Введение

Современное химическое производство представляет собой сложную энерготехнологическую систему (ЭХТС), энергетические затраты в которой являются одним из основополагающих параметров создание безотходного оптимального производства. В настоящее время заложены основы системного подхода к сложным ЭХТС и оценки их совершенства с помощью энергетического баланса, который учитывает различную ценность энергоресурсов разной физической природы или разного потенциала и особенности процессов в связи с различными проявлениями необратимости.

Эксэргетический метод термодинамического анализа ЭХТС основан на широком использовании эксэргии. Эксэргия вещества есть максимальная работа, которую оно может совершить в обратимом процессе с окружающей средой в качестве источника даровой теплоты.

Все реально протекающие процессы - необратимые, и в каждом случае необратимость является причиной снижении совершенства процесса. Это происходит не из-за потери энергии, а из-за понижения её качества, так как в необратимых процессах она не исчезает, а обесценивается.

Потери эксэргии в теплообменном аппарате Д (в испарителе, например) в общем случае представляют сумму потерь, вызванных конечной разностью температур, гидравлическим сопротивлением, теплообменом с окружающей средой и теплопроводностью вдоль теплообменника. Чем меньше температурный напор теплообменника, тем меньше в нём будет основных потерь эксэргии, потерь от конечной разности температур. Потери эксэргии от гидравлических сопротивлений обусловлены движением теплоносителей в теплообменнике. Потери эксэргии от теплообмена с окружающей средой имеют место при теплообмене тепловой изоляции машин и аппаратов с окружающей средой.

Таким образом, каждое необратимое явление - это причина безвозвратной потери энергии.

В эксэргетическом методе анализа каждый элемент ЭХТС рассматривается как самостоятельная термодинамическая система - в этом его универсальность. Эффективность работы каждого элемента оценивается путём сравнения эксэргии на входе в этот элемент с потерей в нём работоспособности, то есть с потерей эксэргии в результате необратимых процессов протекающих в этом элементе.

Поэтому при определении потерь эксэргии выявляются и количественно оцениваются причины несовершенства протекающих процессов, что даёт информацию о возможности повышения совершенства и позволяет создать наиболее совершенную ЭХТС. Это является основной целью эксэргетического метода анализа. [3]

Целью данной работы является эксэргетический анализ печи перегрева пара.

1 Принципиальная схема печи перегрева водяного пара

Печь перегрева водяного пара служит для увеличения энергетических характеристик перегретого пара и повышения его работоспособности. Один из видов таких печей - трубчатая печь, принципиальная схема которой изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 - трубчатая печь.

Нагреваемый пар пропускают через трубчатку (2) печи, где пар перегревается до заданной температуры. Нагрев пара происходит за счёт сжигания газообразного органического топлива, подаваемого на горелку (4), при избытке воздуха, подаваемого через воздушный канал (7). Вследствие высоких температур при сжигании топлива корпус (1) печи изготовлен из огнеупорного материала.

Пар в трубчатой печи данной конструкции, разделённой на две части перегородкой (3), нагревается в два этапа. Сначала происходит конвективный нагрев пара в камере (6), где пар нагревается за счёт передачи теплоты от продуктов сгорания топлива. Затем пар воспринимает непосредственно тепловое излучение пламени в камере сгорания (5). Этот процесс называют радиационным перегревом. Отработанные газы выбрасываются в атмосферу через дымоход.

Графически изменение состояния пара и продуктов сгорания топлива представлено на P-h и T-S диаграммах - рисунки 2,3,4,5. Изменения эксергии пара и продуктов сгорания по результатам расчётов изображены на рисунке 6.

2 Расчётная часть

2.1 Исходные данные:

Расход топлива В=0,07 кг/с;

Давление водяного пара на входе в печь 8 ат;

Давление водяного пара на выходе из печи 6 ат;

Температура пара на входе в печь 180⁰С;

Температура пара на выходе из печи 800⁰С;

Вид топлива - метановодородная фракция;

Состав топлива:

Н₂= 25% (объем.);

СН₄= 56% (объем.);

С₂Н₆= 7% (объем.);

С₃Н₈= 6% (объем.);

С₄Н₁₀= 6% (объем.);

Коэффициент избытка воздуха 1,05;

Температура уходящих дымовых газов 430⁰С;

2.2 Определение состава дымовых газов газообразного топлива [4]

2.2.1 Теоретический объём воздуха V₀ (м³/м³), необходимый для сжигания 1 м³ газообразного топлива:

где Н₂, СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀ - объёмные % компонентов топлива.

2.2.2 Действительное количество воздуха V (м³/м³):

,

Где б - коэффициент избытка воздуха.

2.2.3 Состав и объём продуктов сгорания топлива

При полном сгорании топлива продукты сгорания содержат газы:

СО₂, О₂, N₂, и пары Н₂О.

Объём продуктов сгорания 1м³ топлива:

Объём двухатомных газов:

Объём трёхатомных газов:

Следовательно:

2.2.4 Содержание компонентов продуктов сгорания в объёмных долях:

Где - объём соответствующего компонента продуктов сгорания, м³/м³.

