热工设备与节能技术 第五章

李俊瑞 热工设备与节能技术 第五章热平衡与能量分析 一 热平衡内容和意义 热平衡是能量守恒定律在热工设备中的应用 即进入体系的能量与离开体系的能量在数量上是相等的 只考察数量关系 不考虑各种形式能量在品质上的差异 能量平衡是考察热工设备能量构成 分布和能量利用水平的重要手段 是实现能量科学管理的基础 是有效开展节能工作的重要依据 收入热量 支出热量 二 常用术语及热平衡技术指标 1 常用术语 1 体系 体系就是进行热平衡的对象 它可以是一个设备 一套装置 也可以是一个企业乃至 个地区 体系应有明确的边界线 边界线以外的物质称外界 2 供给能量 供给能量又称供给热 以Qg表示 它是指由能源供给的能量 包括燃料热能和一切由燃料热能转换来的二次能源 如蒸汽 电等 的总和 3 等价热值和当量热值 要综合统计燃料热能和电 蒸汽 煤气等二次能源 就必须有一个统一的计量单位 即把二次能源折算为相应的热值 1 等价热值 等价热值是指为了得到二次能源的单位能量 在工业上实际消耗的一次能源的热量 可表示为 例如 1kw h 1度电 的等价热值为12 544MJ 这是按目前凝汽式机组发电的平均效率 28 7 计算出来的 2 当量热值 当量热值只考虑能量间的数量关系 例如lkw h电能的当量热值是3 6MJ 4 有效能量 有效能量又称有效热 是指为了达到工艺要求 理论上必须消耗的能量 以Qy表示 这里的工艺是指某些特定的工艺机制 如蒸发 干燥 加热等 有效热大致可分为下列几种 过程中伴有分解 合成等化学反应时需要的吸热量 如石灰窑 玻璃窑炉等 物料加热过程的吸热量 如锅炉 加热炉等的有效热就是设备出 入口被加热物的热量之差 为了达到生产目的 必须用热能促成的特定工艺过程 如使物料干燥 漆膜溶剂挥发的烘干机等 5 输入能量 输入能量又称全入热 以Qr表示 是指进人体系的全部能量 包括燃料的供给热 还有物料带入热 化学反应热 回收热等 2 技术指标 通过技术指标可以较全面反映设备的能源消耗 用能水平和节能潜力情况 1 生产率和单位生产率 1 生产率工业炉窑的生产率即单位时间的产量 用G示 其单位是kg h t h t d 2 单位生产率为了排除炉子大小对生产率的影响 有时采用单位生产率这一指标 即单位炉底面积或单位炉膛容积在单位时间内的产量 用g表示 其单位是kg m2 h kg m3 h或t m2 d t m3 d 2 燃料消耗量 指单位时间消耗的燃料量 用符号B表示 其单位是kg h或Nm3 h 单位燃耗 指单位产品产量的燃料消耗量 用符b表示 即 单位热耗 指加热或熔炼单位产品产量燃料燃烧的放热量 用符号q表示 即 单位燃耗和单位热耗是评价工业炉窑热能利用水平的主要指标之一 3 能量利用率 能量利用率有不同的表示方法 下面介绍最常用的两种 1 热效率 有效热占供给热的百分数 称为热效率 热效率是衡量体系用能水平的主要指标 2 装置能量利用率 e 对于某些体系 由于余热的充分回收和重热的多次利用用 有可能使体系的热效率 100 这显然是不正确的 若采用装置能量利用率就比较合理 式中的输出有效热和全入热各项 均以实际热值或当量热值进行计算 4 回收率 常采用下列各种回收率 3 两种不同类型的热平衡 工业炉窑的热平衡 按实际生产过程中是否实观大量余热 重热回收或物料的化学反应是否放出大量热而区分为两类 1 若无 以供给热为基础进行热平衡 计算热效率 2 若有 则以全入热为基础进行热平衡 计算装设能量利用率 三 热平衡测定内容及步骤 1 建立体系的热平衡框图 根据研究需要确定体系的范围后 要把进出体系的所有能量按规定标结在框图上 如图2 l所示 物料带入体系的能量Qmr 画在框图的左侧 物料带出体系的能量Qmc 画在右侧 供给热Qgg 画在下侧 体系排出的能量Qpc 画在上侧 体系回收的余热和重热Qhs 画在框图内 由能量平衡可得 2 建立热平衡方程 建立热平街方程的依据是能量守恒和转换定律 对于任何体系 下式恒成立 在稳定热工况下 体系内能不变 于是 根据热工理论 分别列出输入和输出体系各项能量的表达式 计算公式 从而可以确定影响各项能量的相关参数 同时也为热平衡测定提供了具体内容 例如 物料带入热Qr m c1t1 c0t0 影响因素 物料量m 比热c 温度t 3 热平衡测试 热平衡体系划定之后 就要确定热平衡项目 选择测点 准备和安装测试仪表 并按给定的工况下进行测试 测试内容如表所示 两次热平衡试验测定的热效率偏差应在许可的范围之内 正平衡法不得大于4 反平衡法不得大于6 正反平衡法不得大于5 若符合以上要求 热效率可取两次测定的平均值 热平衡测试注意事项 试验负责人应事先制定好试验大纲 明确试验目的 要求 内容 方法 步骤和人员分工 试验人员应明确自己的职责范围 测点布置合理 仪器安装正确 使用得当 应在稳定的工况下进行测试 周期性工作的炉窑 应以其周期为时间单位进行测定和计算 