Основой всех процессов, протекающих в природе и в различных технических устройствах, являются превращения одних видов энергии в другие. В связи с этим все материальные изменения, представляющие сущность любого технологического процесса, должны рассматриваться как вторичные, т.е. как следствие энергетических преобразований.

Тем не менее, именно материальные изменения в изучаемой системе считаются главными, а энергетические - второстепенными. Опираясь на закон сохранения материи (материальный баланс), технолог стремится построить оптимальную цепочку преобразований (технологическую схему) исходного сырья в требуемый (желаемый) конечный продукт.

Однако при этом нужно учитывать термодинамические возможности исследуемого процесса. В частности, принимать во внимание способность различных технологических процессов селективно, т.е. избирательно, воспринимать подведенную к ним энергию. Энергия требуемого качества ими потребляется, а другие (не соответствующие характеру процесса) виды энергии отвергаются и остаются неиспользованными. Пренебрежение законами преобразования энергии, неучет взаимосвязи материальных и энергетических изменений могут привести к выбору неоптимальной с народнохозяйственной точки зрения схемы производства.

Следовательно, помимо процессов преобразования материалов необходимо анализировать, изучать вызвавшие их процессы и законы преобразования энергии. Разработка методов для проведения таких исследований, как ранее уже отмечалось, является задачей термодинамики.

Вся техника, т.е. совокупность технических объектов, созданных человеком, работает на основе использования энергии. Поэтому естественно, что среди различных подходов к ее изучению, проектированию, эксплуатации и совершенствованию важнейшее место занимает энергетический. Для этого (как и при других подходах - конструкторском, технологическом, производственном, экономическом и др.) необходимо, прежде всего, создание соответствующей теоретической модели рассматриваемого реального или проектируемого технического объекта. Такая модель - техническая система - должна отражать множество входящих в технический объект элементов и связей, как между ними, так и с внешними объектами. В предельном случае, когда степень идеализации минимальна, сам реальный технический объект может рассматриваться как система.

Термодинамический анализ на базе эксергетического метода представляет собой метод энергетического подхода к изучению и разработке технических систем. Однако рассматривать все технические системы как объекты термодинамического анализа нецелесообразно, его нужно использовать для исследования только таких технических систем, где он может дать информацию, существенно полезную для инженерной практики. Каковы специфические особенности таких систем? Прежде всего, в анализируемой системе должны занимать существенное место энергетические превращения, для изучения которых необходимо второе начало термодинамики (первое начало играет определяющую роль всегда, поэтому здесь не упоминается). Другими словами, в энергетических превращениях достаточно важную роль должны играть такие, которые характеризуются энтропией, отличной от нуля. Поэтому, например, технические системы типа механических, электромеханических и электрических, как правило (если ни не сопровождаются существенными диссипативными эффектами), не изучаются методами термодинамического анализа.

Вторая важная особенность технических систем, определяющая целесообразность использования их термодинамического анализа, состоит в том, что действие этих систем происходит в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, параметры которой (температура, давление и состав) не зависят от действия си-темы. Вместе с тем эти параметры оказывают определяющее влияние на характеристики системы, и абстрагироваться от них при анализе, как правило, невозможно; рассматривается, по существу, большая система, включающая и рассматриваемую систему, и окружающую среду. Такой подход в наибольшей степени соответствует большинству задач инженерной практики.

Указанные особенности характерны для двух видов технических систем - энергетических и технологических, предназначенных соответственно для преобразования энергии (например, электростанции теплосиловые, теплонасосные, холодильные, криогенные установки) и вещества (например, химические, металлургические, пищевые). Первые обычно называют энергетическими, вторые - технологическими. Такое разделение в значительной степени условно, поскольку процессы преобразования вещества и энергии неразрывно связаны. В принципе, почти любая система преобразования вещества - это система преобразования энергии, и наоборот. Современная тепловая электростанция может рассматриваться с термодинамических позиций как система преобразования топлива и кислорода воздуха в твердые продукты сгорания и углекислый газ; точно так же металлургический завод можно представить как систему, генерирующую теплоту. В так называемых энерготехнологических процессах вообще невозможно разделить преобразования вещества и энергии. Энергетические и технологические системы состоят, по существу, из одинаковых элементов и блоков, в которых протекают аналогичные процессы. Это, например, теплообменники, топочные устройства или реакторы, компрессоры и насосы, массообменные аппараты, трубопроводы и т.п., в которых протекают такие процессы, как перенос вещества, энергии и количества движения. Поэтому независимо от конкретного объекта возможен и целесообразен общий подход к их анализу, при котором в полной мере учитывается единство процессов преобразования вещества и энергии. Элементы такой методики применяются уже достаточно давно, однако возможности ее использования в полной мере открылись лишь в последнее время.

