Состав и характеристики твёрдого топлива

.Топливо.Элементарный состав твёрдого топливаТопливом называется горючее вещество, специально сжигаемое для получения
тепла и
используемое как источник энергии. В его состав входят горючие и негорючие вещества. К горючим веществам относится углерод, водород, их соединения между собой (углеводороды) и с различными химическими элементами - кислородом, азотом и др.
К негорючим веществам (балласту) относится зола и влага.

Некоторые виды топлива содержат серу (горючую, летучую), которая в топливе нежелательна, так как придаёт продуктам сгорания коррозионные свойства.
По агрегатному состоянию топливо подразделяется на 3 вида: твёрдое, жидкое и газообразное. По происхождению топливо делится на естественное (дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, природный газ и др.) и искусственное (каменно-угольный кокс, брикеты, древесный уголь; генераторный, коксовый, доменный газы; продукты переработки нефти (мазут и др.)).
2. Элементарный состав топлива
Рабочая масса топлива состоит из 7 элементов: углерода Ср, водорода Нр, азота Np, кислорода Ор, летучей серы Sj,p, золы Ар, влаги Wp.
Ср + Нр + Or +NP + SP + Ар + WP =100%
Если удалить влагу Wp, останется сухая масса:
Ср +НР +Ор + NP + SP + АР =100%
Если удалить влагу Wp и золу Ар – получим горючую массу:
Ср +НР +Ор +NP + Sp = 100%
Горючими элементами в топливе являются: углерод Ср, водород Нр, летучая сера 8ЛР (сера рабочая летучая состоит из органической и колчеданной. Сера бывает ещё сульфатная, которая не горит):
Основной компонент (горючий) – углерод Ср, который при сгорании в углекислый газ СО2 выделяет с одного килограмма 8100 ккал (3369 МДж) тепла. При сгорании углерода в угарный газ СО выделяется только 2400 ккал (10,1 МДж) тепла из 1 кг.
Второй горючий компонент – водород Нр, при сгорании которого образуется вода (Н20) и выделяется 29.000 ккал (123 МДж) тепла из 1 кг.
При полном сгорании серы S'/ выделяется 2300 ккал теплоты (9-10 МДж).
Кислород Ор и азот Np не участвуют в горении и называются внутренним балластом топлива.
Наличие влаги Wp сильно снижает тепловую ценность топлива, затрудняет его воспламенение. Зола Ар тоже нежелательна, так как снижает содержание горючих элементов, оседая на поверхности нагрева, снижает передачу тепла.
Поэтому сумма золы и влаги называется балластом:
Ар + Wp – балласт.
3. Выход летучих горючих (V %) и содержание кокса (главным образом, твёрдое топливо).
Летучими горючими топлива называются смесь водорода, кислорода, азота, летучей серы, частично окисленного углерода (СО) и его соединений с водородом,
5
которая образуется при нагревании воздушно-сухого топлива без доступа воздуха при 200- 800 °С. ’
Чем больше выход летучих горючих, тем легче воспламеняется топливо, даёт длинное светящееся пламя.
Выход летучих горючих Vr % для антрацитов от 2 до 9 %; каменных углей 30-55 %, торфа 70 %, мазута 80 %, дрова 85 %.
Твёрдый нелетучий остаток называется коксом и состоит из углерода и золы. Топлива, дающие плотный, спёкшийся кокс, называются коксующимися (энергетическое топливо – некоксующееся. Кокс является ценнейшим топливом для металлургии).

23.Схемы движения теплоносителей в теплообменниках

Перекрестный ток с противотоком. В некоторых случаях конфигурация течения теплоносителей в реальных теплообменниках приблизительно соответствует идеализированным схемам, приведенным на рис. 4. Эти схемы классифицируются как перекрестный ток с противотоком. Теплообменники со смешанным течением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе ои по экономичности к противоточному варианту.

Рис. 4. Схема теплообменников со смешанным движением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком),показаны двух-, трех- и четырехходовые теплообменники. Возможное число ходов, естественно, не ограничено.

Многоходовое течение в межтрубном пространстве и трубах. В пределах одного теплообменника можно осуществить комбинацию некоторых характерных черт, свойственных теплообменникам с однонаправленным движением теплоносителей и противоточным теплообменникам. Это достигается поворотом труб внутри единого корпуса. Такие повороты можно осуществлять многократно. Аналогичный эффект может быть достигнут и при наличии прямых труб, если соответствующим образом организовать коллекторы: U-образные трубы, или серпантин, обеспечивают более простую конструкцию аппарата, поскольку отверстия для прохода труб в этом случае нужно выполнять не с двух, а с одной стороны кожуха. Примеры идеализированных конфигураций этого типа показаны на рис. 5. Здесь приведены схемы с объединением нескольких кожухов. Безусловно, здесь невозможно описать все возможные варианты, с которыми можно встретиться на практике.

