При производстве и распределении

Тепловой энергии

7.1. Физические принципы

производства и распределения

тепловой энергии

Тепловая энергия производится, в основном, путем сжигания ископаемого углеводородного топлива, что и будет представлено в настоящей главе. Хотя известны (и действуют) и альтернативные способы производства теплоты, например, гелионагревательные установки. гелионагревательные установки могут производить не только низкотемпературное тепло, в сочетании с различными концентраторами гелионагреватели способны производить теплоту с температурой до 2000 К /6, 7/. Отметим также, что когда говорят о производстве тепловой энергии, обычно подразумевают процессы отопления и горячего водоснабжения[16], получение высокотемпературного тепла для металлургии это понятие не охватывает. Для обобщения процессы отопления и горячего водоснабжения называют процессами теплоснабжения.

Известны следующие способы производства теплоты для теплоснабжения:

§ сжигание углеводородного топлива в котельных с целью теплоснабжения;

§ сжигание углеводородного топлива в тепловых машинах для производства механической работы и электроэнергии, и затем использование отводимой теплоты для теплоснабжения и горячего водоснабжения;

§ получение тепловой энергии в электрических нагревателях.

Произведенная тепловая энергия должна быть доставлена к потребителю теплоты. Для доставки теплоты к потребителям необходимо либо источник теплоты размещать непосредственно у потребителя (автономная система теплоснабжения), либо транспортировать ее к потребителю (централизованная система теплоснабжения). При централизованной системе теплоснабжения используются теплоносители, в качестве которых чаще всего применяется вода или пар. Воду в зависимости от температуры окружающей среды и потребностями нагревают до необходимой температуры и насосами подают по трубам к потребителю. Система трубопроводов с арматурой, насосами, компенсаторами и теплоизоляцией называется теплотрассой.

Системы производства и распределения тепловой энергии в отличие от потребителей теплоты обладают некоторой общностью, в связи с чем могут быть рассмотрены как самостоятельные объекты, имеющие сходные характеристики.

Рассмотрим процессы производства тепловой энергии путем сжигания углеводородного топлива.

Горение углеводородного топлива это химическая реакция его быстрого окисления, в результате которой выделяется тепло. Если химическая реакция горения протекает на открытом воздухе, то давление остается постоянным и процесс получения теплоты определяется следующим уравнением[17]:

Q = Δ Н (7.1)

где Q – выделенная при горении теплота, Дж.;

Δ Н – изменение энтальпии в процессе горения, Дж.

Разные виды топлива обладают и разной способностью изменять энтальпию в процессе горения. Можно записать:

Q = k_Т m (7.2)

где m – масса сгораемого топлива, кг.

Коэффициент k_Т называется удельной теплотой сгорания или теплотворной способностью топлива, и согласно (7.2) измеряется в Дж/кг[18].

Теплотворную способность топлива можно определить опытным путем, сжигая его в калориметре, или расчетным путем. Различают высшую и низшую теплотворную способность топлива, которые для углеводородного топлива можно определить по следующим формулам:

§ высшая теплотворная способность

k_T = 339C + 1256H – 109(O – S), кДж/кг (7.3)

§ низшая теплотворная способность

k_T = 339C + 1256H – 109(O – S) – 25W, кДж/кг (7.4)

где C, H, O, S – процентное содержание в топливе углерода, водорода, кислорода и летучей серы соответственно, %;

W – содержание влаги в топливе, %.

Как следует из формул (7.3), (7.4), понижение теплотворной способности топлива связано с испарением влаги. При расчете теплотворной способности топлива по формулам (7.3) и (7.4) следует учитывать, что рабочая масса топлива включает следующие компоненты:

C + H + S + O + N + A + W = 100% (7.5)

где А – содержание минеральных примесей, образующих золу, %;

N – содержание азота, %.

Теплотворную способность газообразного топлива определяют по следующей формуле:

k_T = 358CH₄ + 638C₂H₆ + 913C₃H₈ + 108H₂ + 126CO + 590C₂H₄ +

+ 234H₂S, кДж/м³ (7.6)

Очевидно, что чем больше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее. Ниже приводится теплотворная способность некоторых распространенных видов топлива.

Таблица 7.1

Теплотворная способность топлива^*

Вид топлива	Теплотворная способность, Дж/кг
	высшая	низшая
Природный газ^**
Каменный уголь (антрацит)
Нефть
Мазут
Биогаз^**
Дрова
Торф
Солярка

* - приводятся усредненные данные;

** - размерность Дж/м³.

Кроме теплотворной способности топлива его качество определяют и температурой его горения. Считается, что чем выше температура горения, тем ценнее топливо. Это утверждение основано на зависимости к.п.д. цикла Карно от температуры (см. гл. 6) и справедливо для анализа тепловых машин. Это определение качества топлива (по температуре горения) справедливо и для процессов теплоснабжения, так как теплота, выделяемая при сгорании топлива, определяется по формуле (5.4), и тем больше, чем больше превышение температуры горения над температурой окружающей среды.

Для повышения температуры горения увеличивают скорость выделения тепла и обеспечивают полное сгорание топлива. Этого достигают путем более интенсивной подачи окислителя (кислорода воздуха) и увеличения поверхности окисления, для чего твердое топливо измельчают, а жидкое топливо распыляют.

Отметим здесь, что если теплоту получают с помощью теплообменных аппаратов, то не всегда эффективно увеличивать температуру греющего теплоносителя (см. гл. 6).

Произведенную в результате горения теплоту стараются направить к теплоносителю или сразу к объекту его потребления (внутреннему пространству отапливаемого помещения). Так как воздух обладает меньшей теплопроводностью, чем вода, то казалось бы всегда более рационально нагревать воду и распределять ее по всему обогреваемому пространству.

Однако, (как уже отмечалось в главе 5), выделяемое тепло распространяется в окружающую среду, необратимо теряясь в виде анергии. Вследствие этого невозможно всю произведенную тепловую энергию направить к теплоносителю. Исходя из этого, можно выделить два граничных случая: обогрев очень малого внутреннего объема и обогрев достаточно большого объема. В первом случае, видимо будет более эффективно получаемое тепло сразу передавать окружающему пространству, в качестве которого выступает внутренний (небольшой) объем обогреваемого помещения. Во втором случае обогрев помещения непосредственно от источника тепла будет неравномерным по объему из-за больших размеров помещения и низкой теплопроводности воздуха. Таким образом, для обогрева больших помещений применяются теплоносители, которые способны распределять теплоту по всему (большому) объему обогреваемого помещения.

Применение промежуточных теплоносителей позволяет распределять теплоту не только внутри обогреваемого помещения, но и между помещениями или тепловыми аппаратами, часто называемыми потребителями тепловой энергии[19]. Передача тепловой энергии с помощью теплоносителя производится при помощи тепломассопереноса, который заключается в следующем.

Если какой либо флюид (от слова fluidus – текучий (лат.)) газ или жидкость направить вдоль нагретого тела, например, по нагретой трубе (рисунок 7.1), то теплота путем теплопроводности будет передаваться этому флюиду, который в результате будет нагреваться. Если затем перемещенный флюид соприкоснется с менее нагретым телом (имеющим более низкую температуру чем нагретый флюид), то теплота от флюида будет путем теплопроводности передаваться этому телу. Если это (нагреваемое) тело (см. рисунок 7.1) имело тепловой контакт с более нагретым телом, то теплота ему будет передаваться не только путем теплопроводности через тепловой контакт, но и путем теплопроводности между флюидом и нагреваемым телом. Дополнительным источником теплоты здесь служит более нагретый флюид, точнее более нагретая перемещенная масса флюида.

Рисунок 7.1. К пояснению транспортировки теплоты тепломассопереносом

1 – нагретое тело, 2 – теплоноситель (флюид), 3 холодное тело.

