Wykład III:
Z punktu widzenia gospodarki cieplnej kocioł parowy rozpatrywany będzie głównie:
-jako źródło ciepła
-w jaki sposób straty ciepła będą niwelowane
Każda przemiana energetyczna obarczona jest stratami, nie ma takich przemian które zachodzą ze 100 % sprawnością. Istotnym miernikiem jakości procesu przemiany energii dla urządzenia w którym tę przemianę prowadzimy jest sprawność.
Sprawność – to stosunek energii użytecznej odprowadzonej z urządzenia kotłowego pod postacią pary do ilości energii wprowadzonej z paliwem.
Ni= D*(ip-iw)/B*Qw
Gdzie:
D-strumień masowy produkowanej pary kg/h
Ip, iw-entalpia pary i wody kJ/kg
B- strumień masowy spalanego paliwa
Sprawność kotła może być wyrażona za pomocą strat ciepła:
Ni=100 –suma Qs
Suma Qs – suma strat cieplnych urządzenia kotłowego, %
Suma Qs=Qk+Qco+Qn+Qpr+Wpozostałe %
Gdzie
Qk- strata kominowa (wylotowa), %
Qco – strata niezupełnego spalania, %
Qn – strata niecałkowitego spalania, %
Qpr – strata promieniowa i konwekcji, %
Wartość sprawności jest tym bliższa 100% im mniejsze są straty ciepła.
Wartości sprawności kotłów parowych są różne i wynoszą:
-kotły opalane węglem z paleniskiem ręcznym 40-60%
-kotły opalane itd.
Strata kominowa (wylotowa) wynika z tego że spaliny opuszczające kocioł są gorące i wynoszą określony strumień ciepła.
Strata ta jest nieunikniona, a wielkość jej zależy od temperatury gazów wylotowych
Im niższa temperatura gazów spalinowych tym strata mniejsza
W tradycyjnych kotłach występują ograniczenia obniżania temperatury spalin.
Nie można doprowadzić do obniżenia temperatury spalin do punktu rosy i kondensacji pary wodnej w spalinach, powstanie kwasu siarkowego spowodowałoby powstanie agresywnego środowiska, co szybko doprowadziłoby do zniszczenia kotła parowego. Takiego niebezpieczeństwa nie ma w kotłach kondensacyjnych, ponieważ mają one powierzchnię wykonaną ze stali kwasoodpornej.
Istotny wpływ na temperaturę spalin ma stan powierzchni ogrzewalnej kotła. Zanieczyszczenia (osady) zarówno po stronie spalin jaki i po stronie wody powodują wzrost straty kominowej.
Strata kominowa zależy nie tylko od temperatury spalin, ale również od strumienia spalin. Duży wpływ na tę stratę ma stosowany nadmiar powietrza (współczynnik nadmiaru powietrza), co jest związane ze strumieniem masowym ciepła.
Strata kominową można wyznaczyć z zależności:
Qk= Vs*Cs*(ts-tp)
Lub ze wzoru Siegeta
Strata niezupełnego spalenia występuje na skutek nieprawidłowo prowadzonego procesu spalania.
W spalinach pojawiają się gazy palne. Niezupełne spalanie jest związane z wydzieleniem się ciepła, jednak w znacznie mniejszej ilości niż podczas spalania zupełnego.
Podczas spalania może być obliczona ze wzoru znajd. W literaturze.
Strata niezupełnego spalania może być ograniczona przez równomierne podawanie węgla, stosowanie podmuchu strefowego, właściwą regulację dopływu powietrza (przy kotłach opalanych gazem lub olejem opałowym)
Strata niecałkowitego spalania wynika z następujących strat:
-straty przesypu- powstają na sutek przesypywania się dobrych cząsteczek węgla przez szczeliny rusztu
-straty w żużlu – część węgla zostaje zatopiona w żużlu
-Straty w popiele lotnym – wynikają z unoszenia drobnych ziaren węgla poza komorę paleniskową
Strata niecałkowitego spalania zależy głównie od:
-wielkość szczelin w ruszcie
-rodzaju i granulacji spalanego węgla
-obciążenia rusztu
-zawartości popiołu.
