Основы работы тепловыделяющих и теплоиспользующих установок

ТЕПЛОФИЗИКА

1. Основные способы передачи тепла:

- теплопроводность

- конвекция

- излучение

Основы работы тепловыделяющих и теплоиспользующих установок

(раздел 4. Юркинский В.П. Теплотехника. Техническая термодинамика:

Учеб.пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 120 с)

 

Способы нагревания и охлаждения (4.1)

Нагревание неорганическими жидкими теплоносителями.

В тех случаях, когда температуры нагрева превышают рабочие температуры

органических теплоносителей, используются неорганические вещества _

расплавленные соли и жидкие металлы. Наибольшее практическое приме-

нение из солей получила нитрит-нитратная смесь СС-4 _ тройная эвтекти-

ческая смесь, состоящая (по массе) из 40 % нитрита натрия NаNO 2, 7 %

нитрата натрия NаNO3 и 53 % нитрата калия KNОз. Эта смесь применяется

при нагреве до температур 500- 540 °С при атмосферном давлении.

Эта смесь не вызывает коррозию углеродистых сталей при темпера-

турах не выше 450 °С. При более высоких температурах смеси аппараты и

трубопроводы изготовляют из легированных сталей: хромистой и хромони-

келевой стали. При движении смеси по трубопроводам она обогревается с

помощью паровых труб, проложенных рядом (паровые спутники). Движение

солей обеспечивают специальные насосы пропеллерного типа (принуди-

тельная циркуляция). Поскольку ннтрит-нитратная смесь является сильным

окислителем, контакт ее с веществами органического происхождения не

допускается.

При нагревании до температур порядка 400 -800 °С и выше в качестве

горячих теплоносителей используются ряд жидких металлов, и их сплавы.

Эти теплоносители обладают высокой плотностью, теплопроводностью и

термической стойкостью (АЭС).

Нагревание топочными газами.

Топочные газы как нагревающие агенты используются давно. Они позволяют осуществить нагревание до температур порядка 1000 - 1100 °С при небольшом избыточном давлении.

К недостаткам топочных газов как теплоносителей можно отнести их

небольшую теплоемкость [ρ ≈ 1,3 кДж/(м3· К)] и низкие коэффициенты

теплоотдачи [α = 35 _ 60 Вт/(м2·К)], а также снижение температуры в про-

цессе теплообмена и возможность загрязнения поверхности нагрева. Из-за

низкой теплоемкости топочных газов их объемные расходы значительны и

требуют больших затрат энергии на транспортирование. Поэтому топочные

газы обычно используются непосредственно на месте их получения.

Кроме топочных газов, получаемых в технологических печах, в качестве нагревающих агентов экономически целесообразно использовать отработанные газы технологических производств и нагревательных котлов, имеющих температуры порядка 300 -600 °С.

Если температуры отработанных газов невысокие, то, используя

соответствующую теплообменную аппаратуру (теплообменники с промежу-

точным теплоносителем, тепловые трубы и т.д.), можно также получить

значительную экономию топлива.

Нагревание электрическим током.

Электрические нагревательные устройства отличаются компактностью, простотой и удобством обслуживания. С помощью электроэнергии нагрев может осуществляться в широком диапазоне температур (300 - 3000°С) и температурный режим нагрева легко

регулируется. Однако применение электрического нагрева относительно

дорого, поэтому требует технико-экономических обоснований.

В зависимости от способа превращения электрической энергии в теплоту различают нагревание электрическим сопротивлением, индукционное нагревание, высокочастотное нагревание и нагревание с помощью электрической дуги.

Наибольшее распространение получил способ нагревания электрическим сопротивлением, который осуществляется в электропечах сопротивления. Через нагревательные элементы, изготовленные из хромо-железо-алюминиевых сплавов и обладающие большим омическим сопротивлением, пропускается электрический ток. Теплота, выделяемая при прохождении тока, передается нагреваемой среде. Такой способ нагрева дает равномерный обогрев при температурах до 1000 – 1100 °С.

Теплогенерация сжиганием органического топлива (4.2)

Топливо и его классификация (4.2.1).

Основным источником тепловой энергии в настоящее время является

органическое топливо _ твердое, жидкое и газовое.

Топливом называют горючие вещества, которые сжигают для получения

В промышленных целях необходимое количество теплоты.

Типы топочных устройств

Топочным устройством или топкой называется часть промышлен-

ной установки, предназначенная для сжигания топлива с целью получения

продуктов сгорания с высокой температурой и энтальпией.

С точки зрения химической технологии топочное устройство представ-

ляет собой своеобразный реактор, в котором поддерживается необходимый

уровень протекания окислительного процесса и производительность кото-

рого определяется вводимой в него в единицу времени массой горючей смеси

и объемом отводимых продуктов сгорания.

