Располагаемая теплота состоит из низшей теплоты сгорания (см. выше), физической теплоты газообразной смеси, внесенной теплоты с подогретым от какого-либо источника воздуха вне воздухоподогревателя котла-утилизатора [6, 7]:
Физическая теплота смеси [6, 7]:
При этом теплота отходящих газов равна их энтальпии
По указанию [6] значением
Теплота, выносимая из котла с отходящими газами [6, 7]:
– энтальпия продуктов сгорания;
– энтальпия теоретического расхода холодного воздуха;
– коэффициент избытка воздуха в отходящих газах.
Теплота, вносимая с подогретым воздухом вне подогревателя равна разности энтальпий на входе в воздухоподогреватель и холодного воздуха [6, 7]:
Тепловыделение в топке котла-утилизатора [6, 7]:
Паропроизводительность котла-утилизатора без промежуточного перегрева пара (с отсутствием вторичного пароперегревателя) [6, 7]:
qх – потери от неполноты химических реакций сгорания
Рассмотрим расчет теплообмен на поверхностях нагрева
Для всех тепловых устройств, входящих в состав котла-утилизатора (пучков испарения, воздухоподогревателя, пароперегревателя, экономайзера) рассчитываются тепловые балансы и теплопередача.
Основание методики расчета [7] в том, что тепло от горячего теплоносителя равно теплу, полученному холодным теплоносителем за вычетом потерь.
Для тепловых устройств котла теплота, переходящая от горячего к холодному теплоносителю, определяется по формуле [6]:
При отсутствии присоса воздуха в газоход
Уравнение теплопередачи используется общеизвестное:
Коэффициент теплопередачи рассчитывается по общеизвестным формулам.
Коэффициент теплоотдачи путем конвекции определяется также по известным формулам. Для его расчета находят критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.
Скорость продуктов сгорания [7]:
Коэффициент теплоотдачи излучением рассчитывается по известной формуле по закону Стефана-Больцмана.
В расчете котла-утилизатора находят паропроизводительность, температуру горения, коэффициент использования теплоты.
Энергетический баланс графически показывается на диаграмме потоков энергии Сенкея, графику цитируем по источнику [8]:
На диаграмме Сенкея ширина каждой полосы соответствует величине соответствующей энергии
Эксергией является максимальная работа, совершаемая системой при обратимом переходе в равновесие с окружающей средой [9]. По эксергии оценивается резервы утилизации вторичных энергоресурсов (пригодность энергии для совершения работы).
Эксергию делят на химическую и потоковую.
Химическая эксергия для газообразных углеводородов [6,7] определяется по низшей теплоте сгорания углеводородов:
Эксергия потока [6, 7], отнесенная к единице массы потока:
Баланс эксергии:
То есть состоит из химической эксергии отходящих газов, их физической эксергии, эксергии потока воздуха и эксергии питательной виды на входе в экономайзер [7]:
То есть состоит из эксергии потока перегретого пара, уходящих продуктов сгорания, продуктов неполного сгорания смеси в топке котла (эксергия химического недожога), несгоревшего топлива (эксергия физического недожога, для газообразных веществ равна нулю), потока теплоты наружу через стенки (наружное охлаждение).
Потери эксергии
складываются из потерь на необратимое горение и потерь на теплообмен.
Эксергетический КПД:
Диаграмма Грасмана-Шаргута показывает результаты эксергетического анализа. Графику диаграммы приводим по данным [7]:
Потоки эксергии показываются в виде полос, ширина которых соответствует процентному соотношению. Разность полос показывает потери эксергии [8].
Котлом называют комплекс устройств по получению пара или горячей воды [9].
По данным [10] существует несколько распространенных схем компоновки прямоточных котлов (компоновка учитывает взаимное расположение поверхностей нагрева и газохода):
– П-образная
– двухходовая П-образная
– Т-образная
– U-образная
– с топкой с инвентором
– башенная
П-образная компоновка считается наиболее распространенной [10].
В промышленных технологиях широко применяются котлы-утилизаторы, использующие для выработки пара теплоту отходящих газов, продуктов и др. [10].
С целью утилизации теплоты отходящих газов в технологии применяют котлы двух типов [10]:
– водотрубные радиационно-конвективные для утилизации теплоты высокотемпературных газов,
– газо- и водотрубные для утилизации теплоты низкотемпературных газов.
Приведем пакетно-конвективный котел, графику цитируем по [10]:
Приведенный котел применяется на производстве сажи. Производство сажи можно отнести к процессам переработки нефтепродуктов.
Отработанные газы сжигают в топке 1. После продукты сгорания проходят испаритель 2, 4, пароперегреватель 3, воздухоподогреватель 6, экономайзер 7. Испарительные секции имеют отдельные коллекторы на входе и выходе.
Процитируем графику котла для кокса [10]:
