2 Экономия тепловой энергии за счет регенерации при работе котельных установок

Современные котельные установки малой и средней мощности имеют сравнительно невысокие К.П.Д. (от 0,55 до 0,90), особенно при работе без регенерации тепла. При этом основными составляющими тепловых потерь при работе котельных являются

1. Потери, получаемые в результате выноса тепла с дымовыми газами.

2. Потери теплоты на наружное охлаждение нагретых поверхностей.

Рассматриваемые виды тепловых потерь можно снизить за счет:

- использования лучших материалов обмуровки (с меньшими значениями коэффициентов теплопроводности);

- увеличения толщины обмуровочного слоя;

- частичной регенерации потерянного тепла (воздухозабор из верхних слоев помещения котельной);

- снижения температуры уходящих газов за счет использования экономайзеров, воздухоподогревателей, контактных теплообменников, что дает значительный эффект экономии энергоносителя.

Возможности реального процесса экономии топлива на котельных установках можно исследовать, решая конкретные задачи.

Контрольное задание №1

Определить экономию топлива в расчете на 1 ГДж тепловой энергии в котельной, использующей котлы типа ДКВР. Сравнить три варианта:

1. Внешний воздухозабор (среднегодовая температура отопительного периода t_о.п. может изменяться от -15°С до - 35 ^оС);

2. Внутренний воздухозабор из нижнего слоя (средняя температура воздуха t_в =18°С);

3. Внутренний воздухозабор из верхнего слоя на высоте 6 м.

Градиент температуры по вертикали 2 К/м. t_в = 30 ^оС

Определить относительную экономию топлива при внутреннем воздухозаборе по сравнению с внешним в соответствии с данными, представленными в таблице 2.1.

Таблица 2 - Исходные данные для определения экономии тепловой энергии за счет регенерации при работе котельных установок

№ варианта	Тип и марка котла	Номинальная тепловая мощность Q, кВт	К.П.Д. котла, ηк	Вид сжигаемого топлива	Среднегодо­вая темпера-тура отопи-тельного периода tоп, оС
6	ТВГ- 8	9650	0,92	Березовский газ	-27

Таблица 4 - Расчетные характеристики газообразного топлива

Газ природный	Элементный состав газа, %							Теплота сгорания на сухую массу, Qсн, кДж/кг
	CH4	C2H4	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
Березовский	95,1	1,1	0,3	0,1	-	3,0	0,4	35320

Расчет проводится в следующей последовательности: Определяется расход топлива (B, кг/с (нм /с)) при номинальной нагрузке котла

, (2.1)

=0,291 кг/с

где Q – номинальная мощность котла (таблица 2), кВт;

Q^р_н (Q^с_н) - низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, кДж/кг или кДж/нм³ (таблица 3, 4);

η_к - К.П.Д. котла (таблица 2)

Для полного сгорания I кг твердого (жидкого) или I нм³ газообразного топлива требуется теоретически необходимый расход воздуха V^о_в, который зависит от элементного состава топлива и может быть рассчитан

Для газообразного топлива (V^о_в, м³/нм³)

, (2.3)

9,81 м³/нм³

где m, n - число атомов соответственно углерода и водорода в молекуле углеводорода.

Для оценочных расчетов можно принять

, (2.4)

где Q^р_н (Q^с_н) - низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, МДж/кг или МДж/нм³.

Поскольку равномерно перемешать воздух с топливом трудно, в топку подают больше воздуха, чем необходимо теоретически.

Действительный расход воздуха на I кг (нм³) топлива в м³/кг (м³/нм³ )

, (2.5)

=10,35 м³/кг

где α - коэффициент избытка воздуха в топке (а) для газов α = 1,05-1,1; б) для жидких топлив α = 1,1-1,2; в) для твердых топлив α = 1,3-1,5)

Действительный расход воздуха (V_д, м³/с) при сжигании топлива, подаваемый в топку котла,

, (2.6)

=3,012 м³/с

Расход теплоты (Q_i, кВт), необходимый для подогрева (или недогрева) воздуха

, (2.7)

=-97,89 кВт при внешнем воздухозаборе

=70,48 кВт при внутреннем воздухозаборе

=117,468 кВт на высоте 6м

где С^/_p - объемная изобарная теплоемкость воздуха; кДж/нм^3.К (принимается С^/_p=1,3 кДж/нм^3.К);

