Глубокое охлаждение продуктов сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Глубокое охлаждение продуктов сгорания

Влажный воздух, влажные продукты сгорания

Масса паров в 1 м3 влажного воздуха, численно равная плотности пара п при парциальном давлении Pп, называется абсолютной влажностью. Отношение действительной абсолютной влажности воздуха пк максимально возможной абсолютной влажности нпри той же температуре называют относительной влажностью и обозначают =п/н = Pп/Pн. Здесь Pп - парци-альное давление водяного пара во влажном воздухе, Pн - максимально возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Отношение массы водяного пара mп, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха mв называется влагосодержанием и измеряется в килограммах на килограмм сухих газов:

.

Максимальное влагосодержание достигается при полном насыщении воздуха водяными парами (ц=1).

, кг/кг.(

Теплоемкость влажного воздуха рассчитывают как сумму теплоемкости 1 кг сухого воздуха и d кг пара:

кДж/(кгК).

В диапазоне от 0 до 100 С св=1,0048 кДж/(кгК) теплоемкость водяных паров сп = 1,96 кДж/(кгК).

Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг пара:

.

Энтальпия сухого воздуха , энтальпия пара, содержащегося во влажном воздухе, достаточно точно может быть вычислена по формуле , в которой теплота испарения воды принята равной 2500 кДж/кг, а теплоемкость пара 1,96 кДж/(кгК).

Тогда энтальпия влажного воздуха (газа) может быть рассчитана как

По данным формулам построена I-d диаграмма влажного воздуха (рис. 1).

Для процессов, связанных с глубоким охлаждением продуктов сгорания, могут быть использованы приведенные выше формулы (и I-d диаграмма), полученные для воздуха. Отличие заключаются в несколько различной молярной массе воздуха и продуктов сгорания.

Рис. 1. I-d диаграмма влажного воздуха

Для продуктов сгорания среднего состава, сжигаемых с коэффициентом избытка воздуха  = 1,3 ( = 0,11;  = 0,13;  = 0,76), плотность и теплоемкость при 0 °С составляют соответственно с = 1,33 кг/м3, с = 1,068 кДж/(кг•К); для воздуха соответствующие значения равны с = 1,29 кг/м3, = 1,009 кДж/(кг•К).

Следует помнить, что I-d диаграмма построена для определенного барометрического давления, равного 745 мм рт. ст. Поэтому расчеты с использованием I-d диаграммы носят приблизительный характер. При необходимости проведения точных расчетов следует пользоваться формулами, с учетом отличия плотности продуктов сгорания от плотности воздуха.

Основными процессами при теплообмене являются процессы d = const и i = const.

При сухом охлаждении воздуха или продуктов сгорания, в конце концов, достигается температура, при которой относительная влажность достигает 100 %. Температура, соответствующая состоянию насыщения водяных паров, называется температурой точки росы. Она определяется из следующих соображений. При достижении температуры точки росы пар становится насыщенным. По известному влагосодержанию, которое рассчитывается по известному составу газов, рассчитывают давление насыщения, равное:

.

По таблицам воды и насыщенного водяного пара определяют температуру, равную температуре насыщения. Количество теплоты, которое выделилось при охлаждении газов от начального состояния 1 до состояния соответствующего температуре точки росы, рассчитывается как разница энтальпий газа в соответствующих состояниях:

Второй важной температурой, при известном состоянии продуктов сгорания, является температура мокрого термометра. Температуру мокрого термометра определяют из условия I-const:

.

Отсюда температура мокрого термометра рассчитывается как

.(86)

Утилизация теплоты низкотемпературных дымовых газов

Проблему эффективного использования теплоты отходящих газов энергетических котлов и промышленных печей можно решить путем установки за ними контактных теплообменников с активной насадкой - КТАНов[10].

Разработана конструкция КТАНов производительностью 5,8-17,4 МВт для установки их за печами в агрегатах синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут, и за крупными энергетическими котлами. Особенности КТАНов - организация двух потоков воды: чистой, подогреваемой через теплообменную поверхность (рис. 2), и воды, нагревающейся в результате непосредственного контакта с газами.

Рис. 2. Контактный теплообменник с активной насадкой:

1 - корпус; 2 - теплообменная поверхность; 3 - циркуляционный насос;

4 - распылитель; 5 - каплеуловитель

При этом увеличивается теплоотдача от газов к воде за счет теплообмена стекающей воды и конденсация водяных паров, содержащихся в газе. Температура нагреваемой воды в КТАНах ограничена температурой мокрого термометра дымовых газов. При сжигании газов с  = 1,0-1,5 температура мокрого термометра составляет около 80 С. Недостатком такой конструкции является ненадежность работы распылителя при длительной эксплуатации вследствие засорения форсунок.

Для котлов ДЕ-25-ГМ разработаны контактные экономайзеры (рис. 50) с керамической насадкой (агрегат АЭ-0,6). Газы из котла поступают в контактный экономайзер в количестве 70 % от общего объема, а 30 % газов подаются мимо экономайзера. В контактном теплообменнике подогревают либо подпиточную воду, либо воду для систем горячего водоснабжения.

Достоинства контактного теплообменника:

1. Используется скрытая теплота конденсации водяных паров, при этом КПД возрастет до 9596 %. При сжигании 1 м3 топлива дополнительно выделяется

кДж/м3.(87)

2. Происходит естественная деаэрация воды. Концентрация кислорода в воде снижается с 5-8 мг/л до 0,12 мг/л, правда, увеличивается концентрация СО2 в воде.

