热工设备与节能技术第五章

1、第五章第五章 热平衡与能量分析热平衡与能量分析一、热平衡内容和意义一、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，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）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。作的

2、重要依据。 二、常用术语及热平衡技术指标二、常用术语及热平衡技术指标1.常用术语常用术语 (1)(1)体系体系 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，边界线以外的物个地区。体系应有明确的边界线，边界线以外的物质称外界。质称外界。 (2) (2)供给能量供给能量 供给能量又称供给热，以供给能量又称供给热，以QgQg表示。它是指由能源供给的能量。包括表示。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燃料热能和一切由燃料热能转换来的二次能

3、源( (如蒸汽、电等如蒸汽、电等) )的总和。的总和。 (3)(3)等价热值和当量热值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。个统一的计量单位，即把二次能源折算为相应的热值。 1 1）等价热值等价热值 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，可表示为一次能源的热量，可表示为 例如例如:1kwh(1:1kwh(1度电度电) )的等价热值为的等价热值为12.544MJ1

4、2.544MJ。这是按目前凝汽式。这是按目前凝汽式机组发电的平均效率机组发电的平均效率28.728.7计算出来的。计算出来的。 2)2)当量热值当量热值 当量热值只考虑能量间的数量关系。例如当量热值只考虑能量间的数量关系。例如lkw.hlkw.h电能的当量热值是电能的当量热值是3.6MJ3.6MJ。 (4)(4)有效能量有效能量 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的能量, ,以以Qy表示表示。 这里的工艺是指某些特定的工艺机制，如蒸发、干燥、加热等。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

5、热大致可分为下列几种：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、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。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。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。料干燥、漆膜溶剂挥发的烘干机等。 (5) (5)输入能量输入能量输入能量又称全入热，以输入能量又称全入热，

6、以QrQr表示，是指进人体系的全部能量。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。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。和节能潜力情况。 （1）生产率和单位生产率）生产率和单位生产率 1）生产率）生产率 工业炉窑的生产率即单位时间的产量，工业炉窑的生产率即单位时间的产量，用用G G示，示，其单位是其单位是kgkgh h，t th h，t td d。 2 2）单位生产率）单位生产率 为了排除炉子大

7、小对生产率的影响，有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，用在单位时间内的产量，用g g表示，其单位是表示，其单位是kgkgm m2 2hh，kgkgm m3 3hh或或t tm m2 2dd，t tm m3 3dd。（2）燃料消耗量）燃料消耗量 指单位时间消耗的燃料量，用符号指单位时间消耗的燃料量，用符号B B表示，其单位是表示，其单位是kg/hkg/h或或NmNm3 3/h/h。单位燃耗单位燃耗，指单位产品产量的燃料消耗量，用符，指单位产品产量的燃料消耗量，用符b表示

8、，即：表示，即： 单位热耗单位热耗，指加热或熔炼单位产品产量燃料燃烧的放热量，指加热或熔炼单位产品产量燃料燃烧的放热量，用符号用符号q表示，即表示，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。标之一。（3 3）能量利用率）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。能量利用率有不同的表示方法，下面介绍最常用的两种。 1 1）热效率）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。用能水平的主要指标。2 2）装置能量利用率）

9、装置能量利用率ee 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的热效率100%100%，这显然是不正确的，若采用装置能量利用率就比较合理。，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。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 4）回收率）回收率 常采用下列各种回收率：常采用下列各种回收率：3.两种不同类型的热平衡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、重热回工业炉窑的热平衡

10、，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：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；）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。）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三、热平衡测定内容及步骤1.1.建立体系的热平衡框图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，如图结在框图上，如图

11、2 2l l所示。所示。 物料带入体系的能量物料带入体系的能量QmrQmr，画在，画在框图的左侧；物料带出体系的能量框图的左侧；物料带出体系的能量QmcQmc，画在右侧；供给热，画在右侧；供给热QggQgg，画在下，画在下侧；体系排出的能量侧；体系排出的能量QpcQpc，画在上侧；，画在上侧；体系回收的余热和重热体系回收的余热和重热QhsQhs，画在框，画在框图内。图内。 由能量平衡可得：由能量平衡可得：2.2.建立热平衡方程建立热平衡方程 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；式恒成立；在稳定热工况下，体

12、系内能不变，于是：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。提供了具体内容。例如：物料带入热例如：物料带入热QrQr=m(c=m(c1 1t t1 1-c-c0 0t t0 0) )，影响因素：物料量，影响因素：物料量m m，比热，比热c c，温度，温度t t。3.3.热平衡测试热平衡测试 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

13、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。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。正平衡法不得大于衡法不得大于4 4，反平衡法不得大于，反平衡法不得大于6 6，正反平衡法不得大于，正反平衡法不得大于5 5。若符合以上要求，热效率可取两次测定的平均值。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、内试验负责人应事先制

14、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。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。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。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。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。4.4.热平衡计算热平衡计算 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。出各项能量结果。计算必须采用统一的单位，避免出错

15、。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，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。应查明原因后重作。 5.5.绘制热平衡表绘制热平衡表 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。平衡表，以便考查和对比分析。四、热平衡测试实例四、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：为：热平衡测试数据如表所示热平衡测试数据如表所示解：热平衡计