Таким образом, теплота перемещается не только посредством теплопроводности по тепловому контакту между нагретым и холодным телами, но и (в основном) посредством перемещения нагретых масс флюида к холодному телу. Это процесс называется тепломассопереносом, а флюид - теплоносителем. Такой процесс передачи тепловой энергии называется транспортировкой теплоты.

При описании процесса тепломассопереноса мы упоминали явление теплопроводности, но не затрагивали его сущности. Учитывая, что теплопроводность участвует в отборе теплоты от нагретого тела и в транспортировке тепловой энергии, рассмотрим это понятия более подробно.

Для уяснения физической сущности теплопроводности обратимся к современным представлениям о строении вещества и его энергетических характеристиках. как известно, все вещества состоят из молекул, которые связаны между собой действием межмолекулярных сил. По теории Максвелла взаимодействие между молекулами осуществляется посредством полей. При таком взаимодействии молекулы находятся в непрерывном колебательном движении, то есть, обладают кинетической энергией. Чем выше частота и амплитуда колебаний молекул, то есть, чем выше их кинетическая энергия, тем выше и температура тела, состоящего из этих молекул. Зависимость между температурой и средней кинетической энергией молекул установлена Максвеллом и Больцманом, и имеет вид:

(7.7)

где Е_СР – средняя кинетическая энергия молекул вещества, Дж.;

k – постоянная Больцмана. k = 1, 38 • 10^–23, Дж/К.

Таким образом, более нагретое тело имеет и большую среднюю кинетическую энергию молекул, то есть, его молекулы имеют бό льшую амплитуду и частоту колебаний. Если два тела сблизить настолько, что их пограничные молекулы будут взаимодействовать своими полями, то более нагретая молекула будет раскачивать менее нагретую, увеличивая ее кинетическую энергию и температуру. При этом кинетическая энергия (а, следовательно, и температура) греющей молекулы будет, по закону сохранения энергии, уменьшаться. Очевидно, молекула с меньшими колебаниями не сможет раскачать молекулу с большими колебаниями, что совпадает со вторым законом термодинамики.

Взаимное влияние молекул греющего и нагреваемого тела приведет, в конце концов, к выравниванию колебаний молекул (точнее, к выравниванию средних кинетических энергий молекул этих тел), то есть, наступит тепловое равновесие. До наступления теплового равновесия температура, измеренная на разных расстояниях от теплового контакта, будет неодинакова. Отношение разности температур к расстоянию называется температурным градиентом. Очевидно, скорость передачи теплоты будет пропорциональна площади теплового контакта и градиенту температур. То есть, можно записать:

(7.8)

Или в дифференциальной форме:

(7.9)

где t – время, сек.

х – линейная координата, м;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м•К;

S – площадь теплового контакта, м².

Таким образом, коэффициент теплопроводности показывает, какая мощность теплового потока будет передана на единицу длины при разности температур в 1К. Значения коэффициента теплопроводности для различных материалов определены и приводятся в справочных таблицах (приложение 3).

Рассматривая процесс теплопередачи с помощью теплоносителя необходимо рассмотреть и передачу тепла в среду, окружающую теплопровод. Теплота, переданная в окружающую среду, не доходит до потребителя тепловой энергии и является потерями. В этой связи она представляет весьма значительный интерес для энергосбережения.

Теплота в окружающую среду передается посредством излучения или радиации (от слова radiare – испускать лучи (лат.)). Тепловое излучение обусловлено испусканием нагретым телом квантов энергии. Испускаемые кванты энергии, достигая поверхности какого-либо тела, увеличивают кинетическую энергию его молекул, то есть, увеличивают его температуру. В свете этого, тепловое излучение можно представить как поток тепла от нагретого тела в окружающее пространство. Установлено, что поток теплового излучения пропорционален его температуре в четвертой степени:

q_ТИ = к_Ч σ S Т⁴ (7.10)

где к_Ч – коэффициент черноты, о.е.

σ – постоянная Стефана – Больцмана. σ = 5, 67 • 10^–8 Вт/(м² К⁴)$

S – площадь теплового излучения, м².