4 热平衡计算 将测量得到的参数代入热平衡方程 对各项能量进行热工计算 求出各项能量结果 计算必须采用统一的单位 避免出错 计算结果应符合热平衡方程 若收支偏差过大 则测试结果无效 应查明原因后重作 5 绘制热平衡表 将热平衡计算结果按收入和支出项 分别列左右两测 绘制成热平衡表 以便考查和对比分析 四 热平衡测试实例 例题 某连续钢材加热炉以焦炉煤煤气为燃料 其燃料成分为 热平衡测试数据如表所示 解 热平衡计算1 排烟处过剩空气系数 由下式计算得 2 炉膛出口处过剩空气系数为 3 理论空气量 由燃料燃烧计算公式得 4 实际烟气量 由燃料燃烧计算公式得 5 实际干烟气量 6 每小时进入炉内的空气量为 2 体系收入热量 1 燃料供给热量 2 空气带入物理热 即外界冷风入炉温度下带入的显热 3 物料带入的显热 4 金属化学反应放热 3 体系支出热量 1 物料带出热 2 气体不完全燃烧热损失 3 固体不完全燃烧热损失 4 水冷热损失 5 炉体散热损失 侧墙炉壁与环境温度差 由测试数据得 由图5 5查得炉壁散热热流密度为 炉顶与环境温度差为 由图5 5查得炉顶散热热流密度为 所以 预热段散热损失 用上述方法分别求出预热段的侧墒 炉项与环境温度差为60 和100 侧墙与炉顶散热热流密度为0 8kW m2和1 8kw m2 所以该段散热损失为 同理 换热器部分的散热损失为 炉窑的出料炉门 进料炉门和看火炉门三处有辐射热损失 出料炉门辐射热损失 根据实测出料炉门宽为3 5m 墙厚为464mm 其二者之比为 6 炉体孔洞辐射热损失 同理 进料炉门辐射热损失为 看火炉门 两个 辐射热损失 看火炉门宽为0 464m 炉墙厚度为0 464m 二者之比为0 464 0 464 1 由图5 6查得 0 55 代入下式求得看火炉门的辐射热损失 孔洞辐射热损失共计 7 逸气热损失 两个看火炉门开启时有逸气热损失 根据测试结果 其中H 0 3m b 0 464m 取0 82 逸气温度ty 1300 炉外空气 即环境 温度tk 20 Pb 0 开启炉门和垂直裂缝逸出气体量 水平裂缝逸气量为0 故 可求出逸气热损失 8 排烟热损失 可按下式计算 其他热损失 即为总收入热量与上述各项热损失的差值 4 回收热 该炉窑供燃烧用的空气经过预热后送入炉膛 空气吸收的热量可用下式计算 5 热效率 钢材加热炉的有效热量 可按下式计算 供给钢材加热炉的热量Qgg 即为燃料输入热和空气带入热 同时还包括钢材的化学反应放热 6 单位燃耗 7 热平衡计算结果汇总表 五 工业炉的节能途径和措施 1 降低工业炉的传热损失 工业炉炉内传热的不可逆损失很大 烟气与物料之间的温差越大 传热不可逆损失也越大 2 回收烟气余热 由工业炉热平衡可知 随着排烟温度的升高 排烟热损增大 工业炉的排烟温度 般都比较高 排烟热损失占20 30 左右 1 烟气余热的利用途径 可用来预热物料 预热燃烧用的空气 生产热水或蒸汽等 2 余热回收方式 由于余热的来源 形态 温度和性质的不同 其回收方式也多种多样 主要有以下几种 1 用换热装置 由烟气预热燃烧用空气 使烟气带走的热量部分返回到热设备中 以提高设备的热效率 2 预热煤气 提高燃烧效率 注意预热温度必须控制在分解温度以下 同时也不得超过燃烧装置所允许的预热温度 3 使用余热锅炉或换热装置 生产低压蒸汽和热水 供发电 生产及生活使用 4 利用排烟预热物料 以提高入炉物料的温度 从而降低产品单位能耗 3 减少冷却水的热损失 工业炉窑中冷却水的热损失较大 一般占总热景的5 以上 采用新材料或采取绝热等措施来减少冷却热损失 4 减少炉体散热损失 工业炉的炉体散热是主要热损失项之一 采用新的筑炉材料和合理的炉体结构 提高炉体保温绝热性能 降低炉体散热和蓄热损失 5 采用烟气循环 改善燃烧 调节炉膛温度 尤其对低温窑炉 如干燥窑 将部分排烟引回燃烧室和燃烧用空气混合 可减少过剩空气量 降低燃料消耗 6 用排烟废气预热炉内托盘 框架和输送带等附属装置 减少这些设备的吸热 以提高燃抖的有效利用率 六 热能利用分析 1 热效率及相关因素 提高工业炉窑热效率 首先从热效率定义式入手进行能量分析 找出影响工业炉窑热效率的主要因素 式中供给热Qgg有两种情况 1 当有空气预热时 供给热等于燃料发热量与空气物理热之和 即Qgg Qdw VkCktk 2 当无空气预热时 供给热等于燃料发热量 即Qgg Qdw 设q为燃料燃烧后留在炉膛内的热量 即投入炉内的热量减去排烟带走热量 将热效率公式分子分母分别乘以q 则有 式中 1称为燃料利用系数 2称为热利用系数 它们各自的物理意义十分明确 建立炉子热平衡方程 式中Qqb为气体不完全燃烧热损失 Qgb为固体不完全燃烧热损失 Qss为炉体热损失 包括炉体散热损失 逸气热损失 辐射热损失 根据定义 则有 或 所以 由燃烧学可知 式中为理论烟气温度 则有 对于使用气体燃料的炉子