В зависимости от вида и свойств сжигаемого топлива топочные устройства

делятся на слоевые и камерные.

В слоевых топках основная масса твердого топлива сжигается в слое.

В камерных топках может сжигаться топливо любого агрегатного состояния.

Поэтому, если сжигание газообразного и жидкого топлива не требует предва-

рительной подготовки, то твердое топливо должно быть предварительно

размолото до пылевидного состояния в специальных пылеприготовительных

установках.

Промежуточным типом между слоевыми и камерными топками явля-

ются топки с так называемым «кипящим» слоем топлива, когда слой

топлива разрыхляется потоком воздуха, проходящим через слой с большой

скоростью.

Основным показателем, характеризующим работу топки, является

тепловое напряжение топочного объекта qv (кВт/м3), представляющее

собой отношение:

т

р

н

V

BQ

qv =, (4.18)

где В _ массовый расход топлива, кг/с; Q р

н _ низшая теплота сгорания

рабочей массы топлива, кДж/кг; V т _ объем топочного пространства, м3.

Оптимальное значение qv лежит в пределах 140 _ 460 кВт/м3 и за-

висит от конструкции топки, качества топлива и способа его сжигания.

Для топок слоевого сжигания необходимой характеристикой, кроме

того, является тепловое напряжение зеркала горения, кВт/м2:

S

BQ

qs

р

= н, (4.19)

где S _ площадь колосниковой решетки (зеркала горения), м2.

Оптимальные значения qs лежат в пределах 900 _ 3000 кВт/м2 и

зависят от характеристики топлива и типа топочного устройства.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания имеет место в том

случае, если в дымовых газах появляются продукты неполного горения (СО,

Н2 и др.). Химическая неполнота сгорания увеличивается при недостаточном

количестве воздуха в топке или недостаточно интенсивном перемешивании

воздуха с горючими газами в топке, низкой температуре в топке или недоста-

точно развитом объеме топочной камеры.

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания связана с тем,

что частицы твердого топлива не сгорают полностью, а уносятся из топки с

дымовыми газами, проваливаются через прорезы колосниковой решетки или

удаляются из топки со шлаками. Потери от механической неполноты сгора-

ния зависят также от свойств топлива, конструкции топочного устройства и

ее конфигурации, а также от тепловой нагрузки зеркала горения.

При расчете теплообмена в топке важной характеристикой является

теоретическая температура горения, под которой понимают адиабати-

ческую температуру горения при существующем коэффициенте избытка

воздуха в топке. Теоретическая температура горения _ это температура,

которую можно получить при отсутствии теплообмена в топке и она является

максимально возможной при сжигании данного топлива.

Вследствие интенсивного лучистого теплообмена в топочной камере

температура продуктов сгорания всегда ниже. Наряду с теоретической

температурой горения важным параметром, характеризующим работу топки,

является температура газов, покидающих топку. Эта температура должна

быть ниже размягчения золы данного топлива.

Для большинства отечественных твердых топлив она составляет

~1100 °С. Снижение температуры в топке до этого значения достигается

чаще всего установкой дополнительных трубчатых теплообменных поверх-

ностей, которые называются экранами.

Камерные топки для сжигания газообразного и жидкого топлива.

Если сжигается газовое или жидкое топливо (или газовое вместе с жидким),

то топочная камера выполняется с горизонтальным или слегка наклонным

подом. Тепловое напряжение топочного объема при сжигании газового и

жидкого топлив одно и то же, поэтому в камерных топках для сжигания газа

можно сжигать и мазут. Форсунки для подачи и распыления жидкого топли-

ва, а также газовые горелки располагаются фронтально, встречно или по

углам топки.

По способу распыления жидкого топлива форсунки делятся на механи-

ческие, паровоздушные и комбинированные. Распыление топлива в механи-

ческих форсунках (рис. 4.5, а - в) происходит под действием кинетической

энергии струи самого мазута, вытекающего через сопловые отверстия на

выходе из форсунки.

Рис. 4.5. Форсунки для жидкого топлива: а – прямоугольная,

б – центробежная, в – вращающаяся, г – высокого и

д – низкого давления

В паровоздушных форсунках (рис. 4.5, г, д) для распыления мазута

используется кинетическая энергия струи пара (или воздуха). Тонкость

распыления связана со скоростью паровой струи. В комбинированных

форсунках мазут распыляется за счет, совместного действия давления струи

топлива и энергии распыляющей среды. Паровые форсунки просты по

конструкции, но расходуют много пара и поэтому применяются лишь в

качестве растопочных устройств.

