости от состава продуктов сгорания и их температурного диапазона. Фрагмент этой таблицы приводится ниже:

Особенности расчётов по высшей теплоте сгорания

Для всех ступеней, кроме последней, необходимо выполнить пересчёт по высшей теплоте сгорания:

q$ = 0,01ztух ∙ 0,9 + 11

Для того чтобы рассчитать последнюю ступень, необходимо воспользоваться следующей зависимостью:

q$ = zВ(tух − 0,85t ) + qун

zВ – величина, определяемая в зависимости от состава продуктов сгорания (CO2 + CO + CH4) и t уходящих газов в диапазоне от 0 до 50° С.

qун – потери теплоты, обусловленные содержанием в продуктах сгорания несконденсировавшегося воздушного пара.

Эти величины определяются по таблице «Значения коэффициентов zВ и qун», [1,2] фрагмент которой приводится ниже:

Пример: Комплексная схема использования теплоты уходящих газов представлена 2 агрегатами – промышленной печью с tух = 400° С (после неё) с содержанием в продуктах сгорания CO2=9,2%, и рекуператором с tух=200° С (после него), состав продуктов сгорания: CO2=8%. Определить, как изменились потери теплоты с уходящими газами при установке рекуператора.

Поскольку tух после рекуператора выше tт.р., расчёт производим по низшей теплоте сгорания.

Рис. 10. Окончательная схема комплексного использования теплоты уходящих газов. При t=400° С и содержанием CO2=9,2% по таблице находим величину z, равную

5,20.

После рекуператора по содержанию CO2=8% и tух=200° С определяем z=5,57.

После печи q2 = 0,01 · 5,57 (200-0,85 · 20) = 10,2

В результате установки рекуператора потери теплоты с уходящими газами снизились на 10,6%.

17

4. Методические указания по организации самостоятельной работы

4.1 Общие рекомендации для самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов является основным способом овладения учебным материалом в свободное от обязательных учебных занятий время.

Целями самостоятельной работы студентов являются:

-систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;

-углубление и расширение теоретических знаний;

-формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу;

-развитие познавательных способностей и активности студентов:

-формирования самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации.

Самостоятельная работа выполняется в два этапа: планирование и реализация. Планирование самостоятельной работы включает:

-уяснение задания на самостоятельную работу;

-подбор рекомендованной литературы;

-составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.

Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.

На втором этапе реализуется составленный план. Реализация включает в себя:

-изучение рекомендованной литературы;

-составление плана (конспекта) по изучаемому материалу (вопросу);

-взаимное обсуждение материала.

Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал. Оставшаяся восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна.

Работа с литературой и иными источниками информации включает в себя две группы приемов: техническую, имеющую библиографическую направленность, и содержательную. Первая группа – уяснение потребностей в литературе; получение литературы; просмотр литературы на уровне общей, первичной оценки; анализ надежности публикаций как источника информации, их относимости и степени полезности. Вторая – подробное изучение и извлечение необходимой информации.

Для поиска необходимой литературы можно использовать следующие способы:

-поиск через систематический каталог в библиотеке;

-просмотр специальных периодических изданий;

-использование материалов, размещенных в сети Интернет.

Для того, чтобы не возникало трудностей понимания текстов учебника, монографий, научных статей, следует учитывать, что учебник и учебное пособие предназначены для студентов и магистрантов, а монографии и статьи ориентированы на исследователя. Монографии дают обширное описание проблемы, содержат в себе справочную информацию и отражают полемику по тем или иным дискуссионным вопросам. Статья в журнале кратко излагает позицию автора или его конкретные достижении в исследовании какой-либо научной проблемы.

В процессе взаимного обсуждения материала закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.

При необходимости студенту следует обращаться за консультацией к преподавате-

лю.

18

Составление записей или конспектов позволяет составить сжатое представление по изучаемым вопросам. Записи имеют первостепенное значение для самостоятельной работы студентов. Они помогают понять построение изучаемого материала, выделить основные положения, проследить их логику.