Коэффициент черноты показывает, какую долю составляет поток теплового излучения данного тела по сравнению с излучением абсолютно черного тела. Таким образом, тела имеют тем больший поток теплового излучения в пространство, чем выше их чернота, то есть, чем ближе они к абсолютно черному телу. Следовательно, для уменьшения потока теплового излучения в пространство необходимо снижать температуру поверхности теплотрассы и уменьшать ее черноту. С этой целью теплопроводы покрываются слоем теплоизолятора (материала с малым коэффициентом теплопроводности), что приводит к уменьшению температуры излучаемой поверхности теплотрассы, и делают поверхность зеркальной, что приводит к уменьшению коэффициента черноты. Следует отметить, что особенно эффективно снижение температуры на поверхности теплотрассы, так как тепловой поток зависит от температуры в четвертой степени.

7.2. Энергосбережение

в промышленных котельных

Промышленная котельная – это техническая система, предназначенная для получения пара или горячей воды за счет сжигания топлива. Основу котельной составляет котельный агрегат. Кроме котельного агрегата котельная включает вспомогательное оборудование, служащее для подготовки и подачи топлива, воды, воздуха, а так же для очистки дымовых газов и удаления (или утилизации) продуктов сгорания.

Котельные могут работать на твердом топливе (уголь), жидком (мазут) или газообразном (природный газ). Имеются универсальные котельные, могущие работать на различных видах топлива. На рисунке 7.2 показана функциональная схема промышленной котельной, работающей на твердом топливе /10/.

Котельная работает следующим образом.

Твердое топливо (уголь) из загрузочного бункера 1 подается на углеразмольную мельницу 2, в которой измельчается до пылеобразного состояния. В результате измельчения увеличивается поверхность окисления. Угольная пыль вентилятором 3 подается в горелку 4, пламя из которой направлено в топку 5. В топке образуются высокотемпературные дымовые газы с температурой Т ≥ 1700К. В верхней части топки они имеют меньшую температуру (Т = 1200К). Дымовые газы с такой температурой поступают в газоотвод 6, в котором последовательно проходят через пароперегреватель 16, экономайзер 14 и воздухоподогреватель 12. Проходя через эти аппараты, дымовые газы отдают им свою теплоту, в результате чего их температура понижается до 300 – 310К. Охлажденные дымовые газы проходят через устройство газоочистки 7, дымососом 8 направляются в дымовую трубу 9 и удаляются в атмосферу. В устройстве газоочистки из охлажденных дымовых газов выделяются твердые примеси, которые вместе с золой и шлаком топки 5 подаются в шлако-золоудалитель и выводятся из котельной.

Рисунок 7.2. Функциональная блок-схема котельной

на твердом топливе

1 – загрузочный бункер, 2 – углеразмольная мельница, 3 – вентилятор, 4 - горелка, 5 – топка, 6 – газоотвод, 7 – устройство газоочистки, 8 – дымосос, 9 – дымовая труба, 10 – шлако- золоудалитель, 11 – вентилятор воздуха, 12 – воздухоподогреватель, 13 – питательный насос воды, 14 – экономайзер, 15 – водяной баран, 16 – пароперегреватель.

Для повышения температуры горения в горелку 4 воздушным вентилятором 11 подается кислород воздуха. Подводимый воздух проходит через воздухоподогреватель 12 и не снижает температуру горения.

В котельной рабочим телом является вода, которая (после соответствующей водоподготовки) подается питательным насосом 13 в водяной барабан 15 через экономайзер 14. В экономайзере 14 подводимая вода предварительно нагревается, что позволяет уменьшить потребности в теплоте, поступающей из топки 5. Водяной барабан связан с топкой системой труб и экранов, которые обеспечивают прохождение воды через пространство топки и превращают ее в пар. В водяном барабане пар, имеющий высокое давление, освобождается от капелек воды, затем проходит через пароперегреватель 16, в котором его качество еще более повышается, и поступает к потребителю или в теплообменное устройство для получения горячей воды. Освобождение пара от капелек воды замедляет процесс конденсации при его транспортировке.

