Критерий Прандтля

Характеризует физические свойства жидкости.

При конвективном теплообмене существует однозначная связь между этими критериями:

Для удобства обработки опытных данных критериальные уравнения представляют в виде степенной функции:

, где c, n, m, k – некоторые опытные коэффициенты.

Теплопередача. Схема теплообмена. Плотность теплового потока.

Теплопередача (сложный теплообмен) – перенос теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Процесс передачи теплоты от греющей жидкости, нагреваемой через разделяющую их стенку, складывается из 3 процессов:

1)Теплообмен между греющей жидкостью и стенкой

2)Передача теплоты через стенку путем теплопроводности

3)Теплообмен между стенкой и нагреваемой жидкостью

Сложим выражения и получим плотность теплового потока в процессе теплопередачи:

или

Теплопередача. Коэффициент теплопередачи. Термическое сопротивление теплопередачи

Теплопередача (сложный теплообмен) – перенос теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Коэффициент теплопередачи:

, Вт/м2*К

Величина численно равная плотности теплового потока, проходящего от одной среды к другой через разделяющую их стенку при изменении температуры в 1 К называется коэффициентом теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи зависит от:

1)Коэффициентов теплоотдачи и , характеризующих теплообмен между стенкой и соприкасающейся с ней средой

2)Коэффициента теплопроводности материала стенки Л, характеризующего процесс распространения теплоты от одной поверхности стенки к другой

3)Толщины стенки

Многослойная стенка:

R - полное термическое сопротивление теплопередачи

,

Частные термические сопротивления:

- теплоотдачи

- теплопроводности

– теплоотдачи

Состав и характеристики органического топлива

Топливо – вещество, способное вступать в реакцию с кислородом воздуха и выделяющее при этом большое количество теплоты; выделившаяся в результате реакции теплота передается рабочему телу (воде и пару), циркулирующему в цикле паротурбинной установки.

Органическое топливо по агрегатному состоянию делится:

Твердое (уголь, торф, горючие сланцы)

Жидкое (мазут, бензин)

Газообразное (природные и искусственные газы)

Элементарный состав топлива – условная сумма химических элементов, образующих топливо.

Состав рабочей массы твердого топлива:

– углерод – водород - летучая сера – кислород

– азот – зольность – влажность

В этом составе выделяют горючую часть – совокупность химических элементов, вступающих в реакцию с кислородом воздуха и выделяющих большое количество теплоты. Остальные элементы в составе топлива образуют негорючую часть (или балласт топлива).

присутствует в топливе в 3 видах:

oрганическая

колгед нная

сульфатная (не участвует в процессе горения)

– вредная примесь топлива

- выделяет при сгорании небольшое количество теплоты

- при эксплуатации паровых котлов вызывает коррозию оборудования

- загрязняет окружающую среду вредными выбросами SO2

Различают также сухую и горючую массы топлива.

Состав топлива на сухую массу:

Состав топлива на горючую массу:

Выполняют перерасчет отдельных компонентов топлива из 1 масса в другую.

Теплота сгорания топлива: высшая, низшая

Топливо – вещество, способное вступать в реакцию с кислородом воздуха и выделяющее при этом большое количество теплоты; выделившаяся в результате реакции теплота передается рабочему телу (воде и пару), циркулирующему в цикле паротурбинной установки.

Теплота сгорания – количество теплоты, которое может быть выделено при полном сгорании единицы массы топлива.

– низшая – высшая

Высшая теплота определяется количество теплоты, полученной при сгорании 1 кг топлива, и конденсацией водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания.

Низшая теплота не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Выход летучих веществ. Зольность и влажность топлива

Выход летучих веществ – смесь горючих и негорючих газов, которые выделяются из массы топлива при нагревании от 110 до 1100 .

Чем выше выход летучих веществ, тем меньше температура воспламенения топлива и легче его условия зажигания.

Торф 70% Уголь 45-50%

Зола – несгоревший остаток, образующийся после сгорания топлива и состоящий из минеральных примесей.

Часть золы под действием высоких температур оплавляется и превращается в шлак.

Зольность топлива «А» - отношение массы золы к массе топлива.

Зола уменьшает теплоту сгорания топлива, ухудшает условия теплообмена из-за осаждения на поверхностях нагрева котла и загрязняет окружающую среду.