Рис. 50. Контактный теплообменник с керамической насадкой:

1 - корпус; 2 - насадка из керамических колец Рашига; 3 - теплообменная поверхность; 4 - циркуляционный насос; 5 - распылитель

3. Возможен нагрев жестких вод без предварительного умягчения. Практически испарение воды отсутствует, поэтому СаSО4 и МgSO4 не выпадают. Увеличение концентрации СО2 приводит к растворению образовавшихся и выпавших в осадок карбонатов из-за смещения равновесной реакции вправо: .

4. Контактные аппараты имеют малую металлоемкость из-за высоких значений коэффициентов теплоотдачи.

Особенности процессов контактного тепломассообмена

1. Температура воды ограничена значением tм, после чего происходит только ее испарение.

2. Процесс охлаждения продуктов сгорания водой сопровождается взаимным массообменном за счет испарения либо конденсации воды.

3. Высокое значение коэффициентов теплопередачи.

4. Величина поверхности теплообмена зависит от гидродинамики потоков газа и жидкостей.

Выделяют следующие режимы работы насадки в зависимости от плотности орошения и скорости потока газа (рис. 3).

I - пленочный режим (ламинарный). Вода стекает в виде пленок, поверхность смочена не вся, интенсивность тепломассообмена низка. Точка Т - точка торможения газа, в ней пленочный режим переходит в (II) - струйно-пленочный. Аэродинамическое сопротивление насадки возрастает более резко, поверхность насадки смочена полностью. Точка П - точка начала подвисания. На нижних кольцах образуется сплошной слой воды, через который барботирует газ. Пленка на поверхности колец интенсивно турбулизируется. Точка И - точки инверсии. Вода становится сплошным потоком, газ - дисперсными. Пузыри газа проходят через слой воды, процессы тепломассообмена интенсифицируются. Режим IV - режим эмульгирования - это фактически жидкостный кипящий слой с насадкой. Это наиболеевыгодный режим в контактных аппаратах. Точка З - точка захлебывания, после нее сопротивление насадки становится настолько большим, что вода выносится из насадки, и крупные пузыри газа уносят капли воды. Интенсивность тепломассообмена между газом и водой резко падает. Таким образом, оказывается, что контактные аппараты надежно работают в достаточно узком диапазоне скоростей. Доля активной поверхностиа конвективного теплообмена зависит от соотношения чисел Рейнольдса по газу и по жидкости [11]. При доля активной поверхности составляет , при, в процессе теплообмена участвует вся поверхность.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3. Режимы работки насадки

воздух теплоемкость сгорание теплообменник

Расчет контактного экономайзера

Задан состав газа, т. е. объемы продуктов сгорания и теплота сгорания: . Рассчитывают теоретический объем сухих газов и при известном коэффициенте избытка воздуха массовое количество сухих продуктов сгорания . При известном содержании водяных паров в продуктах сгорания определяют исходное влагосодержание в продуктах сгорания

и при известной температуре продуктов сгорания tг их энтальпию Iг, кДж/кг:

Задаются температурой уходящих из контактного экономайзера газов tух и, считая, что водяные пары находятся в состоянии насыщения, по таблицам воды и водяного пара определяют соответствующее парциальное давление насыщенных водяных паров. При определенном таким образом давлении насыщения Pн рассчитывают влагосодержание в продуктах сгорания уходящих из контактного экономайзера

и энтальпию продуктов сгорания Iух, кДж/кг:

При известном расходе топлива на котел B массовый расход продуктов сгорания составит , тогда количество теплоты, отданное газами в контактной насадке, может быть рассчитано как

То же самое количество теплоты передано циркулирующей с расходом Мц в контактном экономайзере воде:

,

где tми tор - температура мокрого термометра, до которой подогревается вода в контактной насадке, и температура орошающей воды, до которой она остывает, отдавая теплоту трубчатому теплообменнику; св массовая теплоемкость воды.

Уравнение теплопередачи для процесса теплообмена в контактной насадке имеет традиционный вид

где - коэффициент теплоотдачи в насадке, Вт/(м2К);Fн - площадь поверхности теплообмена насадки, м2; S - удельная поверхность (для колец Рашигам2/м3), м2/м3; V - объем насадки, м3; ?t - температурный напор в насадке: , где и .

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующим выражениям [11]: при соотношении , где qж - плотность орошения (отношение расхода циркулирующей воды к площади свободного сечения аппарата); при

То же самое количество теплоты передается нагреваемой воде

,

где Мв расход подогреваемой воды, кг/с; t'в,t''в-температура воды на входе и на выходе из поверхностного теплообменника, єС.

Требуемая поверхность теплообменника для подогрева воды находится из уравнения теплопередачи

где kп- коэффициент теплопередачи к поверхностному теплообменнику, Вт/(м2К);Fп - площадь поверхности теплообмена, м2; ?tп - температурный напор: , где и .

При конденсации водяных паров расчет КПД следует проводить на высшую теплоту сгорания, с учетом теплоты конденсации водяных паров. Теплота конденсации водяных паров рассчитывается по выражению (87), тогда высшая теплота сгорания определится как , а выражение для потери теплоты с уходящими газами будет иметь следующий вид:

где Gсв массовое количество сухого воздуха, рассчитанное на один кубометр топлива, кг/м3; Iсв энтальпия сухого воздуха, рассчитанная на 1 килограмм сухого воздуха, кДж/кг.

Размещено на Allbest.ru