Рис. 5. Схема движения теплоносителей в многоходовых кожухотрубных теплообменниках

Общий случай. Все описанные выше идеализированные схемы движения теплоносителей представляют собой частные варианты общего случая многоходовых течений взаимно проникающих сплошных сред. При этом различные потоки теплоносителей поступают в общий объем в нескольких фиксированных входных точках и покидают его в нескольких фиксированных выходных точках, разделяясь после входа в объеме теплообменника и вновь объединяясь в выходных точках. На рис 6 показана воображаемая схема движения двух теплоносителей. Течение жидкостей в пространстве теплообменника оказывается трехмерным, при этом могут существовать зоны рециркуляции, в которых линии тока замкнуты.

24.Теплообменники.Тепловой расчёт поверхностных теплообменников

Теплообменный аппарат— устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры. По принципу действия теплообменники подразделяются на рекуператоры и регенераторы. В рекуператорах движущиеся теплоносители разделены стенкой. К этому типу относится большинство теплообменников различных конструкций. В регенеративных теплообменниках горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочередно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдается при контакте с холодным,как,например, в кауперах доменных печей. Теплообменники применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, атомной, холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве. От условий применения зависит конструкция теплообменника. Существуют аппараты, в которых одновременно с процессами теплообмена протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители, градирни, конденсаторы смешения. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения теплопередачи Q = qF совместно с уравнением теплового баланса Q = M1Di1=M2Di2, для конкрет­ных условий работы теплообменника: данных рабочих сред, кон­структивных размеров элементов теплопередающей поверхности, заданных пределов изменения температур и схеме относительно­го движения теплоносителей). Решением является совокупность правил (алгоритм), однозначно приводящих от ис­ходных данных к результату—значению площади поверхности теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на выходе из аппарата при проверочном расчете.

25.Теплопроводность одно-и многослойной плоской стенки

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопередача через многослойную стенку.

Если с одной стороны многослойной стенки, состоящей из n слоев, поддерживается температура tв, а с другой стороны tн< tв, то возникает тепловой поток q, Вт/м² (Рис.6).
Этот тепловой поток движется от среды с температурой tв, ºС, к среде с температурой tн, ºС, проходя последовательно от внутренней среды к внутренней поверхности с температурой τв, ºС:

q= (1/ Rв). (tв - τв), (2.17)

затем от внутренней поверхности сквозь первый слой с термическим сопротивлением R Т,1 к стыку первого и второго слоев:

q= (1/ RТ,1). (τв - t1), (2.18)

после этого через все остальные слои
q= (1/ R Т, i). (ti-1 - ti), (2.19)
и, наконец, от наружной поверхности с температурой τн к наружной среде с температурой tн:

q= (1/ R н). (τн - tн), (2.20)

где R Т, i- термическое сопротивление слоя с номером i, м². ºС/Вт;
Rв, Rн - сопротивления теплообмену на внутренней и наружной поверхностях, м². ºС/Вт;
ti-1 - температура, ºС, на стыке слоев с номерами i-1 и i;
ti - температура, ºС, на стыке слоев с номерами i и i+1.

Рис.6. Распределение температуры при теплопередаче через многослойную стену.

Переписав (2.16) - (2.19) относительно разностей температуры и сложив их, получим равенство:

tв - tн = q. (Rв+RТ,1+RТ,2+…+RТ,i+….+RТ,n+Rн) (2.21)

Выражение в скобках - сумма термических сопротивлений плоскопараллельных последовательно расположенных по ходу теплового потока слоев ограждения и сопротивлений теплообмену на его поверхностях называется общим сопротивлением теплопередаче ограждения Ro, м². ºС/Вт:

Ro=Rв+ΣRТ,i+Rн, (2.22)
а сумма термических сопротивлений отдельных слоев ограждения - его термическим сопротивлением RТ, м². ºС/Вт:

RТ = RТ,1+RТ,2+…+Rв. п+…. +R Т,n, (2.23)

где R Т,1, R Т,2,…, R Т,n - термические сопротивления отдельных плоскопараллельных последовательно расположенных по ходу теплового потока слоев слоев ограждающей конструкции, м². ºС/Вт, определяемые по формуле (2.4);
Rв. п - термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м². ºС/Вт, по п.2.1.4
По физическому смыслу общее сопротивление теплопередаче ограждения Ro - это разность температуры сред по разные стороны ограждения, которая формирует проходящий через него тепловой поток плотностью 1 Вт/ м², в то время как термическое сопротивление многослойной конструкции - разность температуры наружной и внутренней поверхностей ограждения, которая формирует проходящий через него тепловой поток плотностью 1 Вт/ м²,Из (2.22) следует, что тепловой поток q, Вт/м², проходящий через ограждение, пропорционален разности температуры сред по разные стороны ограждения (tв - tн) и обратно пропорционален общему сопротивлению теплопередаче Ro

q= (1/ Rо). (tв - tн), (2.24)

Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители
Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен, поэтому будут рассматриваться такие задачи.

1). Теплопередача через плоскую стенку.

Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l (рис12.1).