Strata promieniowania i konwekcji wynika z tego, że powierzchnia obudowy kotła oraz innych elementów urządzenia kotłowego ma temperaturę wyższa od temperatury otoczenia i w związku z tym wypromieniowują część ciepła.
Wielkość tych strat ciepła przez promieniowanie i konwekcję zależy od typu i wielkości kotła oraz jakości izolacji.
W małych i źle izolowanych kotłach te straty mogą dochodzić nawet do 10% wszystkich strat. Straty są mniejsze im kotły są większe i lepiej izolowane, mające zwartą budowę i mniej powierzchni wymieniających ciepło. Zmniejszanie strat przez konwekcję i promieniowanie uzyskuje się przez właściwą izolację i jej konserwację oraz unikanie niepotrzebnego ruchu powietrza.
Eksploatacja kotła parowego:
Kocioł parowy tak jak każde urządzenie energetyczne wymaga przestrzegania odpowiednich warunków eksploatacji.
Omówiona wcześniej sprawność kotła odnosił się do warunków ustalonych. Są to warunki w których rozkład temperatur jest stały w czasie i kocioł znajduje się w równowadze.
W warunkach przem. Spoż. Występują sytuacje, w których kocioł jest wyłączany. W czasie ponownego uruchamiania występują dodatkowe straty, które zmniejszają sprawność kotła.
Stąd pojęcia sprawności średniej oraz charakterystyki energetycznej kotła wyrażanej w postaci sprawności średniej:
Niśr= Q-(suma Qs + Qd)/Q * 100
Suma Qs – suma strat ciepła w warunkach ustalonych
Qd- straty dodatkowe w warunkach nieustalonych
Q- ciepło dostarczone do kotła z paliwem
Sprawność średnia jest niższa od sprawności w warunkach ustalonych ze względu na tą energię potrzebną do rozruchu kotła.
Przy rozruchu:
-rośnie strata niecałkowitego spalania na skutek dłuższego czasu spalania wywołanego niską temperaturą w komorze spalania
-Rośnie strata kominowa ze względu na wyższy współczynnik nadmiaru powietrza stosowany przy rozruchu kotła
-Część ciepła ze spalania paliwa zużywana jest na ogrzewanie wody w kotle i całego kotła. Ciepło to po unieruchomieniu kotła ulega rozproszeniu.
Nie było tych strat gdyby proces byłby prowadzony przez technologa w sposób ciągły.
W efekcie, jeżeli kocioł jest uruchamiany, następnie pracuje przez określony czas w stanie równowagi w końcu jest wygaszany, jego sprawność się zmienia w czasie.
Najwyższa sprawność kotła występuje tylko przez określony czas (sprawność równowagi)
Sprawność średnia jest dużo niższa.
W przeciętnym zakładzie przemysłu spożywczego zapotrzebowanie pary nie jest równomierne w cyklu dobowym, stąd i obciążenie kotła nie jest równomierne. Obciążenie kotła w cyklu produkcyjnym również wpływa ja jego sprawność.
Maksymalną sprawność osiąga kocioł parowy przy określonym obciążeniu podawanym w strumieniu masowym pary.
Maksymalna sprawność oznacza najbardziej ekonomiczną pracę kotła, stąd też obciążenie, przy którym taka sprawność jest osiągana nazywane jest obciążeniem ekonomicznym.
Jeżeli przeliczyć sprawność która jest wyższa o 8% na węgiel kamienny, to okaże się , ze kocioł spali dużo mniej ton węgla.
Nie wszystkie kotły reagują jednakowo na zmiany obciążenia. Z punktu widzenia wykorzystania kotła parowego, korzystna jest sytuacja gdy kościół jest równomiernie obciążony.
