熱力學(xué)分析在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

時(shí)間：2024-08-01 05:34:03 物理畢業(yè)論文我要投稿

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　　能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析是根據(jù)熱力學(xué)原理對各種能量系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，以明確系統(tǒng)各部位的能量損失狀況，下面是小編搜集整理的一篇探究鍋爐系統(tǒng)中熱力學(xué)分析應(yīng)用的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　摘要：熱力學(xué)分析主要包括以能量平衡為基礎(chǔ)的能分析法和以平衡為基礎(chǔ)的分析法。本文定性分析了兩種方法的區(qū)別，并通過對某電廠鍋爐系統(tǒng)的熱力學(xué)分析，定量得出能分析和分析的區(qū)別。文中詳細(xì)論述了進(jìn)行系統(tǒng)熱力學(xué)分析的意義，歸納了熱力學(xué)分析的方法、內(nèi)容及步驟。

　　關(guān)鍵詞：能分析分析能效率效率損失

　　引言

　　隨著人們節(jié)能意識的不斷提高，為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，人們將熱力學(xué)原理應(yīng)用于工程實(shí)際各能量系統(tǒng)的分析中。能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析是根據(jù)熱力學(xué)原理對各種能量系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，以明確系統(tǒng)各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標(biāo)，對所研究的系統(tǒng)進(jìn)行客觀評價(jià)。

　　1 熱力學(xué)分析的方法、內(nèi)容

　　熱力學(xué)分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎(chǔ)的叫做能分析法，它是傳統(tǒng)的分析方法，依據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析。而以平衡為基礎(chǔ)的叫做分析法，是近些年發(fā)展起來的一種方法，依據(jù)熱力學(xué)第二定律，是對能量“質(zhì)”的分析[1][2]。

　　1.1 能分析法

　　能分析法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，應(yīng)用熱平衡原理，并以熱效率為基本評價(jià)準(zhǔn)則，分析、評價(jià)系統(tǒng)能量有效利用狀況的方法。它依據(jù)能量系統(tǒng)建立熱力學(xué)模型，進(jìn)行能量平衡計(jì)算，得出系統(tǒng)的熱效率和各項(xiàng)熱損失，得到系統(tǒng)熱損失的分布，從而找出系統(tǒng)中熱損最大的薄弱環(huán)節(jié)和部位，為改進(jìn)設(shè)備和系統(tǒng)的用能狀況提供技術(shù)依據(jù)。

　　1.2 分析法

　　分析法是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熱力學(xué)分析法。它是依據(jù)能量中的平衡關(guān)系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統(tǒng)或裝置的利用效率。

　　分析法的主要內(nèi)容有[3]：

　�、龠M(jìn)行物流、熱量衡算，確定輸入、輸出體系中各種物流量、熱流量、功流量以及各物流的狀態(tài)參數(shù)(如溫度、壓力、組成等)。

　�、诹饔�(jì)算。

　�、塾善胶夥匠檀_定過程的損失。

　�、艽_定效率。

　　參與用能系統(tǒng)的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統(tǒng)內(nèi)流。

　�、佥斎肓黝悾菏侵赣赏饨绲脑�，物流穿過系統(tǒng)邊界而進(jìn)系統(tǒng)的。

　�、谳敵隽黝悾菏侵赣上到y(tǒng)通過邊界向外輸出的。

　　③系統(tǒng)內(nèi)部類：是指系統(tǒng)的輸入于輸出之差的部分。

　　1.3 兩種熱力學(xué)分析法的比較

　　兩種熱力學(xué)分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統(tǒng)的總損失，進(jìn)而確定損失的分布。并通過計(jì)算出的效率有效利用率來評價(jià)系統(tǒng)的完善程度。但能分析法只是從不同質(zhì)的能量在數(shù)量上的守恒來計(jì)算損失，因而只計(jì)算外部損失而忽視了內(nèi)部損失，其評價(jià)指標(biāo)也只是計(jì)算了被利用部分能的數(shù)量和輸入能的數(shù)量而忽略了其質(zhì)量的變化，即忽略了過程的不可逆性所帶來的損失。而且能效率的分子分母常常是不同質(zhì)的對比，不能準(zhǔn)確地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解決上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科學(xué)、更深入也更全面，它能準(zhǔn)確地揭示損失的原因、部位以及指出改進(jìn)方向等。分析方法既可以進(jìn)行系統(tǒng)分析，又可以進(jìn)行優(yōu)化綜合，它可以很便捷地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，與經(jīng)濟(jì)因素結(jié)合后還可作設(shè)備全壽期成本統(tǒng)計(jì)等[4]。

　　隨著節(jié)能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動(dòng)力、制冷技術(shù)、石油化工和冶金等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，有些國家已經(jīng)將方法用于熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)分析當(dāng)中，而我國火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的分析方法實(shí)際上都是基于熱力學(xué)第一定律的分析方法，其存在的缺點(diǎn)是不能揭示內(nèi)部不可逆性大小，不能反映能質(zhì)的蛻變情況，不能體現(xiàn)不可逆性對經(jīng)濟(jì)性造成的影響。因此對熱力系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，根據(jù)分析結(jié)果所提出的問題采取相應(yīng)的措施提高熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。