∆t_i – разность температур,^оC, рассчитываемая по формуле

, (2.8)

=-25 ^оC при внешнем воздухозаборе

=18 ^оC при внутреннем воздухозаборе

=30 ^оC на высоте 6м

где t_i - температура воздуха при внешнем или внутреннем воздухозаборе (принимается по заданию), ^оС;

t_о – начальная температура воздуха, принимаемая для расчета, ^оС (составляет t_о=0^оС)

Расход топлива (B_i, кг/с (нм³/с)), с учетом подогрева (или недогрева) его при внешнем (или внутреннем) воздухозаборе

, (2.9)

=0,294 кг/с при внешнем воздухозаборе

=0,289 кг/с при внутреннем воздухозаборе

=0,288 кг/с на высоте 6м

Секундная (часовая, суточная) экономия топлива в котельной - ∆B_i, рассчитывается по формуле:

, (2.10)

=-0,003 при внешнем воздухозаборе

=0,002 при внутреннем воздухозаборе

=0,003 на высоте 6м

Экономия топлива (∆b_i, кг/ГДж или нм³/ГДж) в расчете на I ГДж отпускаемой теплоты котельной

(2.11)

=-0,3109 кг/ГДж при внешнем воздухозаборе

=0,2073 кг/ГДж при внутреннем воздухозаборе

=0,3109 кг/ГДж на высоте 6м

Экономия топлива за отопительный период (∆B_оп, кг или нм³):

, (2.12)

=-5708124 кг при внешнем воздухозаборе

=3806028 кг при внутреннем воздухозаборе

=5708124 кг на высоте 6м

где τ_оп - продолжительность отопительного периода (для Великих Лук τ_оп = 212-213 сут.)

Контрольное задание №2

Определить экономию топлива котельными установками за счет предельно возможной регенерации тепла уходящих газов (для тех же котлов).

За номинальный режим работы принять t_ух1=160-190°С. Экономия топлива возможна за счет снижения температуры уходящих газов. Используя низкотемпературные теплообменники можно снизить температуру газов до значений t_ух2=110-130°С, а в газовых котельных при применении контактных теплообменников до 80°С.

За счет регенерации потери тепла с уходящими газами при сжигании (В кг/с (нм³/с)) топлива уменьшаются на величину - Q_ух, определяемую по формуле

, (2.13)

где V^о_г – объем дымовых газов (таблица 5);

С^/_г – средняя объемная теплоемкость дымовых газов (кДж/нм^3.К), состоящих из СО₂, N₂, H₂O, определяемая из выражения:

, (2.14)

С учетом состава продуктов сгорания, формулу (2.13) можно записать в раскрытом виде

, (2.15)

=438,52 кВт

где – объемы составляющих продуктов сгорания (м³/кг или м³/н^.м³), входящие в состав дымовых газов на 1 кг (н^.м³) сгоревшего топлива и зависящие от исходного состава топлива (таблица 5)

- объемные теплоемкости газов, кДж/нм^3.К (таблица 6)

- теоретический объем воздуха, м³/кг или м³/н^.м³;

- теплоемкость воздуха, кДж/нм^3.К.

Расход топлива на котел (B^р, кг/с или нм³/с) с применением регенерации уходящих газов вычисляется из выражения

, (2.16)

=0,278 кг/с

где Q – номинальная тепловая мощность котла, кВт (таблица 2);

Экономия топлива за счет регенерации (∆B, кг/с или нм³/с) рассчитывается по формуле:

, (2.17)

=0,013 кг/с

Экономия топлива за отопительный период (∆B_оп, кг или нм³):

, (2.18)

= 238680 кг

где τ_оп - продолжительность отопительного периода (для Великих Лук τ_оп = 212-213 сут.)

Таблица 5 - Объемы воздуха и продуктов сгорания на 1 кг твердого (жидкого) или I нм³ газообразного топлива при =1

Вид топлива	Показатели
Природный газ
Березовский	9,74	1,04	7,70	2,18	10,92

Таблица 6 - Средние объемные теплоемкости газов и воздуха, кДж/нм^3.К

t, oC
0	1,5998	1,2946	1,4943	1,3189
100	1,7003	1,2959	1,5052	1,3243
200	1,7874	1,2996	1,5224	1,3319