W kotle płomienicowym – o dużej pojemności wodnej – wysokie sprawności uzyskuje się w szerokim zakresie obciążeń.
W kotle opłomkowym maksymalna sprawność uzyskujemy w stosunkowo wąskim zakresie i jest on bardziej wrażliwy na zmiany obciążenia. Jeżeli w zakładzie występują znaczne wahania w obciążeniu to kocioł opłomkowy nie jest najlepszym rozwiązaniem. Przy zmiennym obciążeniu lepszym rozwiązaniem jest kocioł o dużej pojemności wodnej.
Każdy kocioł parowy ma określoną charakterystykę energetyczną przedstawianą na wykresie: podającym zależność sprawności od funkcji obciążenia.
Najbardziej optymalne warunki pracy kotła występują w strefie ekonomicznych obciążeń i najniższe zużycie paliwa. W przypadku strefy nieroboczej sprawność jest niska a zużycie paliwa wysokie. W strefie forsowania nieco maleje sprawność i zużycie paliwa w porównania ze strefą ekonomiczną.
W sytuacji gdy nie można zapewnić równomiernego obciążenia kotłów parowych, co ma miejsce w zakładach o różnorodnej produkcji, gdzie mogą wystąpić krótkotrwałe szczyty obciążenia, instaluje się przy kotłach parowych zasobniki pary (zasobnik ciepła).
Dzięki zastosowaniu zasobnika można w pewnych okresach czasu zmniejszyć liczbę pracujących kotłów parowych lub przy prawidłowym zbilansowaniu można zmniejszyć liczbę instalowanych kotłów. Zasobniki ciepła wykonuje się jako ciśnieniowe zbiorniki o dużej pojemności wodnej. W przemyśle spożywczym instalowane są zasobniki typu Ruthsa.
Jest to izolowany walczak, wypełniony w 90% wodą do którego doprowadza się parę za pomocą specjalnych dysz, co powoduje intensywne mieszanie i krążenie wody w zasobniku.
W okresie zbyt dużej produkcji pary w stosunku do zapotrzebowania działów produkcyjnych, zamiast zmniejszania obciążenia kotła lub wyłączenia go z ruchu, nadmiar pary wtłaczany jest do przestrzeni wodnej zasobnika. Para skraplając się, oddaje ciepło skraplania wodzie w zasobniku. Entalpia wody zwiększa się przy tym do wartości odpowiadającej ciśnieniu p1 pary zasilającej (wtłaczanej do zasobnika). Jest to okres ładowania zasobnika.
Podczas zwiększonego zapotrzebowania na parę, obniża się ciśnienie w zasobniku do ciśnienia p2 odpowiadającego ciśnieniu pary pobieranej z zasobnika. Część wody w zasobniku odparowuje kosztem różnicy entalpii wody przy ciśnieniach p1 i p2. Jest to okres rozładowania zasobnika.
Zasobnik pracuje więc przy różnicy ciśnień między ciśnieniem p1 w okresie gromadzenia ciepła (ładowania) a ciśnieniem p2 w okresie rozładowywania.
Fotka1 Schemat włączenia zasobnika ciepła do układu wtłaczania pary w zakładzie przemysłu spożywczego
Fotka 2
Zainstalowanie zasobnika pary pozwala w dużym stopniu większy zdolności akumulacyjne wytwarzania pary i umożliwia pracę kotłów przy prawie stałym obciążeniu przy maksymalnej sprawności.
Fotka 3
Zdolności akumulacyjne zasobnika pary zależą od pojemności wodnej oraz dopuszczalnego spadku ciśnienia.
