Теплотехнические расчеты обычно выполняют исходя из низшей теплоты сгорания топлива (?н, подсчитываемой с учетом сгорания водорода топлива в водяной пар и расхода тепла на испарение содержащейся в топливе влаги. Однако при охлаждении продуктов сгорания топлива с высоким содержанием водорода или влаги ниже точки росы и частичной утилизации тепла конден­сации водяного пара использованное тепло может превышать низшую теп­лоту сгорания топлива. В этом случае кажущийся, или видимый, коэффи­циент полезного действия, подсчитанный по стандартной методике по от­ношению к низшей теплоте сгорания топлива, может превышать 100% [98].

Истинный коэффициент полезного действия, подсчитанный по отношению к высшей теплоте сгорания топлива, т. е. без учета расхода тепла на испаре­ние влаги, содержащейся в топливе и образующейся в результате сгорания водорода, естественно, всегда меньше 100%.

Соотношение высшей и низшей теплоты сгорания различных видов топ­лива приведено в табл 10 (стр. 33).

Учет высшей теплоты сгорания особенно актуален при использовании природного газа и других бессернистых видов топлива с высоким содержа­нием водорода или влаги [98].

На рис. 32 показан предложенный автором водогрейный котел ЭНИН-1 теплопроизводительностью 240 000 ккал/час с четырьмя горелками беспла­менного горения 1. Газовоздушная смесь сгорает в огнеупорных тупнелях

2, Работающих с тепловой нагрузкой 40—50 млн. ккал/м3 час. Дожигание газа может производиться между огнеупорными насадками, размещенными на поду 3 котла. Раскаленные насадки интенсивно излучают тепло тепловос­принимающим змеевикам, смонтированным в шахматном порядке.

Котел ЭНИН-1 был установлен на Московском заводе «Калибр» и исполь­зовался для отопления производственных корпусов. Температура уходящих газов составляла около 150°, к. п.д. котла — около 92% по отношению к низшей теплоте сгорания газа.

В целях повышения к. п.д. был создан котел ЭНИН-2 (рис. 33) теплопро­изводительностью 500 000 к кал/час.

Газовоздушная смесь из горелок 1 поступала в огнеупорные туннели 2. Дожигание газовоздушной смеси осуществлялось у свода 3 котла между огнеупорными насадками 4. Продукты сгорания проходили сверху вниз череа трубчатку 5 котла и, охлажденные до температуры 30—50°, отводились в трубу 6.

Видимый, или кажущийся, к. п.д. котла, подсчитанный по отношению к низшей теплоте сгорания, колебался от 101 до 103%.

Истинный к. п.д. котла, подсчитанный по отношению к высшей теплоте сгорания газа, составлял 91—93%.

Опубликованные автором в 1949 г. результаты испытаний водогрейного котла ЭНИН-2, работающего на московском городском газе с видимым к. п.д., равным 101 —103%, при осуществлении конденсации значительной части водяного пара, содержащегося в продуктах горения [98], оказались для того времени неожиданными и вызвали открытую дискуссию о котлах беспламен­ного горения [181]

Ученый совет Энергетического института им. Г. М. Кржижановского с уче­том материалов дискуссии констатировал правильность подсчета видимого к. п.д. котла по отношению к низшей теплоте сгорания газа 102%, что соот­ветствует 92% по отношению к высшей теплоте сгорания московского город­ского газа. В последующие годы был сооружен ряд установок, работающих на газе с видимым к. п.д. выше 100% по отношению к низшей теплоте сгора­ния топлива [182].

Как пример, приведем подсчет эффективности раздельного использования тепла природного газа в пета и паровом котле и комплексного (ступенчатого) использования тепла сначала в печи, а затем в котле, причем в качестве вари­анта рассмотрим применение за котлом контактного экономайзера с частич­ным использованием теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания природного газа.

Подсчет 2.

Печь — котел — контактный экономайзер.