Независимо от вида технической системы термодинамический анализ проводится на основе уже заранее известных термодинамических параметров системы (получаемых либо в эксперименте, либо расчетным путем при проектировании). Минимальное число этих параметров должно быть таким, чтобы для изучаемой системы и любой ее анализируемой части можно было составить материальный и энергетический балансы. С более общей точки зрения необходимо располагать данными для балансов, отражающих закон сохранения материи и закон сохранения энергии (в форме первого начала термодинамики) и, наконец, второе начало термодинамики (как сумму двух законов - постоянства энтропии в обратимых процессах и ее возрастания в необратимых). Последний вид баланса - эксергетический - завершает систему уравнений и основан на первых двух балансах.

Метод термодинамического анализа сводится, в конечном счете, к операциям, производимым в два этапа. На первом этапе путем логической абстракции в зависимости от целей исследования выделяют для анализа любую часть, заключающую элемент или группу элементов рассматриваемой системы, и составляют соответствующие эксергетические балансы.

Целью этой работы является расчет водогрейной котельной. Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для снабжения подогретой водой систем отопления вентиляции, бытовых и технологических потребителей.

котельная теплоснабжение энергобаланс тепловой

1. Технологическая схема водогрейной котельной с закрытой системой теплоснабжения и ее описание

Расчет потока сетевой воды идущей к потребителю и возвращающейся после отработки в тепловые сети водогрейной котельной.

Дано:

Расчет греющей воды на деаэрацию:

Исходная вода, поступающая на обработку, и возвращаемый потребителям конденсат могут содержать растворенные в них газы. Для удаления газов из питательной воды применяют термическая и иногда химическая деаэрация.

При водогрейных котлоагрегатах и отсутствии источника пара для деаэрации питательной воды применяют термические вакуумные деаэраторы, работающие при давлении ниже атмосферного. В них подается вода с температурой, большей, чем температура насыщения в вакуумном деаэраторе. При входе воды в деаэратор она закипает. Работающие по такому способу вакуумные деаэраторы называются устройствами для "перегретой" воды.

Подпиточный насос компенсирует утечки из тепловой сети. Процент утечки задается в пределах 1-2% часового расхода сетевой воды. При непосредственном отборе воды из системы для горячего водоснабжения величину утечки определяют расчетом. Подпитку осуществляют водой, прошедшей водоподготовку.

Параметры потока перед подпиточным насосом:

Параметры насоса:

Мощность подпиточного насоса:

Следовательно, параметры потока после подпиточного насоса:

Параметры потока после смешивания точек 12в и 19 (т. 20):

Параметры потока после смешения потоков обозначенных точками (т. 20, т.11в, т.1в, т.2в) т.3в:

- суммарный поток перед сетевым насосом

Температура сетевой воды в обратном трубопроводе перед сетевым насосом, определяется в результате смешения потоков обратной сетевой воды от потребителя, потока подпитки и потока воды от водоводяных подогревателей:

Расчет параметров потока после сетевого насоса т.4в:

Давление перед насосом (позиция №2 на схеме):

, за насосом

Объем (часовой) воды после смешения перед сетевым насосом:

Где -время 1час

-плотность воды

Рабата насоса совершаемая над потоком:

Мощность насоса:

Разность температур перед и за сетевым насосом определяется:

2.4 Расчет других необходимых параметров

Сумарный отпуск тепла водогрейными котлами с учётом потерь тепла через ограждающую конструкцию КУ:

Кол-во работающих водогрейных котлов:

Тепловая нагрузка на каждый котёл:

Количество воды, пропускаемое через каждый работающий котел:

Сумарное количество воды пропускаемое через водогрейные котлы:

Количество воды на рециркуляцию, определяется температурой воды на входе в котёл , до которой необходимо нагреть обратную сетевую воду с восполненными потерями и температурой находим из баланса теплоты:

Количество воды на регулируемый перепуск:

Энергия воды идущей на регулируемый перепуск:

3. Тепловой баланс котла

При использовании теплоты газов, покидающие технологические аппараты, котельный агрегат называют котлом-утилизатором. Данный для расчетов водогрейный котел предназначен для выработки теплоты, используемой для отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных сооружений и зданий. Производительность установок определяется как сумма максимальных часовых расходов теплоты на указанные цели при расчетной температуре наружного воздуха с учетом потерь и расхода теплоты на собственные нужды.

Находим состав действительных дымовых газов по заданному содержанию кислорода:

Объемный состав дымовых газов после смешения с присосом воздуха рассчитывается по формуле:

где и объемные доли вещества в дымовых газах и присосе воздуха соответственно; иобъем дымовых газов и присоса воздуха соответственно.

