李崇祥主编节能原理与技术第3章

《李崇祥主编节能原理与技术第3章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《李崇祥主编节能原理与技术第3章（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3章 能量平衡,3.1 概述,热平衡的基础：热力学第一定律。即： 输入能量=有效利用能量+损失能量,能量的数量平衡式为：,3.1.2 平衡,3.1.1 能量平衡,能量平衡首先研究是热平衡。,能效率 ：就是收益能与代价能之比，即：,系统的平衡方程为：,效率：收益与代价之比。,平衡两种方法：（1）以热力学第一定律为基础的能量数量平衡法；（2）以热力学第二定律为基础的能量质量平衡法 。,E1、E2：工质带入和带出的 ，W为系统对外做功，WQ表示系统向环境的散热，它退化为，是由各项不可逆过程造成的损失。,3.2 热平衡,3.2.1 基本概念,1、分类： 1）设备热平衡：是以一台设备或装置为对象的热平

2、衡。 2）企业热平衡：是以车间、企业为对象的热平衡。,第3章 能量平衡,第3章 能量平衡,2、燃料的发热量及热值： 燃料的发热量：燃料在完全燃烧的条件下发出的热量。 燃料的热值：单位燃料的发热量。 热值法定单位为：kJ/kg，或“公斤标准煤”。 转换关系为：1kg标准煤=29270kJ/kg。 高热值：单位燃料完全燃烧且燃烧产物中的水蒸气凝结为水时放出的热量。 低热值：不计入燃烧产物中水蒸气凝结放热。,3、等价热量和当量热量：,1）等价热量：在进行能量平衡计算中，一次能源直接用热值带入，二次能源及耗能工质都必须折合为它们所消耗的一次能源计算，其折算系数就称之为等价热值。,第3章 能量平衡,计算

3、公式为：,例如：如果焦炭的转换效率为0.85，而焦炭的热值是28890kJ/kg，则焦炭的等价热值为：,即：1kJ焦炭的热值相当于10.850.987=1.161Kg标准煤发出的热量。,第3章 能量平衡,2）当量热量：用能过程中所使用的二次能源在工艺过程中实际完全转换成的能量。,例如：1kW.h的电完全转换为热时产生110003600 =3600000(J)=3600(kJ) 。,热平衡计算时 等价热量：计算系统二次能源输入热量时。 当量热量：计算实际放出的热量时。,3.2.2 热平衡技术指标,热平衡技术指标,进行热平衡计算的尺度,1、用能系统热量的分类： 有效利用热：加入系统的被利用的那部分

4、能量。 损失热：加入系统的未被利用的那部分能量。,第3章 能量平衡,回收热(余热)：损失热中可回收利用那部分能量。,2、热平衡技术指标： 1）能耗：单耗：单位产量或单位产值所消耗的某种能量折算为标准煤的数量。 综合能耗：企业消耗的各种能源的总耗量。 2）能量利用效率： 设备热效率：反映设备的能量利用程度。表示为：,装置能量利用率：表示为：,第3章 能量平衡,企业能源利用率：用于考察整个企业用能水平的指标，表示为：,3）回收率：反映企业由于余热回收所带来的节能效益指标。表示为：,3.2.3 热平衡模型及类型,1、热平衡模型：,回收热Qhs,排出热Qp,外界供给热Qgg,物料带入热Qr,回收热Qh

5、s,工质带出热Qc,根据热力学第一定律，有：,第3章 能量平衡,2、热平衡类型：供入热平衡、全入热平衡、净入热平衡三类。,1)供入热平衡：以供给体系的热为基础的热平衡。表示为：,2)全入热平衡：以进入系统的全部热量为基础的热平衡。,3)净入热平衡：实际加给体系的热量为基础的热平衡。,3.2.4 热平衡时各种热量的计算,1、供入热计算： 供入热量包括下列各项中的一项或数项 ： （1）燃料燃烧时供给的热量。 （2）外界供给系统的电量P和功量W。,第3章 能量平衡,（3）外界向系统的传热量 。 （4）载热体带入系统的热量 。 2、有效能概念及计算 有效能：已经被利用的能量。 有效能包括下列诸项中的一