Влажность топлива - количество влаги в топливе, выраженное в процентах.

, которая повышена, снижает теплоту сгорания топлива и вызывает трудности при его сжигании.

Классификация паровых котлов. Кратность циркуляции

В зависимости от способа организации движения теплоносителя паровые котлы делятся на:

Прямоточные

Барабанные

С естественной циркуляцией

С принудительной циркуляцией

Процесс получения перегретого пара в котле состоит из 3 этапов:

1)Подогрев питательной воды до температуры кипения в специальном теплообменнике – водяном экономайзере.

2)Кипение и образование сухого насыщенного пара из воды в испарительных поверхностях нагрев а - экранных трубах.

3)Перегрев сухого насыщенного пара до необходимой температуры в теплообменниках – пароперегревателях.

Кратность циркуляции – отношение циркулирующей в контуре воды к количеству образовавшегося пара.

Тип котла в принудительной циркуляции. В котлах с естественной циркуляцией экранные трубы расположены вертикально. Движущий напор естественной циркуляции 0, 1 МПа. Иногда экранные трубы располагают горизонтально или даже с уклоном вниз, при этом гидравлическое сопротивление контура возрастает настолько, что движущего напора естественной циркуляции не хватает для организации движения воды и пароводяной смеси. В этом случае движение теплоносителя осуществляют принудительно насосом, включенным в контур циркуляции. Такие котлы называются барабанные с принудительной циркуляцией.

Барабанный котел. Схема, принцип действия

1 – топка, 2 – горелки, 3 – опускные необогреваемый трубы, 4 – экранные трубы, 5, 10, 12 – коллекторы, 6 – барабан, 7 – трубопровод питательной воды после водяного экономайзера, 8 – потолочный пароперегреватель, 9 – ширмовый пароперегреватель, 11 – водяной экономайзер, 13 – впрыскивающий пароохлаитель, 14, 15 – конвективный пароперегреватель, 16, 17 – ВПП, 18 – регулятор пропуска пеара в турбину

Особенность – наличие барабана – цилиндра/устройства, разделяющего пароводяную смесь на пар и воду. Барабанные котлы работают при давлениях ниже критических () и имеют маленькую производительность ().

Топливо в смеси с горячим воздухом поступает в горелки, где воспламеняется. Горение топлива происходит в топке котла. Образующиеся в процессе сжигания продукты сгорания (дымовые газы) при движении в газовом тракте котла передают свою теплоту поверхностям нагрева, размещенным в котле. Покидают котел при =100-170 и выбрасываются в дымовую трубу.

Питательная вод поступает в водяной экономайзер, где нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения (кипения). Из экономайзера по трубам 7 вода направляется в барабан котла. Из барабана вода по опускным, не обогреваемым трубам направляется в нижние входные коллекторы экрана 12, и из них раздается по экранным трубам топки. В экранных трубах образуется пароводяная смесь, которая поступает в барабан котла, где разделяется на пар и воду.

Сухой насыщенный пар из барабана котла поступает на перегрев сначала в потолочный пароперегреватель, затем - в ширмовый, далее - в конвективный и направляется в турбину.

Для регулирования температуры первичного пара, направляющегося в турбину, устанавливается впрыскивающий пароохладитель. С целью повышения термического КПД цикла Ренкина в конвективной шахте котла размещают вторичный (промежуточный) пароперегреватель. Пар, совершив работу, в ЦВД турбины отбирается из нее и поступает во ВПП, где нагревается до теплоты дымовых газов. После ВПП пар, нагретый до температуры первичного пара, поступает в ЦНД турбины и совершает в нем работу.

В барабанных котлах поступившая вода полностью превращается в пар только после многократного прохождения через циркуляционный контур. За 1 цикл испаряется 3-20% воды, поэтому количество циркулирующей в контуре воды во много раз больше количества образовавшегося пара.

Прямоточный котел. Схема, принцип действия

В них отсутствует замкнутый контур циркуляции и барабан. Тракт прямоточного котла – разомкнутая гидравлическая система, состоящая из последовательно соединенных экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. Рабочее тело проходит через прямоточный котел однократно. Прямоточные котлы могут производить пар сверхкритических параметров: .