Котельные на жидком или газообразном топливе отличаются его подачей и системой зажигания. При жидком топливе используется форсунка, которая его распыляет, а при газообразном топливе применяются газовые горелки, обеспечивающие его равномерную подачу в зону горения.

Для определения мест экономии теплоты, рассмотрим тепловой баланс котельной.

Приходящая часть теплоты определяется следующим образом:

Q_ВХ = Q_ТОП + Q_ФТ + Q_B (7.11)

где Q_ТОП – низшая теплота сгорания топлива, Дж.;

Q_ФТ – физическая теплота топлива, как тела, Дж.;

Q_B – теплота, вносимая с воздухом, Дж.

Обычно Q_ТОП гораздо больше Q_ФТ и Q_B, что дает возможность считать Q_ВХ = Q_ТОП.

Расходная часть теплового баланса включает следующие величины:

Q_ВЫХ= Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ (7.12)

где Q₁ – полезная теплота, то есть, теплота, используемая в котле, пароперегревателе и водяном экономайзере, Дж.;

Q₂ – потери теплоты с уходящими дымовыми газами, Дж.;

Q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, Дж.;

Q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, Дж.;

Q₅ – потери теплоты в окружающее пространство, Дж.;

Q₆ – потери теплоты с выводимой золой и шлаками, Дж.

С учетом принятых допущений тепловой баланс котельной можно представить в следующем виде:

Q_ТОП = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ (7.13)

Разделив (7.13) на Q_ТОП и умножив на 100% получим:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ (7.14)

Здесь q_j – процентное отношение соответствующей составляющей расходной части теплового баланса к теплоте сгорания топлива.

Коэффициент полезного действия котла равен отношению полезно расходуемой теплоты к теплоте сгорания топлива.

(7.15)

Как следует из теплового баланса и схемы промышленной котельной, энергосбережение обеспечивается следующими путями:

§ повышение температуры горения топлива;

§ уменьшение потерь тепла от топки в окружающую среду;

§ повышения эффективности работы пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя;

§ вторичного использования низкотемпературного тепла отводимых в атмосферу дымовых газов и шлаков.

Повышение температуры горения топлива достигается путем увеличения поверхности окисления (более тонкий размол, распыление и т.п.), заменой низкокалорийного топлива на топливо с более высокой теплотворной способностью, увеличением подачи кислорода в зону горения.

Теплопотери от топки в окружающую среду обусловлены теплопроводностью через стенки топки и последующей радиацией тепла с поверхности стенок. В соответствии с этим стремятся снизить поток тепла через стенки, уменьшить поверхность теплоотдачи и уменьшить коэффициент черноты наружных стенок. Для снижения потока тепла через стенки применяют теплоизоляционные материалы. Учитывая высокую температуру в топке, теплоизоляция выполняется многослойной, например, как на рисунке 7.3.

Кирпичная кладка изнутри обычно обмуровывается огнеупорной глиной, а снаружи (со стороны воздушной прослойки) укладывается асбест. Слой 2 удерживается металлическими листами, которые с внешних сторон имеют покрытие, близкое к зеркальному.

Для снижения поверхности теплоотдачи радиацией стремятся форму топки приближать к сфере, так как сфера из всех геометрических тел имеет наименьшее отношение поверхности к замыкаемому объему. Поверхность топки обычно покрывается металлическими листами с малым коэффициентом черноты (в пределе – поверхность зеркальная).

Рисунок 7.3. Разрез топки

1 – металлическое покрытие с малым коэффициентом черноты, 2 - теплоизолятор с малым коэффициентом теплопроводности, 3 – воздушная прослойка, 4 – кирпичная кладка из шамотного кирпича, 5 – топка.

Следует учитывать, что радиационное тепло от топки поступает в помещение котельной, а затем через ограждения этого помещения уходит в окружающую среду. Для снижения этих теплопотерь пол котельной выполняется из прочных теплоизоляционных материалов (керамзит, шлакобетон, пенобетон и т.п.). Стены и крыша котельной также должны иметь достаточную теплоизоляцию. Кроме того, потолок должен иметь белый цвет, а стены покрыты кафелем.