6、项或数项： （1）一般加热工艺。 （2）有化学反应的工艺。 （3）在蒸汽、干燥工艺中。 （4）产品中包含部分燃料时。 （5）系统向外界输出电、功时。 （6）未包括在以上各项中的其他有效能。 3、损失能量：系统的供给热量中未被利用的部分。主要为散发于环境中的热量。,第3章 能量平衡,3.3 设备热平衡 3.3.1 锅炉热平衡方程,锅炉热平衡方程式为：,式中：Qr为燃料供给热；Q1Q6分别为有效利用热、排烟损失热、化学不完全燃烧损失热、机械不完全燃烧损失热、为散热损失、灰渣物理损失；单位：kJ/kg。,3.3.2 锅炉热效率,1）正平衡热效率：通过锅炉试验求得Qr、Q1所得的热效率。它反映了有效热

7、占锅炉总吸热量的百分比。,1）反平衡热效率： 反平衡热效率计算公式为：,第3章 能量平衡,3）燃烧效率：实际生成热与低位发热量之比。即：,4）毛效率与净效率： 毛效率：扣除设备自用的能量损耗。 净效率：将锅炉自用能量作为损失计入得到的效率。 即：,3.3.3 锅炉各项热损失的确定,1、机械不完全燃烧热损失： 1）燃煤锅炉机械不完全燃烧热损失： 1kg燃料的机械不完全燃烧热损失：,第3章 能量平衡,例1：某锅炉所用燃料的Ay=21.3%,其中ahz=15%，afz=2%，alm=4.37%，Chz=10%，Cfh=8%，Clm=91%，求q4。 解：根据： 代入公式(3.33)：,2）燃油锅炉机

8、械不完全燃烧热损失 用公式计算：,例2：已知某燃油锅炉的干烟气容积为Vgy=11.5Nm3，测得烟气中的碳黑浓度Mth=1477mg/Nm3，燃油的热值Qr=41474kJ/kg，求其机械不完全燃烧缺失。,第3章 能量平衡,解：根据公式： 代入：,2、化学不完全燃烧热损失： 1）燃煤、燃油锅炉的化学不完全燃烧热损失： 可简化为： 2）燃气锅炉的化学不完全燃烧热损失：,第3章 能量平衡,例3：设某燃油锅炉的排烟中CO=0.28%，H2=0.002%，排烟处空气过剩系数为1.05，干烟气容积Vgy=11.5Nm/kg，求q3。 解：由例2计算结果q4=1.3%，而CH2=0，代入公式(3.38)

9、：,2）燃气锅炉的化学不完全燃烧热损失：,在没有元素分析仪时，用经验公式计算：,代入公式(3.40)：,第3章 能量平衡,3、排烟与散热损失： 1）排烟热损失：,燃油、燃烧锅炉排烟热损失计算式为：,燃气锅炉排烟热损失计算公式：,例4：设燃烧1kg油的排烟量Vpy=12.1Nm3，空气入炉温度T0=20，排烟温度Tpy=180 ，烟气比热Cpy=1.4(kJ/Nm3. )，求排烟损失。 解：由公式(3.42)：,第3章 能量平衡,2）散热损失 ：按经验选取。,借用例2计算结果q4=1.3%，代入：,满负荷运行时 ，按表3.3查出。,4、燃烧炉灰渣物理热损失：,灰渣物理损失值计算公式：,其近似计算

10、公式：,系数K取134。,非满负荷运行时，按下式计算：,第3章 能量平衡,3.4 平衡,3.4.1 的分类,表达了能量转化过程中能的可用性，余热回收的可能性，以及过程中能的贬值性。所以进行平衡，可帮助评价的合理程度。,1）系统与环境之间的平衡可以分为：物理和化学。 2）根据能量可分为：热量 、冷量和机械能。 3）按工艺过程可分为：输入 、输出 、燃料和排烟。,3.4.2 的计算,1、热量 ：热量由和组成。 从热源吸取的热量可能作的最大有用功 ，用微元过程表示为：,卡诺循环效率,第3章 能量平衡,对一般的热力过程，热量为：,系统为：,热量Q的能质系数为：,热量和热量的T-s图为 ：,0,6,A,