2.2.5 Масса продуктов сгорания, (кг/кг топлива):

Где - объём соответствующего компонента продуктов сгорания, м³/м³;

- молярная масса компонента, кг/кмоль;

- молярная масса топлива, кг/кмоль;

2.2.6 Состав продуктов сгорания в массовых долях:

2.2.7 Действительное количество воздуха, необходимое для процесса горения (кг/кг топлива)

2.3 Определение низшей теплоты сгорания топлива, МДж/м³ топлива. [4]

Где ,,,, - объёмное содержание газов в топливе, %

2.4 Теплота сгорания топлива, кДж/кг топлива:

Где - плотность топлива при нормальных условиях, кг/м³.:

2.5 Количество тепла, воспринятого водяным паром, кВт. [4]

Где з - энергетический КПД печи (равен 0,72);

- расход топлива, кг/с;

2.6 Расход пара, кг/с. [4]

Где , - энтальпия водяного пара на выходе и входе в печь, кДж/кг.

Таблица 2.1 - Энтропии и энтальпии водяного пара. [1,4]

2.7  Расчёт эксергетического КПД печи перегрева. [4]

Где - эксергия тепла, воспринятого водяным паром при его перегреве от Т₁ до Т₂;

- эксергия топлива, кВт.

Где , - энтропия водяного пара на выходе и входе в печь, кДж/кгЧК;

- температура окружающей среды, К.

Рисунок 2 - P-h диаграмма изменения состояния перегретого пара. [1,4]

Рисунок 3 - T-S диаграмма изменения состояния перегретого пара. [1,4]

2.8 Расчёт эксергетического КПД процесса горения [4]

2.8.1 Максимальная расчётная температура горения, ⁰С:

Где - приведённая температура исходной смеси, =20⁰С;

- КПД топки, принимаем = 0,95;

- теплоёмкость продуктов сгорания, =22,8 кДж/кгЧк.

2.8.2 Вычислим энтальпии и энтропии продуктов сгорания при температурах Т₀= 293 К, Т_max= 2395,5 К, Т_вых= 703 К:

При Т₀:

При Т_вых:

При Т_max:

А так же для построения T-S диаграммы изменения состояния продуктов сгорания необходимо вычислить их энтропию при 1273К и 973К:

Рисунок 4 - P-h диаграмма изменения состояния продуктов сгорания. [4]

Рисунок 5 - T-S диаграмма изменения состояния продуктов сгорания. [4]

2.8.3 Эксергия продуктов сгорания, кВт:

Где , , , , , - энтальпии и энтропии продуктов сгорания

при Т_max, Т_вых, Т₀.

- масса продуктов сгорания, кг/с.

2.8.4 Эксергетический КПД процесса горения:

2.9 Диаграмма потоков и потерь эксергии Грассмана-Шаргута [4]

2.9.1 Эксергии водяного пара на входе и выходе из печи перегрева, кВт:

Где , ,

,

, ,

- энтальпии и энтропии водяного пара при Т_вх, Т_вых, Т₀.

2.9.2 Эксергетический КПД печи перегрева на основе эксергетического баланса:

Тогда потери:

2.9.3 Потери при сжигании топлива:

Заключение

На диаграммах изменения состояния пара видно, что исходный и конечный пар находятся в зоне перегретого пара.

По P-h диаграмме изменения состояния пара можно увидеть увеличение энтальпии нагреваемого пара, то есть его энергии. А на T-S диаграмме показано увеличение энтропии пара, то есть его анергии. На P-h и T-S диаграммах изменения состояния продуктов сгорания показано уменьшение энергетических характеристик продуктов сгорания, так как они отдают энергию перегреваемому пару.

Наиболее часто используемой в термодинамике характеристикой энергетической эффективности является КПД системы. В рассматриваемом случае эксергетический КПД процесса горения , а эксергетический КПД пароперегревателя . То есть потери в обоих случаях составляют менее 30%, следовательно топка и пароперегреватель достаточно эффективны. Но если рассмотреть печь перегрева водяного пара в целом, то эксергетический КПД печи перегрева, следовательно, потери составят 60,7%. То есть система в целом значительно менее эффективна, чем её отдельные части. Причины потерь эксергии - теплообмен с окружающей средой и потеря давления в трубках пароперегревателя.

Рассмотрим теоретическую печь перегрева водяного пара без потери давления в трубках пароперегревателя. То есть при Т=800єС и Р=8ат.

Следовательно, КПД печи перегрева:

То есть если бы была возможность избежать падения давления перегретого пара вследствие гидравлических сопротивлений, то КПД системы увеличился бы на 14,59%.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что эффективность рассмотренной печи перегрева водяного пара невелика вследствие значительных потерь. Одной из причин потерь эксергии является потеря давления перегретого пара вследствие гидравлических сопротивлений трубок пароперегревателя. При теоретическом исключении падения давления перегретого пара КПД системы значительно возрастает.

Библиографический список

1. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара: справ./ Ривкин С.Л., Александров А. А. - Энергия, 1980 г .

2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. - 9-е издание, переработанное и дополненное. Химия, 1981 г .

3. Бродянский В.М. Эксергетический метод и его приложения / Бродянский В.М. ,Фратмер В. , Михалек К. - Энергоатомиздат , 1988 г .

4. Гребёнкина З.И. Техническая термодинамика и теплотехника: учебное пособие для выполнения курсовой работы. - Киров, ВятГУ, 2003. - 28с.