Эффективность использования пароперегревателя, водяного экономайзера и воздухоподогревателя определяется местом их установки. Обычно они располагаются по ходу дымовых газов в той последовательности, в которой указаны. Следует также помнить, что все эти аппараты являются теплообменными устройствами, поэтому для оценки их эффективности следует применять эксергетический анализ (см. гл. 6).

Вторичное использование тепла дымовых газов и шлаков является наиболее трудной задачей. Трудности обусловлены тем, что котельная является нагревательной установкой, тепловые потери стремятся свести к минимуму уже при ее проектировании. Тем не менее, в рамках энергосбережения можно рассматривать такие мероприятия, как использование горячих шлаков для подогрева теплиц в весеннее время для ускорения получения тепличной продукции. Кроме того, отводимое тепло дымовых газов может использоваться для подогрева биомассы в установках по производству биотоплива. Принцип получения биотоплива будет рассмотрен позже.

7.3. Рациональное энергоиспользование

в системах производства и распределения энергоносителей

Теплота передается от котельной энергоносителями, в качестве которых используется пар или вода. Существует несколько конкурирующих вариантов производства и распределения энергоносителей – централизованное от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) или районной котельной (РК), или автономное от автономных источников тепла. Здесь, в соответствии с названием главы, мы рассмотрим два варианта теплоснабжения – централизованное от районной котельной или автономное.

Рассматриваемые варианты являются классически альтернативными, так как имеют совершенно противоположные достоинства и недостатки.

Достоинством централизованного варианта от районной котельной является возможность обеспечения более высокого коэффициента использования топлива, так как температура его сгорания на более крупных котельных выше, чем при сжигании в автономных теплофикационных установках. Однако при централизованном теплоснабжении требуется транспортировка теплоты к рассредоточенным потребителям, а значит неизбежны транспортные потери или дополнительные затраты на теплоизоляцию теплотрассы.

Автономные теплофикационные установки имеют более низкую температуру сгорания топлива, чем крупные районные котельные, но совершенно не имеют транспортных теплопотерь, так как при автономном теплоснабжении нет нужды в транспортировке теплоты.

Таким образом, для выбора варианта теплоснабжения необходимо сравнить расход топлива, который определяется исходя из следующих соображений.

При использовании районной котельной необходимое количество теплоты равно:

Q_{ТР ЦТ} = ∑ Q₁_j + Q_{ПОТ ЦК} + Q_{ПОТ ТТ} (7.16)

где Q_{ТР ЦТ} – требуемое количество теплоты при централизованном теплоснабжении, Дж.;

∑ Q₁_j – сумма полезно потребляемой теплоты j-тыми потребителями, Дж.;

Q_{ПОТ ЦК}– потери теплоты в центральной котельной, Дж.;

Q_{ПОТ ТТ} – потери теплоты в теплотрассе, Дж.

Потери теплоты в централизованной котельной можно выразить через ее к.п.д. (см. (7.15)). Тогда можно записать:

(7.17)

Здесь η _ЦК – к.п.д. централизованной котельной.

В случае использования автономных теплофикационных установок потери теплоты в теплотрассе отсутствуют. Следовательно:

(7.18)

где Q_ТРАТ – требуемое количество теплоты при автономном теплоснабжении, Дж.;

η _АУ – к.п.д. автономной теплофикационной установки.

В общем случае в рассматриваемых вариантах может применяться разное топливо с разной теплотворной способностью. Тогда потребность в топливе определиться по формулам:

§ при централизованном теплоснабжении

(7.19)

§ при автономном теплоснабжении

(7.20)

Здесь к_ЦТ, к_АТ – теплотворная способность топлива, используемого при централизованном и автономном теплоснабжении соответственно, Дж/кг (Дж/м³).

Наиболее рациональный вариант определяется сравнением (7.19) и (7.20).

