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锅炉的熵产及其环境影响分析


2006 年第 6 期 节     能             EN ERG Y CONSERVA T ION                         — 11 — ( 总第 287 期)

锅炉的熵产及其环境影响分析
刘尔新 , 王承阳 ( 1. 沈阳市供热管理办公室 , 辽宁 沈阳 110000 ; 2.东北大学工程热物理研究所 , 辽宁

沈阳 110004)
摘要 : 指出锅炉等设备的生产过程会对自然环境状况造成影响 , 这种影响的综合效果可以 用由于该 生产 过程所导 致的周围环境内的熵增加来衡量 。 依据热力学 理论 , 归纳了 进行供 热锅炉 熵产与熵 流分析 计 算的一般方法 。 该方法也可以供其他类型生产过程进行熵分析时参考 。 关键词 : 热力学 ; 熵产 ; 锅炉 ; 环境 中图分类号 : T K 123  文献标识码 : A  文章编号 : 1004 -7948( 2006) 06 -0011 -02
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1 引言 人类活动所产生的熵可以作为人类活动对自然 生态系统综合破坏程度的量度 。 如果对人类的每一 项活动尤其是工业活动进行熵分析 , 我们就可以有 选择地加强那些可以减少熵产生 、 有利于自然生态 系统进化的活动 ; 控制那些产生大量的熵而导致自 然生态系统退化的活动 , 使整个自然生态系统持续 地发展下去[ 1 ~ 3] 。 锅炉被普遍应用于各行各业 , 尤其是电力行业 和城市供热行业 。 锅炉运行的总能耗占整个国内能 源消费总量的一半以上 , 其污染排放也在排放总量 中占有重要比重 。 对这样一种设备的生产过程进行 熵产及其对环境影响的分析研究 , 在一定程度上可 以定量地认识该设备的环境综合影响情况 , 也为开 展其他设备的熵产分析探索途径 , 进而可以开展工 序、 流程的熵产分析 。 这项研究与以往 的导热 、对流 、燃烧 、扩散 、分 离、 容积变化 、 速度变化等单元操作过程研究不同 。 以往的研究集中于这些过程本身的变化规律如传输 系数 、 物理量场的分布规律等 , 而熵的有关变化规律 与过程之外的环境状况有密切的关系 。 关于熵的研 究 , 目前国际国内学术界一直把注意力放在单体传 热设备的熵平衡 , 而且是工程背景很弱的纯学术研 究上 , 至于把熵和自然生态系统进化联系起来且落 实到工业过程的环境综合效应评价的研究思路 , 还 有待开拓 。 2 生产过程熵产分析的一般原理 热力学理论认为 , 与周围环境状况不一致的物 质体系都会自发地向周围环境状况变化 。 这个变化 过程中 , 包括物质体系和周围环境在内的孤立系统 的总熵将逐渐增加 , 当物质体系与周围环境状况相

同时 , 孤立系统总熵增加到最大值 , 变化过程终止 。 当物质体系的熵逐渐减少时 , 该体系就会从周围环 境中分离出来 , 形成自组织结构 。 为了维持孤立系 统总熵增加的要求 , 周围环境必须出现更多的熵增 加 , 包括物质体系排出的全部熵和体系排放导致的 周围环境内产生的熵 。 这个熵增加可以作为其对地 球生物圈这个自然生态系统造成的综合破坏程度的 量度 。 一般地 , 将生产过程体系及其周围环境视为一 个孤立系统( 如图 1 所示) , 其各部分熵增为 :

图 1  生产过程体系与周围环境的熵关系

生产过程体系熵增 ΔS pro =∑S f , pro +ΔS g , pro ; 周围环境熵增 ΔS sur =∑S f , sur +ΔS g , sur ; 孤立系统熵增 ΔS iso =∑S pro +ΔS sur 。 其中孤立系统熵增 ΔS iso 始终大于零 。 需要注 意的是 , 熵流在通过生产过程体系边界前后并不相 同 , 不仅符号相反 , 而且数值也发生很大变化 。 这就 是熵分析比热分析复杂的原因 , 熵分析中不存在守 恒关系 。 3 锅炉的熵分析 3. 1 锅炉本体的熵分析 锅炉热力系统构成如图 2 所示 。 给水 、燃煤和 空气的进入会带入熵 , 热水 、散热 、排烟和灰渣则带 出熵 , 其中给水和热水不参与化学反应 , 可以按其热