11、E,1,2,S1,S2,5,3,4,s,T0,TT,2、冷量 ：仍由和组成。 冷量是温度低于环境温度时的热量。 对于可逆卡诺循环有:,第3章 能量平衡,消耗外界的有用功就是冷量，即 :,冷量可表示为：,则冷量的能质系数为：,系统冷量和冷量的T-s图为：,0,6,Q,E,1,2,s1,s2,5,3,4,s,TT,3、稳定流动开口系统工质的: 单位工质流入系统的能量由工质焓、动能和位能三部分组成。 根据能量守恒方程可得：,第3章 能量平衡,在可逆过程中因 ，故：,稳定流动系统，因 ，故：,略去工质的动能和位能，则系统单位工质的为：,常用水和蒸汽为工质，且在定压下工质经验计算公式：,或,4、封闭系统

12、的：任一封闭系统从给定状态可逆的转变到环境状态，并只与环境交换热量时所作的最大功。,第3章 能量平衡,可逆的转换过程能量方程为：,给定状态到环境状态时系统的为：,相应的为：,5、理想气体的：,由温度和压力两部分组成。,温度为：,压力为：,因此，理想气体的表示为：,6、燃料：主要是化学和物理 。,第3章 能量平衡,1）燃料的物理显：,1）燃料的化学：近似公式计算。,固体燃料的化学-信泽式计算：,液体燃料的化学-信泽式计算：,-朗特式计算：,-朗特式计算：,液体燃料的化学 已知气体燃料组分时：,第3章 能量平衡,其近似计算公式：,7、燃料产物：在理论燃烧温度下，燃料生成燃料产物为：,8、空气和烟气

13、的 ：按理想气体的值计算式(3.69)计算。,3.4.3 损及损率,损率：各项损失与总供给的比值。,1、燃烧过程的损：燃烧过程的损等于燃料与燃烧产物之差。即：,对于热水锅炉和原油加热炉，可用下式计算损：,第3章 能量平衡,2、传热过程的损：在完全燃烧的情况下，传热损计算公式为 ：,3、散热损：计算式为:,4、排烟损：因排烟高温，带走了 ，而造成排烟损失。计算式为:,5、换热过程损：冷、热两种流体进行非接触热交换时(如换热器)，造成损失。计算式为:,6、化学反应：,在工业窑炉中，一些物质被加热而发生化学反应，反应前后具有的化学之间存在的差值，称为反应。,第3章 能量平衡,在稳定状态下，系统的收入

14、与支出应平衡。,3.4.4 平衡与效率,1、平衡：,以供给为基础的平衡方程式为：,以全入为基础的平衡方程式为：,2、效率：,系统实际得到的有效与供给之比。,可用反平衡法表示：,对于整个企业，用能效率表示为：,对于石油、化工装置，全入效率为：,的回收率为：,第3章 能量平衡,3.4.5 平衡应用举例,某单级汽轮机，进气压力p1=10MPa，温度t1=540，排气压力p2=0.005MPa，相对内效率ri=0.81，设环境温度20 。求该机的绝对内效率、目的效率、热损失、损失。,解：查表得状态参数： h1=3477kJ/kg，e1=1637kJ/kg，h2=2337kJ/kg，e2=241kJ/k

15、g，h20=2052kJ/kg 绝对内效率：,目的效率：,损失：,第3章 能量平衡,损失：,总结：汽轮机的热效率及效率均较高，且数值接近。 绝对内效率的热损失比例很大，但乏汽温度因接近环境温度，所以值很低，比例很少。 因汽轮机内部的不可逆过程，而造成的损失和热损失。,3. 5 热平衡及平衡结果的表示方法 3.5.1 热流图和流图,1、热流图：是将设备根据热平衡计算的结果，在图上按一定比例画出来的示意图。分为简单热流图和分区热流图两种。,简单热流图特点：简单、清楚；只能大致表明流动方向。 分区热流图特点：热量流向与设备结构关系清楚；较复杂。,第3章 能量平衡,锅炉的简单热流图 凝汽式电厂的简单流图,2、流图：设备在进行平衡后得出的供给、工质带入、产出及各种损后，以图示的方式表示。,3.5.2 表格表示法,特点：详细给出计算结果，一目了然；从中可得到启发，找出节能关键，指导节能。,第3章 能量平衡,3.6 提高能源利用率的途径 3.6.1 提高锅炉热效率的途径,1、降低排烟温度减小q2 ：尾部烟道加设空气预热器和省煤器。 2、采用合理的空气过量系数减小q2 ：调节好风煤比，尽量减少炉膛及烟道漏风。 3、提高运行水平降低q3、