Обратим внимание, что к.п.д. крупных районных котельных зависит от их загрузки. Установлено /4, 8, 10/, что максимальное значение к.п.д. наблюдается при загрузке приблизительно 80% от максимально возможной. Практически тепловая нагрузка (то есть, потребность в теплоте) изменяется в течение года и суток в зависимости от технологии производства и температуры окружающей среды. В этом случае центральные районные котельные имеют два и более котла, мощность которых выбирается следующим образом.

В случае, когда нагрузка имеет только пики (или только провалы) по отношению к средней, принимают два котла, один из которых работает при средней нагрузке (или при провалах), а второй подключается при увеличении тепловой нагрузки до пиковых (или средних) значений. Отметим, что пики или провалы нагрузки могут быть обусловлены не изменением температуры окружающей среды, а производственными технологиями. В этом случае резервный котел должен находиться в горячем резерве, что увеличивает расход топлива.

Если тепловая нагрузка имеет явно переменный характер (это часто бывает связано с производственными условиями), график которой имеет по отношению к среднему значению пики и провалы, то в котельной устанавливается три котла. Рекомендуемый режим работы котлов показан на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4. Время работы котлов при переменной в течение времени t

тепловой нагрузке (пример). Интегральное время работы котлов обозначено штриховкой.

В заключение отметим, что если по производственным условиям центральная котельная работает круглогодично с подачей тепла на производственные нужды, то необходимо иметь еще один резервный котел, который будет работать во время плановых и аварийных ремонтов основных котлов. Если центральная котельная имеет бытовую нагрузку, то плановый ремонт обычно проводится в летнее время, и резервный котел не нужен.

Глава 8. Энергосберегающие

Технологии

8.1. Особенности энергосбережения в высокотемпературных

теплотехнологиях

Высокотемпературное тепло применяется при плавке и обработке металлов. Для определения возможных путей сбережения энергии рассмотрим кратко соответствующие технологии.

Наибольший расход высокотемпературной теплоты имеет место при выплавке металлов. Для получения металлов можно плавить руду или металлолом. Доказано, что при получении, например, стали из металлолома расход теплоты на плавку можно сократить на 30 – 40%. Однако это не всегда возможно. Так сталь обычно выплавляется в конверторных печах с кислородным дутьем /8/. Такие печи могут быть загружены металлической рудой на 100%, а металлоломом только на 30%. Естественно, при такой недогрузке получить теоретически возможную экономию топлива нельзя. Наряду с этим, электродуговые печи могут работать при загрузке металлоломом на 100%. В связи с этим, видимо, эффективно использовать электродуговые печи для получения стали из металлолома, а конверторные – для получения стали из железной руды.

Здесь же следует отметить некоторые недостатки получения стали из металлолома, которые снижают эффективность его использования.

Во-первых, сталь, получаемая из металлолома обычно более низкого качества.

Во-вторых, при получении стали из металлолома его необходимо тщательно сортировать. Сортировка, обычно проводится на основе различия магнитных характеристик металла с использованием электромагнитных полей. Естественно это потребует дополнительных затрат энергии.

Аналогичная ситуация имеет место и при выплавке других металлов.

Таким образом, направлением энергосбережения при выплавке металлов является расширение применения электродуговых печей, и расширение использования в качестве исходных материалов металлолома. Но при этом необходимо учитывать требования к качеству выпускаемых металлов и дополнительные затраты на сортировку металлолома.

К высокотемпературным технологиям относится также нагрев и закалка металлических изделий. Эти технологические процессы гораздо больше распространены в сельском хозяйстве и на них следует обратить более пристальное внимание.

Нагрев основан на подведении тепла к нагреваемому изделию с целью, его последующей деформации или закалки. Если нагрев проводится с целью последующей деформации, то он может протекать медленно. Закалка металлических изделий основана на быстром их нагреве и последующем быстром охлаждении. Причем и нагрев, и охлаждение должны быть равномерными. В этой связи особенно удобно применять электронагрев, в основе которого лежит закон Джоуля – Ленца. В соответствии с этим законом, при прохождении по металлу тока в нем выделяется теплота, определяемая по формуле:

Q = I²Rτ (8.1)

где Q – выделяемая теплота, Дж.;

I – протекающий ток, А;

R – активное сопротивление участка, по которому протекает ток, Ом;

τ – время протекания тока, сек.