Для азота:

; : ;

Для углекислого газа:

; ; ;

Для H₂O:

; ; ;

Для кислорода:

; ; ;

Для аргона:

; ; ;

Так как температуры на выходе и входе двух котлов и расходы через них равны, то рассмотрим их как один утилизационный котёл с общим расходом дымовых газов:

;

Общий расход сетевой воды:

;

Принимаем, что на вход дымовые газы поступают с температурой 440єС, на выходе из КУ дымовые газы охлаждаются до 100 ^oC. Также принимаем, что нагреваемая среда - чистая вода. Входная температура воды 70^oC, выходная 150^oC. Суммарный отпуск тепла водогрейными котлами:

;

Действительный оббьем дымовых газов равен:

Присос воздуха от расхода окислителя равен 2,5%=, что равно

Теплоёмкость дымовых газов рассчитываем по формуле:

Средние объёмные изобарные теплоёмкости компонент дымовых газов для температуры 440єС:

Так как известна концентрация паров H₂O во влажном воздухе, то, воспользовавшись функциями для нахождения изобарной теплоёмкости воды и теплоёмкости сухого воздуха из Microsoft Excel, найдём теплоёмкость влажного воздуха при температуре 20єС. Эта теплоёмкость будет состоять из суммы теплоёмкостей жидкой и сухой компонент, умноженных на их концентрации:

Энтальпия дымовых газов на входе в котел:

Энтальпия присосов воздуха на входе в котел:

Рассчитаем смешение дымовых газов на входе в котел с присосом воздуха:

Объем дымовых газов на входе в котел:

Найдем энтальпию смеси дымовых газов и присоса воздуха на входе в котел:

получаем:

Объем дымовых газов на входе равен объему газов на выходе:

Теплоемкость дымовых газов с присосом воздуха на выходе из котла:

Средние объёмные изобарные теплоёмкости компонент дымовых газов для температуры 100єС:

Энтальпия дымовых газов на выходе из котла:

Найдем расход дымовых газов с учетом потерь:

,

С учётом того, что потери через ограждающие конструкции КУ были учтены при расчёте расхода сетевой воды через КУ и расчёте расхода дымовых газов, потребляемых для нагрева воды, баланс энергии для КУ принимает следующий вид:

В результате расчёта параметров системы определились входящие и выходящие в котельную основные потоки энергии. Также были определены потери полезной тепловой энергии в окружающую среду. На основании полученных данных возможно составление полного энергетического баланса системы, который будет состоять из входящих, выходящих потоков сетевой воды и потерь в ОС.

Приходная часть:

- энергия потока обратной сетевой воды возвращающейся от потребителя в т.1в;

- энергия потока обратной сетевой воды возвращающейся от потребителя в т.2в;

- энергия потока сырой воды необходимой для восполнения потерь воды в сетях;

- энергия потока смеси дымовых газов и присоса воздуха входящих в котел;

Расходная часть:

- отпуск тепла к тепловому потребителю т.8в;

- отпуск тепла к тепловому потребителю т.7в;

- энергия потока смеси дымовых газов и присоса воздуха на выходе из котла;

-поток энергии уходящей паровоздушной системы;

- потери энергии через ограждающие конструкции водогрейного котла - утилизатора;

- энергия потока греющей воды поступающей в деаэратор;

-потери энергии через деаэратор;

-поток энергии греющей воды поступающий в подогреватель умягченной воды;

- потери энергии через подогреватель умягченной воды;

^- энергия потока воды на собственный нужды после ХВО;

-потери энергии через ХВО;

- энергия потока греющей воды поступающей в подогреватель сырой воды;

- потери энергии через подогреватель сырой воды;

- потери энергии через бак деаэрированой воды;

Энергетический баланс всей системы выполняется только в тех случаях когда энергия приходной части будет равна энергии расхода, это выполняется в следующем уравнении:

=9,6+11,2+3,15+0,0015+0,5+0,056+0,0009+0,1+0,001+0,005+0,00054+0,1+0,0007+0,0009=24,716 МВт

24,613=24,716

Дисбаланс=0,4%

Дисбаланс возможен из-за принятых мною округлениях в расчетах энергетических балансов.

Для облегчения построения диаграммы Сэнки, переведем размерность всех потоков энергии из МВт в кДж/час:

Приходная часть:

- энергия потока обратной сетевой воды возвращающейся от потребителя в т.1в;

- энергия потока обратной сетевой воды возвращающейся от потребителя в т.2в;

- энергия потока сырой воды необходимой для восполнения потерь воды в сетях;

- энергия потока смеси дымовых газов и присоса воздуха входящих в котел;

Расходная часть:

- отпуск тепла к тепловому потребителю т.8в;

- отпуск тепла к тепловому потребителю т.7в;

- энергия потока смеси дымовых газов и присоса воздуха на выходе из котла;

-поток энергии уходящей паровоздушной системы;

- потери энергии через ограждающие конструкции водогрейного котла - утилизатора;

- энергия потока греющей воды поступающей в деаэратор;

-потери энергии через деаэратор;

-поток энергии греющей воды поступающий в подогреватель умягченной воды;

- потери энергии через подогреватель умягченной воды;

энергия потока воды на собственный нужды после ХВО;

потери энергии через ХВО;

энергия потока греющей воды поступающей в подогреватель сырой воды;

потери энергии через подогреватель сырой воды;

- потери энергии через бак деаэрированой воды;

Литература