16、算解：热平衡计算1.排烟处过剩空气系数，由下式计算得：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：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：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：实际烟气量，由燃料燃烧计算公式得：5.实际干烟气量：实际干烟气量：6.每小时进入炉内的空气量为：每小时进入炉内的空气量为： (2)体系收入热量体系收入热量1.燃料供给热量燃料供给热量2.空气带入物理热，即外界冷风入炉温度下带入的显热：空气带入物理热，即外界冷风入炉温度下带入的显热：3.物料物料带入的显热：带入的显热：4.金属化学反应放热：金属化

17、学反应放热： (3)体系支出热量体系支出热量1.物料带出热物料带出热:2.气体不完全燃烧热损失：气体不完全燃烧热损失：3.固体不完全燃烧热损失：固体不完全燃烧热损失：4.水冷热损失：水冷热损失：5.炉体散热损失：炉体散热损失：侧墙炉壁与环境温度差，由测试数据得：侧墙炉壁与环境温度差，由测试数据得：由图由图55查得炉壁散热热流密度为：查得炉壁散热热流密度为：炉顶与环境温度差为：炉顶与环境温度差为：由图由图55查得炉顶散热热流密度为：查得炉顶散热热流密度为：所以：所以：预热段散热损失预热段散热损失 用上述方法分别求出预热段的侧墒、炉项与环境温度差为用上述方法分别求出预热段的侧墒、炉项与环境温度差为

18、60和和100， 侧墙与炉顶散热热流密度为侧墙与炉顶散热热流密度为0.8kWm2和和1.8kwm2，所以该段散热损失为：所以该段散热损失为：同理，换热器部分的散热损失为：同理，换热器部分的散热损失为： 炉窑的出料炉门、进料炉门和看火炉窑的出料炉门、进料炉门和看火炉门三处有辐射热损失。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出料炉门辐射热损失，根据实测出料炉门宽为3.5m3.5m，墙厚为，墙厚为464mm464mm，其二者之比为：，其二者之比为：6.炉体孔洞辐射热损失：炉体孔洞辐射热损失：同理，进料炉门辐射热损失为：同理，进料炉门辐射热损失为： 看火炉门看火炉门( (两个

19、两个) )辐射热损失，看火炉门宽为辐射热损失，看火炉门宽为0.464m0.464m，炉墙，炉墙厚度为厚度为0.464m0.464m，二者之比为，二者之比为0.464/0.4640.464/0.4641 1，由图，由图5 56 6查得查得0.550.55，代入下式求得看火炉门的辐射热损失。，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孔洞辐射热损失共计 7.逸气热损失：逸气热损失：两个看火炉门开启时有逸气热损失。根据两个看火炉门开启时有逸气热损失。根据测试结果，其中测试结果，其中H0.3m，b0.464m，取取0.82。逸气。逸气温度温度ty1300，炉外空气，炉外空气(即环境即环境)温

20、度温度tk20 ，Pb0。开启炉门和垂直裂缝逸出气体量：开启炉门和垂直裂缝逸出气体量：水平裂缝逸气量为水平裂缝逸气量为0。故，可求出逸气热损失：故，可求出逸气热损失：8.排烟热损失，排烟热损失，可按下式计算：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。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：量可用下式计算： (5)热效率热效率钢材加热炉的有效热量，可按下式计算：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供给钢

21、材加热炉的热量QggQgg，即为燃料输入热和空气带入，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。热，同时还包括钢材的化学反应放热。(6)单位燃耗单位燃耗(7)热平衡计算结果汇总表热平衡计算结果汇总表五、工业炉的节能途径和措施五、工业炉的节能途径和措施1.降低工业炉的传热降低工业炉的传热 损失损失 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，传热不可逆差越大，传热不可逆 损失也越大。损失也越大。2.回收烟气余热回收烟气余热 由工业炉热平衡可知，随着排烟温度的升高，排烟热损增由工业炉热平衡可知，随着排烟温度的升高，排烟

22、热损增大，工业炉的排烟温度大，工业炉的排烟温度般都比较高，排烟热损失占般都比较高，排烟热损失占2030左右。左右。 （1）烟气余热的利用途径：）烟气余热的利用途径： 可用来可用来预热物料、预热燃烧用的空气、生产热水或蒸汽等。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）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：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

23、率。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）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。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。低产品单位能耗。3.减少冷却水的热损失减少冷却水的热损失 工业炉窑中冷却水的热损失较

24、大，一般占总热景的工业炉窑中冷却水的热损失较大，一般占总热景的5以上，以上，采用新材料或采取绝热等措施来减少冷却热损失。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。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，温窑炉（如

25、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。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，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。减少这些设备的吸热，以提高燃抖的有效利用率。六、热能利用分析六、热能利用分析1.热效率及相关因素热效率及相关因素 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，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。找出影响工业炉窑热效率的主要因素。 式中供给热式中供给热QggQgg有两种情况：有

26、两种情况： （1 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，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，即即 QggQggQdwQdwV Vk kC Ck kt tk k； （2 2）当无空气预热时，供给热等于燃料发热量，即）当无空气预热时，供给热等于燃料发热量，即QggQggQdwQdw。 设设q 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。排烟带走热量。%100ggyxQQ21%100qQQqQQyxggggyx将热效率公式分子分母分别乘以将热效率公式分子分母分别乘以q，则有：，则有： 式中式中1称为燃料利用系数；称为燃料利用系数； 2 2称为热利用系数。它们各自的物理称为热利用系数。它们各自的物理意义十分明确。意义十分明确。 建立炉子热平衡方程：建立炉子热平衡方程：ssyyygbqbyxkkkydwQtcVQQQtcVQ 式中式