1.1.4.1 Нагрев компонентов горения
По замкнутому варианту тепло
отходящих газов используется для нагрева компонентов горения (рисунок 1.14).
РК – рабочая камера, ЗТИУ – теплоиспользующая
установка,
Т – топливо, ХВ и ГВ – холодный и подогретый (горячий) воздух,
ТМ
и ТП – технологический материал и технологический продукт,
ОГ
и УГ – отходящие и уходящие газы.
Рисунок 1.14 – Принципиальная схема замкнутого теплоиспользования
Физическое тепло компонентов
горения, нагретых в теплоиспользующей установке за счет тепла отходящих газов,
замещает собой часть химически связанного тепла топлива и уменьшает его расход
в РК (
) на величину:
. (1.37)
Уходящие газы имеют более
низкую температуру и, следовательно, меньше теряется тепла в окружающую среду (
).
Тепловой к.п.д. ВТТУ по
варианту замкнутого теплоиспользования равен:
(1.38)
где 
- тепло уходящих газов в варианте замкнутого
теплоиспользования.
При
замкнутом теплоиспользовании подогреву подвергается в основном воздух
(дутьевого), расход которого при сжигании газообразных топлив с большой
теплотой сгорания (например, природный газ) на порядок больше объема самого топлива.
Подогрев газообразного топлива с низкой теплотой сгорания осуществляется в
случае необходимости достижения высокого температурного уровня в рабочей
камере.
Общая схема подогрева воздуха в теплоиспользующей установке (нагреватель дутья – регенератор, рекуператор, Каупер) представлен на рисунке 1.15.
Рисунок 1.15 –
Схема ВТТУ с нагревателем дутьевого воздуха (НД)
В рассматриваемом варианте
при включении системы регенерации количество осваиваемого в рабочей камере
тепла не изменяется, так как изменением величины потерь тепла непосредственно в
рабочей камере можно пренебречь:
, (1.39)
где 
- потери тепла в рабочей камере в окружающую среду и с
охлаждающей водой в кессонах.
Если принять, что технологические отходы в технологическом
процессе не образуются (
) и в материала не происходят эндотермические преобразования
(
), то:
, (1.40)
где 
- полезно использованное тепло.
Освоенное в рабочей камере тепло можно также определить по
расходу топлива, учитывая, что теплота сгорания топлива используется до 
(температуры
отходящих из камеры газов).
Для технологического процесса, осуществляемого с холодным
дутьем (без регенерации тепла) количество освоенного тепла равно:
, (1.41)
где 
- производительность агрегата без регенерации тепла,
- удельный расход
топлива на единицу продукции.
При регенеративном теплоиспользовании в рабочую камеру с дутьевым воздухом возвращается часть тепла отходящих газов, равная:
. (1.42)
Использование для сжигания топлива горячего дутьевого воздуха позволяет не только повысить температурный уровень в рабочей камере, но и интенсифицировать теплообмен:
,
,
, (1.43)
где 
- средняя эффективная температура в рабочей камере ВТТУ,
- эмпирический показатель, зависящий от типа
ВТТУ,
- плотность теплового потока к
технологическому материалу
(продукту)
- приведенный коэффициент теплового излучения.
Так как в ВТТУ основным видом теплообмена является лучистый теплообмен, то увеличение плотности теплового потока сокращает время тепловой обработки технологического материала. Одновременно сокращается время протекания массообменных процессов, так как скорость химической реакции является функцией температуры и возрастает с ее увеличением. Таким образом, подогрев воздуха увеличивает скорость протекания технологического процесса и, как следствие, производительность ВТТУ.
С учетом регенерации тепла и изменения производительности ВТТУ количество освоенного тепла в рабочей камере, работающей на горячем дутье, равно:
,
(1.44)
где: 
- производительность
агрегата с регенерацией,
- удельный расход
топлива на единицу продукции.
Так как количество освоенного в рабочей
камере тепла практически не зависит от регенерации 
, то:
. (1.45)
Из
формулы (1.45) можно определить удельный расход топлива на единицу продукции в
варианте с подогревом дутьевого воздуха:
. (1.46)
Из последнего выражения
можно оценить степень снижения расхода при включении системы регенерации тепла:
Таким образом, замкнутая
(регенеративная) схема теплоиспользования обеспечивает снижение удельного
расхода топлива по двум причинам:
1.
За
счет более глубокого использования тепла отходящих газов;
2.
За
счет повышения производительности агрегата из-за повышения температурного
уровня в рабочей камере.
Необходимо отметить, что
регенеративный нагрев компонентов горения имеет определенные ограничения по
технико-экономическим соображениям.
Коэффициент регенерации тепла отходящих газов можно оценить
по формуле:
, (1.47)
где 
- коэффициенты избытка воздуха в горелочном устройстве и в
отходящих газах,
- теоретические
объемы воздуха и продуктов горения при 
,
- теплоемкость воздуха
и продуктов сгорания, соответственно.
К.п.д. регенерации всегда
меньше единицы, так как 
из-за наличия
присосов воздуха в ВТТУ (в большинстве случаев работает под разрежением), а
теплоемкость продуктов горения (в основе своей многоатомные газы) выше, чем у
воздуха (двухатомный газ). Кроме того, температура отходящих газов по условиям
теплообмена должна быть больше температуры подогрева воздуха. Даже при условии
равенства температур продуктов сгорания и воздуха, что возможно при бесконечно
большой поверхности нагрева НД, коэффициент регенерации всегда меньше единицы.
Реальная степень регенерации тепла при сжигании природного газа и мазута
составляет 0,5, что соответствует соотношению температур отходящих газов и
горячего воздуха 
менее 0,7.
Тепловой к.п.д. ВТТУ с
замкнутым теплоиспользованием определяется по формуле:
. (1.48)
В ряде
технологических процессов отходящие газы содержат горючие компоненты
(конвертерный, коксовый или доменный газы). Химически связанную энергию этих
газов целесообразно использовать в других теплотехнологических агрегатах или
для нагрева собственных компонентов горения. Так, например, доменный газ может
использоваться не только в мартеновских или нагревательных печах, но и для
нагрева воздуха, подаваемого в доменную печь. Воздух нагревается в специальных
подогревателях, называемых Кауперами, при сжигании доменного газа. Так как
Кауперы устанавливаются отдельно за пределами доменной печи, то они получили название
«автономные нагреватели дутья (АНД)». Принципиальная схема ВТТУ с АНД
представлена на рисунке 1.16.
Рисунок 1.16 – Схема замкнутого теплоиспользования с АНД
В схеме с автономным
подогревом воздуха удельный расход топлива уменьшается до равновеликого:
. (1.49)
Однако технологические газы (отходящие газы), содержащие горючие компоненты, представляют собой вторичное топливо. Поэтому суммарный расход топлива на ВТТУ возрастает:
, (1.50)
где ∆b - удельный расход технологического
газа на единицу продукции.
Целесообразность использования технологического газа в качестве топлива для автономного нагрева воздуха определяется на основе технико-экономических расчетов. При этом следует иметь в виду, что стоимость вторичного энергоресурса (технологического газа) много меньше стоимости основного топлива.