节     能 2006 年第 6 期                   ENERGY CON SERV AT IO N              — 12 — ( 总第 287 期) 力性质表计算 。 燃煤 、 空气及排烟 、 灰渣等属于反应 物和生成物 , 需要按它们的标准熵和热力状态来进 行计算 。 V py — 烟气量 , m 3/ h ; C p , sm o — 烟气的定压体积比热 , kJ/( m 3 ·K) ; T py —排烟温度 , K 。 ( 5) 灰渣带走的熵  S ash 与灰分的熵一样 , 应由 专门的研究分析来确定 。 ( 6) 散热损失带走熵  散热损失按《工业锅炉热 工性能试验规程( GB/ T 10180 — 2003) 》 确定 。 比较 准确的是热流计法    在锅炉内部存在燃烧过程 , 过程中生成物的标 准熵与反应物的标准熵之差为熵流动 , 过程的熵产 生则等于反应过程中有用功损失与环境基准温度之 商 。 化学反应的吉布斯自由能变化就是该反应过程 的最大有用功 , 经燃烧释放后以热的形式被生成物 吸收 , 部分形成生成物所具有的工质火用 , 吉布斯自由 能变化与该火用之差就是有用功损失 。 ( 1) 燃煤带入的熵  燃煤的主要成分为碳 、 氮、 氧、 氢、 硫、 灰分和水分 。 假定各种元素单独存在 , 且 认定灰分不参与燃烧 。 燃煤带入熵为 BC ar 0 S coal =∑ S +S gs +S hf M 式中  B — 锅炉的小时燃料消耗 , kg/ h ; Ca r — 煤的收到基含量 ; M — 摩尔质量 , g/ mol ; S —标准熵 , J/ ( mol· K) ; S gs —水分 的熵 , 可 从水 的热力 性质 表中 查 取; S hf —灰 分的熵 , 应由 专门 的研究 分析来 确 定。 ( 2) 空气带入的熵  空气的主要成分是氧气和 氮气 , 不 考 虑 其 他 气 体 , 其 体 积 分 数 近 似 定 位 21. 2% 和 78. 8 %。 空气带入的熵为 0. 212 V k 0 0. 788 V k 0 S ai r = S O2 + S N2 22. 4 22. 4 式中  V k —空气量 , m 3/ h ;
0 S0 O 2 、S N 2 — 氧气和氮气的标准熵 。 0 [ 4]

。 在测量散热强度 q1 、q2 、…、 qiF i , 其中 , F i —各区段面积 ; Ti

qn 的同时测定该表面等温区段的温度 , 然后按下式 计算散热熵 : S diss =∑ i =1 T i —各区段温度 。 锅炉本体产生熵的排放量为全部熵出入之差 , 即 S boil = ( S sm o +S ash +S hw +S diss) ( S coal +S air + S fw ) 。 3. 2 周围环境的熵变化 锅炉通过排烟 、散热和灰渣排放等向周围环境 释放热量和物质 。 环境消纳这些热量和物质也将产 生熵 。 由于此熵产生的根源是锅炉 , 故也是锅炉对 环境影响的一个组成部分 。 排烟温度最终降到环境温度 , 且烟气最终弥散 于空气之中 。 两方面都导致熵的产生 , 前者等于排 烟热损失与环境温度之商 , 后者是扩散过程的熵增 Q2 加 。 于是排烟在环境中的熵 增加量 ΔS smo = + T0 V py ∑ R ln , 其中 , R —通用气 体常数 ; 0 —烟气 22. 4 0 各组分气体在环境状况下的摩尔分数或体积分数 ; Q 2 —排烟热损失 。 散热损失同样降到环境温度 , 所导致的环境熵 Q5 增为散热损失与环境温度之商 , 即 ΔS diss = , 其中 T0 Q 5 —散热损失 。 灰渣等固体废弃物被环境消纳的过程熵增加也 包括两部分 , 即灰渣余热释放产生的熵和灰渣扩散 融合进环境而产生的扩散熵 : Q6 μ -μ 0 ΔS ash = T +∑ T 0 0 式中  Q 6 — 灰渣物理热损失 ; μ 、μ 0 — 灰渣各组分在排放时和扩散融合后 的化学势 。 锅炉运行为环境带来的总熵增加为锅炉本体熵 排 放与上述三项环境内熵增加量之和 , ΔS =S boil +
n

( 3) 给水和热水的熵  S fw 和 S hw 通过查水的热 力性质表确定 。 ( 4) 排烟带走的熵  排烟的主要成分包括氮气 、 氧气 、 二氧化碳 、 水蒸气 。 V py 0 T py S smo =∑ S +Cp , smo V py ln 22. 4 298. 15 式中   —摩尔分数或体积分数 ;