Активное сопротивление связано с материалом и размерами нагреваемого участка следующей зависимостью:

(8.2)

где ρ – удельное сопротивление металла, Ом.м;

l – длина нагреваемого участка, м;

S – поперечное сечение нагреваемого участка, м².

Расчет усложняется тем, что все величины, определяющие сопротивление металла, изменяются при изменении температуры. Однако если принять, что увеличение длины пропорционально увеличению сечения, то сопротивление нагреваемого металла будет зависеть только от его удельного сопротивления. Установлено, что удельное сопротивление металлов зависит от температуры следующим образом:

ρ _t = ρ ₂₀[1 + α (t + 20)] (8.3)

где ρ _t – удельное сопротивление металла при температуре t, Ом.м;

ρ ₂₀– удельное сопротивление металла при температуре 20^оС, Ом.м;

α – температурный коэффициент изменения сопротивления, ^оС^{– 1};

t – температура нагрева, ^оС.

В таблице 8.1 приведены необходимые для расчета данные для некоторых металлов.

При нагреве переменным током зависимость сопротивления от температуры сохраняется, то есть, остаются справедливыми (8.2) и (8.3). Но ток распределяется по сечению неравномерно. Например, если металлическая деталь будет иметь форму цилиндра, то плотность переменного тока повышается по направлению от центра сечения к поверхности. При неравномерной плотности тока по сечению нельзя принимать, что при нагреве отношение длины детали к ее сечению остается постоянным. Это связано с различием молекулярного взаимодействия между участками с разной температурой и с одинаковой температурой. Если температура по сечению цилиндра распределена неравномерно, причем перепад температур между поверхностью и центральной частью велик, то температурное удлинение затруднено. Это обусловлено тем, что при удлинении должны смещаться слои горячих и холодных участков, чему препятствуют межмолекулярные силы. Температурное увеличение сечения происходит без видимого сопротивления со стороны межмолекулярных сил, так как при этом увеличиваются расстояния между одинаково нагретыми молекулами.

Таблица 8.1

Характеристики сопротивления постоянному току некоторых металлов

Металл	Удельное сопротивление, Ом.м	Температурный коэффициент, ^оС
Сталь: § 1% углерода § 0, 5% углерода § 0, 4% углерода Алюминий Железо Медь: § чистая § мягкая § твердая	0, 1510^–6 0, 12510^–6 0, 1010^–6 0, 03110^–6 0, 1410^–6 0, 016210^–6 0, 017210^–6 0, 017510^–6	6, 2510^–3 6, 2010^–3 6, 1810^–3 3, 710^–3 4, 810^–3 4, 010^–3 4, 010^–3 4, 010^–3

Таким образом, сопротивление металла при нагреве зависит от его размеров. Этот эффект проявляется даже при промышленной частоте тока 50 Гц. На рисунке 8.1 приведены зависимости тока частотой 50 Гц от времени его протекания для металлических прутков различного диаметра, но одинаковой длины. Принято, что напряжение во всех случаях равно и поддерживается на номинальном уровне, а нагрев проводиться до одной и той же температуры.

Рисунок 8.1. Зависимость тока частотой 50 Гц от времени протекания

по металлическому пруту

1 – диаметр 25 мм, 2 – диаметр 45 мм, 3 – диаметр 60 мм.

Как видно из приведенного рисунка, при увеличении сечения нагреваемой детали температурное увеличение длины замедляется и отстает от температурного увеличения сечения. Так при диаметре 60 мм увеличение длины затормаживается холодной центральной частью, а сечение продолжает увеличиваться за счет нагретых периферийных слоев. Это приводит к уменьшению сопротивления переменному току и к увеличению тока почти до исходного (холодного) состояния. Восстановление значения тока приводит к восстановлению мощности, идущей на нагрев.

Этот эффект проявляется еще больше при увеличении частоты тока.

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