Korzyści z zastosowania zasobnika pary:
-równomierne obciążenie kotłów które pracują przy najbardziej ekonomicznej sprawności
-można zmniejszyć ilości czynnych kotłów parowych
- Możliwość pracy kotłów przy niższym ciśnieniu, co wynika ze zwiększonych zdolności akumulacyjnych wytwarzania pary, ponieważ oprócz akumulacji ciepła w samym kotle, dochodzi akumulacja ciepła w zasobniku pary
-większą elastyczność pracy
Prawidłowa gospodarka energetyczna w kotłowni polega na:
-prawidłowym spalaniu
-odprowadzaniu spalin o właściwej temperaturze
-właściwy dobór paliwa
-utrzymanie kotła i urządzeń pomocniczych w należytym stanie technicznym
-eksploatacji kotła w warunkach ustalonych przy właściwym obciążeniu
-stosowanie właściwej jakości wody zasilającej
GOSPODARKA NOSNIAMI ENERGII CIEPLNEJ:
W przemyśle spożywczym szerokie zastosowanie znalazły następujące wysokotemperaturowe nośniki energii:
-para wodna
-gorąca woda itd.
Gazowym nośnikiem ciepła, najczęściej stosowanym to para.
Występuje w kilku rodzajach:
-para nasycona wilgotna, zawierającą w swej masie kropelki nie odparowanej wody
-pasa nasycona sucha
-para przegrzana
W obliczeniach stosuje się często tzw. Parę umowną. Jest para o entalpii 2680 kJ/kg
Przeliczenie masy (strumienia masy) pary rzeczywistej na parę umowną:
Du= Drz *irz/iy
gdzie:
Du- masa (strumień) pary umownej
Drz – masa (strumień) pary rzeczywistej
Irz- entalpia pary rzeczywistej
Iu- entalpia pary umownej
Zalety pary wodnej:
-można ją bez trudu przesyłać w miejsca oddalone znacznie od miejsca wytwarzania
-kondensacji pary towarzyszy duża zmiana jej entalpii, wskutek czego do przekazania stosunkowo dużych ilości ciepła potrzebna niedużej pasy pary
-stała temperatura kondensacji w danych warunkach ułatwia utrzymanie stałych parametrów pracy
-wysokie współczynniki przenikania ciepła
Współczynnik wnikania ciepła jest różny dla różnych rodzajów ciepła. Przy parze przegrzanej jest on dużo niższy niż dla pary nasyconej. Parę przegrzana cechują natomiast lepsze współczynniki hydrodynamiczne.
Stąd też transport pary powinien być pod postacią pary przegrzanej a wykorzystanie powinno odbywać się pod postacią pary nasyconej.
Główną wadą pary wodnej, jako nośnika ciepła jest znaczny wzrost ciśnienie związany ze wzrostem temperatury. Stąd też ogrzewanie produktu do tmpe.150 -160 C wymaga zastosowania pary o ciśnieniu 0,4 kPa.
Gorące powietrza jako nośnik energii cieplej:
-charakteryzuje się stosunkowo niskimi współczynnikami wnikania ciepła dla pary 10 000 kW/kg*K
Dla gorącej wody 1000 kW/kg *K zależnie od prędkości przepływu a dla powietrza poniżej 100 kW/kg*K zależnie od prędkości przepływu.
- jest dość kłopotliwe w przemieszczaniu
Gazy spalinowe są wykorzystywane tylko i wyłącznie w miejscu powstawania i dotyczy to kotłów parowych. Są wykorzystywane do produkcji pary wodnej.
Ich zalety:
-wysoka temp. 1500 C która nie jest związana z wysokim ciśnieniem
Wada:
-niski współczynnik wnikania ciepła co powoduje
-rozbudowę powierzchni wymiany ciepła i
-powierzchnia ta ulega szybkim zniszczeniu
Ciekły nośnik wymiany ciepła- gorąca woda lub skropliny pary (te są już wodą destylowaną)
Nośnik ten można przesyłać rurociągiem na znaczną odległość przy stosunkowo niewielkim obniżeniu temperatury.