2006 年第 6 期 节     能             EN ERG Y CONSERVA T ION                         — 13 — ( 总第 287 期)

关于浮升力增强锅炉系统中湍流换热的研究
解金海 , 邬田华 , 谢  涛 ( 华中科技大学能源与动力工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘要 : 在锅炉系统中会遇到流体在一个表面加热 , 而另一 个表面 近似绝热 的环形 通道的 湍流混 合对流 。 这一问题 中由于有浮升力的存在 , 使湍流 换热被 强化 , 从而使 能源的 利用率 提高 了 。 本文 应用 Fortran 程序对锅炉内浮升力增强换热这一问题进行了数值模拟求解 。 关键词 : 锅炉 ; 混合对流 ; 浮升力 ; 数值模拟 中图分类号 : T F061. 23 ; T B115  文献标识码 : A  文章编号 : 1004 -7948( 2006) 06 -0013 -02

1 引言 在锅炉系统中经常遇到流体在一个表面加热而 另一个表面近似绝热的环形垂直通道内的湍流混合 对流传热情况 。 这种传热模式 还存在于许多 装置 中 , 如核反应堆 、 太阳能集热器及热交换器等 。 此问 题中浮升力对湍流和传热的影响是极其重要的 , 掌 握混合对流和湍流的相互影响机理对精确计算垂直 通道内的混合对流传热至关重要 。 浮升力既可以强 化传热 , 也可以削弱传热 , 这取决于具体的情况和流 动方向 。 如 , 对于流动方向与浮升力方向相反( 逆浮 升力方向) 的混合对流的情况 , 虽然靠近加热壁面流 体的流动受浮升力的阻碍 , 对流能力降低 , 但传热却 总是得到了强化 , 这一结果令人惊讶 。 而对于流动 方向与浮升力方向相同( 顺浮升力方向) 的混合对流 的情况 , 视浮升力影响的大小 , 换热既可能被强化 , 也可能被削弱 。 本文将对向下流动问题进行数值模 拟求解 。 基于向下流动传热增强的思想 , 可以得到 ΔS smo +ΔS diss +ΔS ash 。 灰渣等固体混合物的熵计算还需要深入研究 。 由于熵产生与环境状况密切相关 , 所以准确确定环 境基准物质状态和基准熵在进行生产过程熵分析时 十分重要 。 确定环境基准物质状态和基准熵时 , 应 当满足某元素的基准物质应该是该元素的最稳定的 物质且各基准物质之间不可能自发地发生化学反应 这两个要求 。 4 结论 ( 1) 锅炉等生产过程会对自然环境状况造成影 响 , 这种影响的综合效果可以用由于该生产过程所 导致的周围环境内的熵增加来衡量 。 ( 2) 依据热力学理论 , 归纳了进行供热锅炉熵产 与熵流分析计算的一般方法 。 该方法也可以供其他

一个半经验的混合对流换热系数模型 , 这一模型可 以很好地描述观察到的现象 。 下面的方程正是这一 思想的体现 Nu Nu = 1 +1. 25 ×10-5 Bo * Nu f Nu f 2 控制方程 2. 1 基本方程组 在极坐标 下 , 湍流 换热 问题 的控 制 微分 方程 组 为: ( 1) 连续性方程 :
[ 1] -2 0 . 46

1 r

( ρ rU )+ ( ρ V)=0 r z

   ( 2) 动量方程 : 2 1 ( rρ U V) ( ρ V) dp + =+ r r z dz 1 V r( μ+ μ t) +ρ g r r r ( 3) 能量方程 : 类型生产过程进行熵分析时参考 。 ( 3) 进一步的研究需要依靠灰渣等固体混合物 熵的计算方法 。 还需要准确确定环境基准物质状态 和基准熵 。 参考文献
[ 1] 王承 阳 . 工业 生产 过程 的熵 分析 [ J] . 材料 与冶 金 学报 , 2006 , 5( 1) : 18 -21 . [ 2] 楚海林 , 李军 . 基于熵 的不同工业生产模式环境影响比 较 研究[ J] . 中国工程科学 , 2005 , 7( 10) : 43 -45 . [ 3] 王承阳 . 环境污染末端治理的热力学 认识[ J] . 冶金能源 , 2003 , 22( 6): 52 -54 . [ 4] G B/ T 10180 -2003 , 工业锅炉热工性能试 验规程[ S] . 作者简介 : 刘尔新( 1971 -), 男 , 学 士学位 , 工程师 , 现从事 沈 阳市供热经营企业的资质审查工作 。 ( 收稿日期 : 2006 -04 -13)


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