Рис. 33. Котел беспламенного горения ЭННН-2:

1 — горелки; 2 — огнеупорные туннели; :к 3— свод; 4— огнеупорные насадки; 5 — трубчатка 6 — труба, 7 — отвод конденсата

Раздельное использование тепла природного газа. Газ сжигают в технологической печи и в топке парового котла. Продукты сгорания, отводимые от печи и от котла, выпус­кают в атмосферу.

А) Работа печи на природном газе. Состав продуктов сгорания, отводимых из печи: С03 = 10,2; Ог = 2,8; N2 = 87,0%. Температура уходящих газов 1000°. Температура воздуха 30°

Б) Работа котла на природном газе. Состав продуктов сгорания, отводимых из котла: С02 = 9,6; 02 = 3,9; Г»Г2 = 86,5%. Температура уходящих газов 200°. Температура воздуха 30°.

Совместное ступенчатое использование тепла природного газа. Газ сжигают в тех­нологической печи. Продукты сгорания, отводимые из печи, используют по двум схемам.

Первая схема. Уходящие газы, отводимые из печи, направляют для исполь­зования в паровой котел.

Вторая схема. Уходящие газы, отводимые из печи, направляют для исполь­зования в паровой котел, а затем уходящие газы, покидающие котел, направляют в кон­тактный водонагреватель для дальнейшего использования физического тепла, а также скрытой теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах горения при­родного газа.

Подсчитать потери тепла с уходящими газами при раздельном и ступенчатом ис­пользовании тепла, а также установить видимый и истинный коэффициент использова­ния топлива при конденсации в водонагревателе 70% пара и температуре уходящих га­зов 40°.

Решение

Раздельное использование природного газа. Рассмотрим два случая,

А) Потери тепла с уходящими газами, отводимыми из печи = 0,01 (г2 — «,) 1 = 0,01 (1000-30) 5,08 = 49,3%.

Отсюда, коэффициент использования топлива в печи при полноте сгорания природ­ного газа

6) Потери тепла с уходящими газами, отводимыми из котла

Дг = 0,01 (200-30) 4,84 = 8,2%.

Следовательно, коэффициент использования топлива в котле при полноте сгораниж газа равен

К. и.т. = 100-8,2 = 91,8%.

Ступенчатое использование природного газа. Рассмотрим две схемы.

Первая схема. Потери тепла с уходящими газами, отводимыми из печи в котел и попадающими котел с температурой 200°, равны 8,2%.

Следовательно, суммарный к. п.д. использования природного газа в установке равев 91,8%. Повышение эффективности использования гааа по комплексной схеме в этих условиях обусловлено устранением потерь тепла с уходящими газами, отводимыми из пе­чи с высокой температурой.

Вторая схема. Потери тепла с уходящими газами по отношению к низшей теплоте сгорания топлива равны

<72 = 0,01 (40-30) 4,84 = 0,48^0,5%.

Для подсчета теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сго­рания природного газа в количестве около 2 нм2 на каждый 1 нм? сжигаемого газа, уста — иавливаем по табл. 10 отношение высшей теплоты сгорания водорода, входящего в состав углеводородов природного газа, в воду и низшей теплоты сгорания, подсчитываемой с учетом сгорания водорода в водяной пар. Это отношение для природного газа равно 111% Следовательно, различие между высшей и низшей теплотой сгорания, соответствующее теплоте конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания природного газа, равно 11% по отношению к низшей теплоте сгорания газа.

Согласно условию, 70% водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания при­родного газа, конденсируется в контактном экономайзере. Следовательно, в контактном экономайзере улавливается дополнительно 11-0,7 = 7,7% тепла по отношению к низ­шей теплоте сгорания сжигаемого газа.

В соответствии с этим кажущийся коэффициент использования тепла природного газа по второй схеме комплексного использования тепла равен

К. и.’ = 100 — 72 + ?конд = 100 — 0,5 + 7,7 = 107,2%.