Zaletą wody
-wys. Współczynnik wnikania ciepła ok. 1000 kW/kJ*kg w zależności od prędkości przepływu
Wada wody:
- pod normalnym ciśnieniem nie może przekroczyć 100 C
Nośniki niskotemperaturowe oracz czynniki chłodnicze: których wrzenie zachodzi poniżej 0 stopni i ciepło jest pobierane
Np. woda lodowa(mleczarski), solanka, mieszanina glikolu, alkoholu i wody, alkohol metylowy i inne
Z nośników gazowych wykorzystuje się powietrze: w przypadku zamrażania fluidyzacyjnego, w przemyśle owocowo warzywnym.
Czynniki chłodnicze wykorzystywane są w urządzeniach chłodniczych sprężarkowych najczęściej amoniak i freony (pochodne węglowodorów nasyconych)
W absorpcyjnych urządzeniach chłodniczych: wodny roztwór amoniaku i bromku litu
Ciśnienia te są różne dla różnych aparatów:
-płaszcz wanny serowarskej – 0,05MPa
-płytowy wymiennik ciepła 0.15 MPa
-termosprężarka wyparki – 0,7 MPa
-Nagrzewnica do powietrza w suszarni rozpyłowej
Para do celów technologicznych powinna być parą nasyconą, ale kotły produkują parę przegrzana.
Do przeprowadzenia procesu przemiany pary przegrzanej w parę nasyconą stosuje się stacje redukcyjno-schładzające
Urządzenia te działają automatycznie:
Bez względu na wahania ciśnienia i temperatury pary dostarczanej para wychodząca ma ściśle określone parametry.
Stacja redukcyjna składa się z :
-zaworu redukcyjnego
-schładzacz (komora mieszania)
-osuszacz (oddzielanie wody)
Proces redukcji i schładzania pary w stacji redukcyjno - schaładzającej ma następujący przebieg:
-przegrzana para z kotła dopływa do zaworu redukcyjnego, w którym następuje obniżenie jej ciśnienia. Ze spadkiem ciśnienie maleje temperatura nasycenia stad stopień przegrzania pary wzrasta.
-po wyjściu z zaworu redukcyjnego para kierowana jest do schładzacza gdzie następuje wtrysk wody (za pomocą dysz, dysz Venturi’egoe)
Na skutek odebranie od pary przegrzanej określonej ilości ciepła na odparowanie wtryśniętej wody, temperatura pary obniża się do temperatury wody.
Strumień wody może być obliczony z bilansu.
Po schłodzeniu (mamy parę nasyconą wilgotną), w związku z tym musi być osuszona i kropelki wody muszą być wytrącone.
Fotka 4
Jeżeli w kotłowni zainstalowane jest kilka kotłów parowych można sobie wyobrazić ze wszystkie kotły będą produkować parę o innym ciśnieniu. Ale jest to niemożliwe. Produkcję pary w tym przypadku można ustalić na dwa wybrane ciśnienia, ale nie jest możliwe produkowanie pary w kilku lub kilkunastu różnych ciśnieniach.
Z tego powodu (także z oszczędności na instalację rurociągów) parę produkuję się pod ciśnieniem odpowiadającym maksymalnym wymaganiom aparatury. Podobnie stacja redukcyjno-schładzająca dostosowuje parametry pary wodnej do aparatury wymagającej najwyższego ciśnienia.
Gdy potrzebujmy inną parę wtedy w wybranym miejscu głównego rurociągu parowego prowadzi się odgałęzienia na którym redukuje się ciśnienie pary do wybranej wielkości metodą dławienia.
W warunkach procesu odwracalnego w idealnych dyszach proces rozprężania przebiega przy stałej entropii s=const
Ftoka 5pod krzywa para nasycona wilgotna, nad przegrzana
Fotka 6 dławienie pary ideał, którego nie ma w rzeczywistości
Przy występowanie tarcia, jakie ma miejsce w zaworze dławiącym proces jest nieodwracalny. W granicznym przypadku przy tym wysokim tarciu, entalpie gazu przed i po rozprężeniem będą sobie równe i proces przebiegnie wzdłuż odcinka AD. Procesy redukcji pary zachodzą w rzeczywistości przy stałej entalpii i1=i2
...
aneta1805