ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

4 Упрощённый эксергетический  баланс котельного агрегата

 

Различные виды энергии имеют неодинаковую ценность с точки зрения возможности  их практического использования. Способность  совершения механической работы принята в качестве всеобщего показателя качества энергии различных видов. Чем больше отличаются параметры системы от параметров окружающей среды, тем выше энергетическая ценность данной системы. Практическая энергетическая ценность вещества или системы равна нулю, если их параметры соответствуют параметрам окружающей среды.

Максимальная работа, совершаемая  системой при её взаимодействии с  окружающей средой, получила название эксергии. «Эксергия материи является максимальной работой, которую эта  материя может совершить в  обратимом процессе с окружающей средой, если в конце этого процесса все участвующие в нём виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды». В произвольном процессе 1-2 к телу подводится теплота (площадь 12S₂S₁).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1 – Эксергия теплоты

Эксергия подводимой теплоты изображается заштрихованной площадью Площадь под линией равна , представляет собой часть теплоты, которую невозможно использовать для практических целей. Та часть энергии, которая не может быть превращена в механическую энергию, называется энергией , следовательно, , где

Различают эксергию теплоты, эксергию вещества в замкнутом объёме, эксергию вещества в потоке. Для расчёта удельных эксергий, используются зависимости:

– эксергия теплоты 

– эксергия вещества в замкнутом  объёме                                                                       

  

– эксергия вещества в потоке

где абсолютные температуры окружающей среды, вещества или потока соответственно;

        внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, удельный объём при

        то же при T;

        давление окружающей среды.

Приведённые зависимости не всегда позволяют просто рассчитать эксергию, поэтому используют другие упрощённые зависимости. В частности, это относится к топливам. Их химическую эксергию рассчитывают по формулам:

– для жидких топлив

– для твёрдых  топлив

– для газообразного  топлива 

где высшая теплота сгорания топлива, кДж/м³;

влажность твёрдого топлива.

Каждая анализируемая  система характеризуется материальным, тепловым и эксергетическими балансами. Всякий реальный необратимый процесс  сопровождается потерями эксергии и уравнение потоков эксергии имеет вид неравенства , т.е. сумма эксергий на входе в систему всегда больше суммы эксергий на выходе из неё. С учётом потерь эксергий вследствие необратимости процессов ( уравнение Гюи-Стодолы), происходящих в системе, получим уравнение эксергетического баланса

 

                                   

 

Установка состоит из подогревателей топлива и воздуха ВП, камеры сжигания КА и элемента ПП, где происходит использование эксергии топлива. В установку поступают потоки топлива и воздуха с эксергиями и соответственно. В результате подогрева топлива и воздуха в подогревателе ВП за счёт эксергии продуктов сгорания их эксергия возрастает от до . Процесс подогрева сопровождается потерей эксергии , вызванной необратимым теплообменом между продуктами сгорания, топливом и воздухом. Далее подогретое топливо и воздух с эксергией  поступает в камеру сгорания КА, где осуществляется процесс превращения эксергии топлива и воздуха в продукты сгорания высокой температуры. Процесс сгорания топлива в камере сгорания сопровождается потерей эксергии . Продукты сгорания с эксергией поступают в элемент ПП, которым является парогенератор (пароперегреватель). Процесс использования эксергии продуктов сгорания в ПП сопровождается эксергетическими потерями , вызванными необратимым теплообменом.  Остаточная эксергия частично используется для подогрева топлива и воздуха в топливо- и воздухоподогревателях. Эксергия выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания используется в котлах-утилизаторах. является полезно использованной эксергией перегретого пара.

 

4.1 Эксергия топлива (кДж/м³) с достаточной точностью для приближённых практических расчётов может быть принята равной теплоте сгорания топлива:

 

                                                                                                        (25)

 

                                              

 

4.2 Эксергия тепла продуктов  сгорания (кДж/м³) определяется по зависимости

,                                           (26)

 

где температура окружающего воздуха, К;

      теоретическая температура горения, К.

 

                         

 

4.3 Потери при адиабатном горении  (без учёта потерь эксергии  за счёт теплообмена топки  с окружающей средой):

 

                                               (27)

 

 

 

или в %:

                                                                            (28)

                          

 

4.4 Определяем уменьшение эксергии  продуктов сгорания (кДж/м³) за счёт теплообмена в нагревательно-испарительной части:

 

                    (29)

 

 

4.5 Приращение эксергии в процессе  превращения воды в перегретый  пар:

 

                                (30)

 

где удельная энтропия перегретого пара, определяем   [2];

      удельная энтропия питательной воды, определяем   [2].

                         

 

4.6 Потеря эксергии от теплообмена  по водопаровому тракту:

 

                                                                                (31)      

 

 

или в %:

 

   

                                    (32)

 

 

4.7 Уменьшение эксергии продуктов  сгорания за счёт теплообмена  в воздухоподогревателе:

 

          

                    (33)

 

 

4.8 Увеличение эксергии воздуха  в воздухоподогревателе:

 

                 (34)

   

 

4.9 Потеря эксергии за счёт  теплообмена в воздухоподогревателе, кДж/м³,

 

                                            (35)

 

                          

 

или в %:

 

                                       (36)

 

                            

 

4.10 Составим эксергетический баланс  котельного агрегата и определим  эксергию уходящих газов:

 

                           (37)

 

                        (38)

 

  

 

или в %:

 

                                                 (39)

 

                               

 

4.11 Эксергетический к.п.д. котельного  агрегата оценим через среднетермодинамическую температуру при теплоподводе:

 

                                                                                    (40)

 

 

4.12 Эксергетический к.п.д. котельного  агрегата:

4.12.1 С воздухоподогревателем:

 

                                        (41)

4.12.2 Без воздухоподогревателя:

                                       (42)