Истинный коэффициент использования топлива, подсчитанный на основе не ниа шей, а высшей теплоты сгорания природного газа, т. е. с учетом теплоты конденсации водяного пара, образующегося при сгорании водорода,

<?В

К. и.т. — ту — = 107,2 : 1,11 = 96%.

V н

Суммарные потери тепла с уходящими газами по отношению к высшей теп­лоте сгорания сжигаемого топлива складываются из располагаемого тепла продуктов сгорания д и потерь тепла, обусловленных остаточным содержанием в продуктах сгорания не полностью сконденсировавшегося в контактном эко­номайзере водяного пара [170].

Указанные потери тепла при сжигании природного газа можно подсчитать по расчетной табл. 123 и формуле

= (*у. г — ^в) ^ + <7′ % .

Подсчет 3. Контактный экономайзер.

Определить потери тепла с уходящими газами и коэффициент использования топли­ва в котельной установке с контактным экономайзером по отношению к высшей теплоте сгорания природного газа, если температура уходящих газов 40°, температура воздуха 30°, содержание С02 в продуктах полного сгорания равно 9,6%.

При температуре продуктов сгорания 40° и содержании СОг = 9,6% величина Ъ по табл. 123 равна 0,042 и д’ = 4,2.

Соответственно

= (40 — 30).0,042 + 4,2 = 4,6%;

К. и.т. = 100—4,6 = 95,4%.

По мнению автора, наступающий период развития техники использова­ния газа характеризуется следующими положениями.

1. Природный газ становится основным видом топлива для ряда ваншен — ших отраслей промышленности.

2. Широкая сеть газопроводов, кольцевание газовых сетей и создание подземных газохранилищ позволяют отказаться во многих районах| страны от применения резервного топлива для технологических печей и промышлен­ных котлов.

3. Надежное обеспечение газом позволяет широко внедрить наиболее эффективное оборудование, спроектированное специально для работы на газообразном топливе, и применить прогрессивные методы использования газа, в том числе ступенчатое использование тепла бессернистых продуктов сгорания природного газа.

4. Продукты сгорания, отводимые из высокотемпературных установок, целесообразно использовать в низкотемпературных процессах, устранив расход газа или других энергоносителей, применяемых для отопления этих установок.

5. Суммарный к. п.д. ступенчатых установок можно довести до 95% по отношению к высшей теплоте сгорания природного газа. В этих условиях К а Ж у Щ И. Й С Я, или видимый, к. п.д., определяемый по стандарт­ной методике по отношению к низшей теплоте сгорания, может превышать 100%.

6. Капиталовложения, необходимые для создания установок ступенча­того использования тепла продуктов сгорания, примерно в 10 раз меньше вложений, необходимых для добычи сэкономленного топлива.

7. Применение ступенчатых методов использования тепла продуктов сго­рания позволяет существенно повысить народнохозяйственную эффектив­ность при замене природным газом других видов топлива.

8. Опыт работы ряда промышленных установок подтвердил высокую эф­фективность методов ступенчатого использования тепла продуктов сгорания.

9. При проектировании новых и реконструкции действующих предприя­тий следует предусматривать размещение газоиспользующих установок, по­зволяющее осуществить ступенчатое использование тепла продуктов сгорания природного газа.

10. Целесообразно осуществлять ступенчатое использование тепла на дей­ствующих предприятиях при наличии потребителей низкопотенциального тепла вблизи от высокотемпературных установок.

11. Охлажденные до низкой температуры продукты полного сгорания при­родного газа можно применять в качестве инертных газов в промышленности и в качестве дарового углекислотного удобрения. Этот вопрос рассмотрен в гл. XXXIV.

12. Экономию газа, достигаемую при осуществлении ступенчатых мето­дов использования тепла, можно легко установить на основе упрощенной ме­тодики теплотехнических расчетов по снижению температуры уходящих газов.