1) входной коллектор НРЧ

2) НРЧ (нижняя радиационная часть)

3) выходной коллектор НРЧ

4) ВРЧ (верхняя)

5) конвективный пароперегреватель

6) переходная зона (пар)

7) водяной экономайзер (вода)

8) питательный насос

Питательная вода при помощи насоса 8 поступает в водяной экономайзер 7, где нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения, во входной коллектор НРЧ 1, а затем в парообразующие трубы НРЧ, расположение по периметру полочной камеры. В них образуется пароводяная смесь, и вода почти полностью испаряется. Обычно в выходном коллекторе НРЧ 3 содержится 10-15% воды, в которой растворено большое количество примесей (солей, попавших в тракт с питательной водой). При таком количестве примесей возможно их выпадение в виде твердой фазы и образование накипи на внутренних стенках труб. Появление накипи в НРЧ очень опасно, т.к. снижает прочностные свойства металла и может привести к пережогу труб. Поэтому для облегчения условий работу металла труб часть поверхности нагрева, в которой возможно образование накипи выносят из топочной камеры (зоны высоких температур) и помещают в конвективную шахту (зону пониженных температур). Эту часть поверхности нагрева называют переходной зоной. В ней происходит окончательное испарение воды и небольшой перегрев пара на 15-20 . Дальнейший перегрев пара происходит в трубах верхней радиационной части и в конвективном пароперегревателе. Затем перегретый пар поступает в турбину.

В современных схемах прямоточных котлов за счет химводоочистки значительно повышено качество питательной воды. Поэтому переходная зона отсутствует. Питательная вода последовательно проходит водяной экономайзер, НРЧ, СРЧ (среднюю), ВРЧ и конвективный пароперегреватель.

Тепловой баланс парового котла

В процессе получения перегретого пара в ПК неизбежны тепловые потери. Степень энергетического совершенства котла определяется его КПД. Для определения КПД составляется тепловой баланс – распределение теплоты, выделившейся при горении топлива на полезную часть для получения пара и тепловые потери.

Уравнение теплового баланса записывает в абсолютных величинах в следующем виде:

, где

– располагаемая теплота сжигаемого топлива

- использованная теплота

- - тепловые потери

, где – низшая теплота сгорания топлива

Использованная теплота воспринимается поверхностями нагрева в топочной камере котла и его конвективным газоходом. Передается рабочему телу и расходуется на подогрев воды до температуры кипения, ее испарение и перегрев полученного пара.

, где

, (кг/с) – расход первичного пара и паропромежуточного перегрева

, (кДж/кг) – энтальпия первичного перегретого пара и питательной воды

, (кДж/кг) – энтальпия пара на входе и выходе из промежуточного (вторичного) пароперегревателя

(кг/с) – расход топлива на котел

Коэффициент полезного действия парового котла

В процессе получения перегретого пара в ПК неизбежны тепловые потери. Степень энергетического совершенства котла определяется его КПД.

Уравнение теплового баланса можно записать в относительных величинах (т.е. в %):

, где

– брутто

Эффективность работы ПК с учетом расхода энергии на собственные нужды (привод дутевых вентиляторов, дымососов и т.д.) определяется КПД котла нетто.

, где

- доля энергии, расходуемая на собственные нужды котла ()

Потери теплоты парового котла с уходящими газами

Эффективность использования топлива определяется полнотой его сгорания и глубиной охлаждения продуктов сгорания в ПК.

- потери теплоты с уходящими газами

Являются наибольшими и обусловлены тем, что продукты сгорания в ПК не охлаждаются до температуры окружающего воздуха

- температура уходящих газов

, где

(кДж/кг) – энтальпия уходящих газов

- энтальпия холодного воздуха

Потери теплоты парового котла от механического недожога

Эффективность использования топлива определяется полнотой его сгорания и глубиной охлаждения продуктов сгорания в ПК.

- потери теплоты от механического недожога топлива

Это теплота, которая уносится продуктами сгорания в газоходы котла с золой

Потери теплоты парового котла от химического недожога

Эффективность использования топлива определяется полнотой его сгорания и глубиной охлаждения продуктов сгорания в ПК.

- потери теплоты от химического недожога топлива

Обусловлены тем, что в состав продуктов сгорания могут входить газообразные горючие компоненты: СО, Н2, СН4

Их догорание за пределами топочной камеры невозможно из-за недостаточно высокой температуры, малой их концентрации и недостаточного количества О2.

, где

, , (м3/кг) – объем горючих газов продуктов сгорания

, , (кДж/м3) – теплота сгорания соответствующих горючих компонентов

Тепловая схема ТЭС

ТЭС делятся на:

Конденсационные КЭС (вырабатывают только электрическую энергию)

Теплофикационные ТЭЦ (вырабатывают и электрическую, и тепловую энергию)

Основными тепловыми агрегатами ТЭС являются:

Паровой котел

Паровая турбина

Схема:

ПК – паровой котел Т –турбина ЭГ – электрогенератор

К – конденсатор ПН – питательный насос

КН – конденсационный насос ПВД – подогреватель высокого давления

ПНД – подогреватель низкого давления Д – деаэратор

СП – сетевой подогреватель СН – сетевой насос

ПВК – пиковый водогрейный котел - потребитель тепла и горячей воды

Питательная вода поступает в ПК, где за счет использования тепла, образующегося при сжигании топлива, подогревается до температуры насыщения, испаряется, а полученный пар перегревается. Перегретый пар поступает в Т, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую валу турбины. С валом турбины связан ЭГ, где механическая энергия превращается в электрическую. Пар, расширяясь в Т, совершает работу. Его давление и температура снижаются. Отработавший в Т пар поступает в К, где охлаждается или водой природного источника или искусственного и конденсируется. Конденсат КН перекачивает через ПНД в Д. В Д за счет отбора пара из Т конденсат доводится до кипения, освобождаясь при этом от газов (О2 и СО2), вызывающих коррозию оборудования. Из Д вода ПН перекачивается через ПВД в котел. Подогрев конденсата в ПНД и питательной воды в ПВД осуществляется паром, отбираемым из Т, и называется регенеративным подогревом. Регенеративный подогрев повышает КПД паротурбинной установки. На теплофикационной ТЭС часть пара отбирается из Т (обычно этот пар низкого давления) и направляется в СП. Сетевая вода движется по замкнутому контуру. После СП может стоять ПВК (период: зима, лето). Сетевая вода уходит к потребителю с температурой 150 и возвращается на станцию с температурой 70 .

Теплообменные аппараты ТЭС

Теплообменные аппараты ТЭС – устройства, в которых происходят передачи теплоты от одной среды к другой.

Теплоноситель, имеющий более высокую температуру, называется первичным (греющим) (пар).

Теплоноситель более низкой температуры – вторичный (нагреваемый) (вода).

Классификация:

По способу передачи теплоты теплообменные аппараты ТЭС делятся на:

Поверхностные

Подогреватель высокого давления

Подогреватель низкого давления

Сетевой подогреватель

Смешивающие

Деаэратор

Поверхностный теплообменный аппарат имеет трубчатую конструкцию.

По трубкам движется вода, т.к. в них можно достичь большей скорости теплоносителя.

В межтрубном пространстве движется пар. Пар отдает тепло воде, за счет чего вода нагревается, а пар, охлаждаясь, превращается в дренаж (вода при температуре насыщения или кипящая вода). В поверхностном подогревателе всегда существует недогрев воды относительно температуры пара на (недостаток) из термического сопротивления стенки трубы. В поверхностном подогревателе давление воды и пара различные.

Смешивающий подогреватель представляет из себя бак, над которым расположена колонка и в котором смешиваются конденсат, пар из отбора турбины, дренажи, а выходит питательная вода.

Все Д станции термические, т.е. работают по принципу увеличения температуры воды до кипения, при этом из нее выделяются растворенные коррозионно-активные газы (О2, СО2 главным образом). После Д вода называется питательной. В питательной воде недопустимо наличие растворенных газов, т.к. они могут вызвать пережог экранных трубок в котле и т.д.

В смешивающем подогревателе воду можно нагреть до температуры пар (достоинство). Но на ТЭС ставят один такой подогреватель – Д, потому что для его работы необходимо соблюдение равенства давлений пара и воды, а такое равенство может быть достигнуто только в 1 точке тепловой схемы.