Ведение записей способствует превращению чтения в активный процесс. У студента, систематически ведущего записи, создается свой индивидуальный фонд подсобных материалов для быстрого повторения прочитанного. Особенно важны и полезны записи тогда, когда в них находят отражение мысли, возникшие при самостоятельной работе.

Можно рекомендовать следующие основные формы записи: план, конспект, тезисы. План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный

план вполне заменяет конспект.

Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Объем конспекта не должен превышать 10 страниц. Шрифт Times New Roman, кегль 14, интервал 1,5. Список литературы должен состоять из 5-8 источников, по возможности следует использовать последние издания учебных пособий и исследований.

Тезисы — это последовательность ключевых положений из некоторой темы без доказательств или с неполными доказательствами. По объему тезисы занимают одну страницу формата А4 или одну – две страницы в ученической тетради. В конце тезисов студент должен сделать собственные выводы.

4.2Темы для самостоятельного изучения

1.Определение пределов воспламенения с учетом балластных примесей.

2.Работа с I-d диаграммой продуктов сгорания.

3.Построение треугольника скоростей паровых турбин.

4.Сушильные установки.

5.Отрасли промышленности с топливоиспользующим оборудованием.

6.Комбинированные теплообменники.

7.Газопаровые и парогазовые турбинные установки.

4.3Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

Приводится в конце пособия – список рекомендуемой литературы.

19

5. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы

Расчетно-графическая работа состоит из двух больших разделов:

1.выбор отрасли промышленности, описание оборудования и технологических про-

цессов;

2.выбор комплексной схемы использования теплоты, содержащей не менее двух теплоутилизационных устройств, которые могут быть использованы при заданных параметрах продуктов сгорания.

По заданию преподавателя или по рекомендации научного руководителя студент рассматривает конкретную отрасль промышленности.

Далее происходит сбор материала по тематике и составляется подробное описание данной отрасли (5-10 стр.). Например, если студент досталась кузнечная промышленности, то, прежде всего, дается общая классификация:

Кузнечные цеха различаются:

∙по виду производства, которое может быть единичным, мелкосерийным, крупносерийным и массовым;

∙по производственной мощности — годовому выпуску продукта:. цеха, т;

∙по технологии изготовления поковок: свободная ковка на молота: и ковочных прессах, штампование на молотах, горизонтально-ковочных машинах, автоматах, механических ковочных прессах и т. д.;

∙по наибольшему весу поковки или штамповки.

∙Кроме того, кузнечные цехи по назначению можно разделить на следующие виды:

∙кузнечно-штамповочные при машиностроительных заводах; характер продукции их определяется видом машиностроения — автомобилестроение, двигателестроение, тяжелое машиностроение и т. д.;

∙кузнечно-штамповочные массового производства; изготовление метизов, железнодорожных накладок, слесарно- и деревообрабатывающего инструментария, предметов широкого потребления и т. д.;

∙подсобные при заводах для изготовления мелких поковок для основного производства, для инструмента, а также для ремонта заводского оборудования.

Также для лучшего понимания вопроса, студент на (3-7 стр.) подробно описывает оборудование, применяемое в данной отрасли:

Для работ в кузнечных цехах применяются молоты разных типов: паровоздушные, приводные пневматические и механические (рессорные и фрикционные с доской и ремнем. Также для работ используются прессы: механические ковочные, штамповочнокалибровочные, чеканочные, обрезные, фрикционные, а также горизонтально-ковочные машины, автоматы и полуавтоматы, ковочные вальцы.

Важно также, чтобы студенты использовали при описании оборудования иллюстративный материал и различные технологические схемы, которые позволят их самим более наглядно представить особенности выбранной отрасли промышленности.

После проделанной работы с литературными источниками студент более конкретно определяется с топливоиспользующей установкой, и на основании своих знаний, полученных на лекционных и практических занятиях, начинает собирать комплексную схему по использованию теплоты продуктов сгорания.