Более экономичны форсунки с механическим распылением. Тонкость

распыления в механических форсунках зависит от размера отверстий

форсунок и вязкости мазута. Для уменьшения вязкости мазут перед подачей

подогревают до 100 _120 °С. В этом случае оборудование получается более

дорогим, однако расходы на 1 кг сжигаемого топлива ниже, чем при паровых

форсунках.

Мазут к форсункам подается насосом под давлением 2,5 _ 3,5 МПа.

Производительность механических форсунок составляет 0,055 _ 1,1 кг/с.

При сжигании мазута в установках средней и большой производительности

стены топочной камеры экранируют, а под выкладывают огнеупорным

кирпичом с воздушным или

водяным охлаждением.

В последние годы для

сжигания мазута часто исполь-

зуют циклонные топки.

Принципиальная схема

циклонного процесса горения

показана на рис. 4.6.

В зависимости от давле-

ния подаваемого газа горелки

делятся на горелки низкого (до

2 кПа), а также среднего и

высокого давления (до 70 кПа).

В газовых горелках скорость

выхода воздуха составляет ~ 20 _ 35 м/с, а выхода газа ~ 25 _ 150 м/с.

Важным показателем работы горелки и организации сжигания топлива

является соотношение объемов сжигаемого газа и воздуха.

Для сжигания, например, 1 м3 доменного газа, отличающегося низкой

теплотой горения, требуется около 1,6 м3 горячего воздуха при ~ 270 °С, а

при сжигании природного газа, теплота сгорания которого на порядок выше,

требуется около 20 м3 горячего воздуха на 1 м3 газа. При сжигании природ-

ного газа в топках развиваются высокие температуры, поэтому топки должны

быть экранированы.

Основные типы слоевых топок для сжигания твердого топлива.

Топочные __________устройства для слоевого сжигания твердого топлива просты

в эксплуатации, пригодны для различного твердого топлива, не требуют

больших объемов топочной камеры и большого расхода энергии.

Обслуживание топок со слоевым сжиганием включает операции подачи

топлива в топку, перемешивание топлива и шлакоудаление.

По методу обслуживания и степени механизации этих операций топки

подразделяются на топки (рис. 4.7): а _ с ручным обслуживанием; б _ полу-

механизированные; в _ механизированные.

В топках с ручным и механическим забросом топлива свежее топливо

подается на слой горящего, а воздух поступает снизу под решетки. Структура

горящего слоя при верхней загрузке топлива может быть представлена в виде

трех зон: свежее топливо, горящий кокс и непосредственно на колосниковой

Рис. 4.7. Схема топок для сжигания твердого топлива в слое:

а _ с ручной колосниковой решеткой, б – с наклонной

решеткой, в – механизированная топка

решетке _ шлак. В верхнем слое свежая порция топлива прогревается,

подсу-шивается, из топлива выделяется влага, затем выделяются летучие

вещества, в основном сгорающие в объеме топочной камере. На процесс

подготовки топлива к горению затрачивается часть теплоты, выделяющейся

при горении. Образующийся, после выделения летучих веществ, кокс

постепенно опуска-ется, сгорает, а шлак стекает вниз, охлаждается,

гранулируется, и далее удаляется. Шлак защищает решетку от перегрева и,

при условии регулярного перемешивания слоя, способствует равномерному

распределению воздуха по слою. Воздух, подаваемый под слой топлива,

называется первичным. Если воздух подается дополнительно, минуя слой

топлива, непосредственно в топочную камеру, то такой воздух называется

вторичным.

В слоевых топках оптимальная толщина слоя топлива зависит главным

образом от размера кусков топлива. Предел утолщения слоя устанавливается

появлением СО в продуктах сгорания. Для крупнокускового топлива толщи-

на слоя больше, чем для мелкого. Бурые угли, например, сжигаются в слое до

70 мм, а дрова _ в слое до 700 мм. В топках для сжигания влажных и низко-

сортных топлив устанавливаются отражательные своды. В топках с механи-

ческими забрасывателями подача топлива осуществляется вращающимся

ротором с лопастями или пневматическим забрасывателем (ПМЗ) с помощью

струи воздуха.

Парогенераторы.

Теплообменные аппараты

Раствора.

Щим признакам.

Ляторы и др.

В прямоточных аппаратах

Оба теплоносителя движутся

Параллельно в одном направ-

лении; в противоточных _

Параллельно в противопо-

Ложных направлениях; в

аппаратах с перекрестным током _ перпендикулярно; в аппаратах с комби-

нированным током _ прямоточно и противоточно, а в аппаратах с

многократ-ным перекрестным током _ комбинированное движение

Сочетается с перекрестным.

В межтрубное пространство.

Док.

И периодического действия.

Поверхностью теплообмена.

Трубных решетках 3.

Рованой.

Скорость возрастает.

Теплоносителей

Деформаций.

Зонтальными.