　　2 鍋爐系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

　　2.1 原始數(shù)據(jù)

　　某電廠鍋爐，其出口蒸汽壓力為p=13.72MPa，溫度為330℃，給水溫度tw=215℃，尾部排煙溫度為135℃，過熱蒸汽量為410t/h，空氣預(yù)熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過�？諝庀禂�(shù)為1.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時(shí)燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發(fā)熱量QL=18636

　　kJ/kg，全水分ω=4.9%。環(huán)境溫度為19℃，依據(jù)上述數(shù)據(jù)分別對此鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行能分析和分析。

　　2.2 分析計(jì)算

　　設(shè)圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質(zhì)量流量;而ha、hs、hg分別表示相應(yīng)物質(zhì)的焓，QL為燃煤的低位發(fā)熱量，QB是損失的熱量;ef、ea、es、eg和ew表示相應(yīng)各物質(zhì)流的比，IQ為向環(huán)境散失熱量而引起的損失。由題設(shè)得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考慮鍋爐排污損失mw=ms=410000kg，由已知溫度查表得：

　　ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/(kg・k) hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/(kg・k)，hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/(kg・k)，ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/(kg・k)

　　圖1 鍋爐的能量平衡

　　圖2 鍋爐的平衡

　　按照圖1所示的鍋爐能量平衡關(guān)系，得出能量平衡方程：

　　mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB (1)

　　其中QB、mghg為損失的能量，而mshs-mwhw=ms(hs-hw)為有效利用的能量，則該鍋爐的能效率為：

　　η=

　　=1.91(2)

　　按照圖2所示的鍋爐平衡關(guān)系，可以寫出下面的平衡方程：　　mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB(3)

　　式中IB表示整個(gè)鍋爐內(nèi)部過程總的損失�？紤]到mw=ms，則鍋爐內(nèi)部過程總損失為：

　　IB=mfef+maea-ms(es-ew)-mgeg-IQ(4)

　　該鍋爐的目的效率η應(yīng)為：

　　η= (5)

　　由于es=(hs-h0)-T0(Ss-S0)，ew=(hw-h0)-T0(Sw-S0)兩式相減得：

　　es-ew=(hs-hw)-T0(Ss-Sw) (6)

　　用(5)對應(yīng)除以(2)可得：

　　η=η (7)

　　將(6)式代入上式，則有：

　　η=η(1-T0) (8)

　　代入數(shù)據(jù)得：

　　ea=(ha-h0)-T0(sa-so)

　　=(509.4kj/kg-292.25kj/kg)-292.3(7.2245-6.6732)

　　=56.01

　　η=η(1-T0)

　　=0.91(1-)

　　=0.69

　　3 結(jié)論

　　從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然是對同一臺鍋爐進(jìn)行效率計(jì)算，但能效率和效率相差很大，能效率為91%而效率僅為69%，能效率的計(jì)算主要取決與鍋爐排煙向外界散熱的多少，主要考慮的是能量“數(shù)”的變化。但效率則不同，它不僅考慮了鍋爐燃燒過程中的外部損失，而且考慮了燃燒、傳熱等鍋爐內(nèi)部各個(gè)過程所造成的不可逆損失。實(shí)際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項(xiàng)就是燃料燃燒和傳熱造成的損失，所以雖然從能效率即能量的數(shù)量上來看鍋爐損失的不多，但這部分能量都是高品位的能量，價(jià)值都很高[7][8]。

　　由此可見，效率比能效率更能完善地反映鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性。所以，通過系統(tǒng)分析計(jì)算，找出損高的部位，采取相應(yīng)措施進(jìn)行改善。對目前我國火電機(jī)組熱力系統(tǒng)分析具有十分重要的意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]鄭體寬.熱力發(fā)電廠.中國電力出版社，2001.

　　[2]郭民臣，魏楠.電廠熱力系統(tǒng)矩陣熱平衡方程式及其應(yīng)用[J].動(dòng)力工程，2002，22(2)：1733-1738.

　　[3]杜亞榮.600MW機(jī)組熱力系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與優(yōu)化.碩士學(xué)位論文，保定：華北電力大學(xué)動(dòng)力系，2007.

　　[4]朱明善.能量系統(tǒng)的分析.清華大學(xué)出版社，1988.

　　[5]林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

　　[6]孫實(shí)文，林萬超.火電廠熱力系統(tǒng)定量分析通用模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，30(5)：123-125.

　　[7]王加璇，張樹芳.方法及其在火電廠中的應(yīng)用.水利電力出版社，1993.

　　[8]朱明善，陳宏芳.熱力學(xué)分析.北京：高等教育出版社，1992.

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