Или холодильники.

Оросительный теплообменник (рис. 4.14) представляет собой зме-

Крышками 4.

В спиральные каналы теплоносители обычно подаются противотоком:

Примерами теплообменников с оребренной поверхностью являются

Установках.

Сителей, их свойств и др.

Теплоты

Теплота газовых и жидкостных выбросов различных технологических

процессов может быть утилизирована.

Рассмотрим теплообменные устройства, которые могут использоваться

в технологии для этих целей.

Тепловые трубы. Тепловые трубы представляют собой герметическую

трубу 1, внутренняя поверхность которой покрыта фитилем 2 (рис. 4.19).

Материал фитиля должен иметь высокую капиллярность, небольшое

гидравлическое сопротивление, быть термостойким. В качестве фитилей

используются войлок, тканое полотно, мелкие сетки, спеченные пористые

материалы (керамические и металлические), слой зернистого материала и др.

Фитиль должен плотно прилегать к стенкам трубы. Размер пор фитиля

находится в пределах 0,01 _ 0,1 мм. Более крупные поры способствуют

меньшему гидравлическому сопротивлению, но ухудшают капиллярность

Рис. 4.19. Схема тепловой трубы: 1 _ труба; 2 _ фитиль

фитиля. Рабочей жидкостью тепловой трубы служат различные вещества.

Выбор рабочей жидкости определяется требуемой температурой. Если

температура процесса не должна превышать 40 о С, то в качестве рабочей

жидкости используются фреоны и ацетон. При более высоких температурах

применяется вода. В области рабочих температур 350 °С и выше используют-

ся органические жидкости и жидкие металлы.

Работа тепловой трубы происходит следующим образом. На один

конец трубы (А) подается горячий теплоноситель, благодаря чему рабочая

жидкость, находящаяся в фитиле, закипает. Пар по внутреннему каналу пос-

тупает на другой конец трубы (В), который охлаждается холодным теплоно-

сителем. Выделяемая при конденсации пара теплота идет на нагревание

холодного теплоносителя. Возврат конденсата в зону испарения проходит с

помощью фителя под действием капиллярных сил.

На рис. 4.20 изображена установка для утилизации теплоты отработан-

ного воздуха сушилки с помощью тепловых труб. Отработанный воздух

сушилки 1 подается в зону испарения тепловых труб 4, а затем после охлаж-

дения вентилятором выбрасывается в атмосферу.

Нагреваемый воздух подается в зону конденсации тепловых труб, наг-

ревается и вентилятором 2 по воздуховодам подается к потребителю. Расход

Рис. 4.20. Сушильная установка с тепловыми трубами для нагревания

воздуха: 1 _ сушилка; 2 _ вентилятор; 3 _ задвижка; 4 _ тепловые трубы

воздуха регулируется задвижкой 3. Обычно тепловые трубы монтируются

горизонтально, но установлено, что, изменяя наклон тепловой трубы к гори-

зонтальной линии, можно регулировать процессы теплообмена.

Теплообменники с промежуточным теплоносителем. Теплообмен-

ники с промежуточным теплоносителем, так же как и тепловые трубы, могут

использоваться при утилизации теплоты отработанных газов.

Основное преимущество этих теплообменников заключается в том,

что каналы, по которым проходит нагреваемый воздух и отработанный газ,

могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.

На рис. 4.21 представлена принципиальная схема такого теплообменника,

Рис. 4.21. Схема теплообменника с

промежуточным теплоносителем:

1 _ испаритель; 2 _ насос;

3 _ конденсатор

состоящего из двух теплообменников, соединенных системой циркуляции

рабочей жидкости. Движение рабочей жидкости по циркуляционному кон-

туру осуществляется с помощью насоса.

Один теплообменник (испаритель) 1 встроен в канал, по которому

подается отработанный технологический газ, другой (конденсатор) 3 нахо-

дится в канале, по которому идет нагреваемый воздух. Рабочая жидкость

отбирает теплоту от горячего теплоносителя, нагревается и поступает в зону

подачи холодного теплоносителя. Охлаждаясь, рабочая жидкость его нагре-

вает. В теплообменник 1 рабочая жидкость подается насосом 2.

В качестве рабочей жидкости могут применяться разные вещества:

гликоль, смесь дифенила и дифенилоксида и др. Выбор рабочей жидкости

определяется пределом температур, в которых работает аппарат.

4.4. Тепловой расчет теплообменных аппаратов __

 

ТЕПЛОФИЗИКА

1. Основные способы передачи тепла:

- теплопроводность

- конвекция

- излучение

Основы работы тепловыделяющих и теплоиспользующих установок

(раздел 4. Юркинский В.П. Теплотехника. Техническая термодинамика:

Учеб.пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 120 с)