Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

духоподогревателях, где поверхность нагрева с обеих сторон одинакова. При

этом снижается возможность коррозии поверхности нагрева, которая высока

при температуре ниже точки росы при конденсации водяных паров из дымо-

вых газов. Полностью исключить коррозию не удается. Поэтому для борьбы

с ней применяют эмалированные листы, покрытые специальными составами,

неметаллические материалы.

Аппараты более компактны, чем трубчатые, но более сложны в эксплуа-

тации, требуется электроэнергия на вращени

е ротора. В аппаратах перетечки

воздуха в газовую камеру составляют 12

÷15 %, что требует наличие вентиля-

торов повышенной производительности.

Регенеративные теплообменники с насыпным подвижным слоем приме-

няются в магнито-гидродинамических (МГД) генераторах и промышленных

печах. При использовании в качестве насадки чугунной дроби диаметром

÷5 мм толщина слоя насадки в направлении потока теплоносителей состав-

ляет 30

÷50 мм, скорость движения дроби 0,05÷0,08 м/с. Площадь поверхно-

сти теплообмена в 1 м

насадки ∼500 м

. Воздух нагревается до 300÷320

С.

Сопротивление по газовой стороне

∼ 400 Па, по воздушной ∼ 380 Па. Подача

сыпучих материалов из нижней камеры вверх может осуществляться с по-

мощью шнека или пневмотранспортом (рис. 9).

Рис. 9. Изменение температуры теплоносителей и насадки в регенеративном тепло-

обменнике:

а – вдоль каналов в насадке; б – поперечное распределение температуры

в элементах насадки

Регенеративные теплообменники с неподвижной насадкой применяют

для нагрева дутьевого воздуха 800

÷1200

С и газа, используемого в качестве

топлива в доменных, мартеновских, стекловаренных и нагревательных печах

до 400

÷600

С, в установках разделения воздуха при –150

С и ниже. Такие

регенераторы имеют минимум две насадки, одна из которых работает «на га-

а б

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

зу», а другая «на дутье», периоды нагрева насадки и охлаждения

= τ

, пере-

ключение насадок с одного режима на другой осуществляется шиберами или

клапанами. В криогенных системах, например в установках для разделения воз-

духа, насадка выполняется из алюминиевой фольги. Такая насадка менее инер-

ционна и имеет практически одинаковую температуру по толщине листа.

Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели работают в тяже-

лых условиях. В наиболее неблагоприятных ус

ловиях при эксплуатации ре-

генеративного воздухоподогревателя (РВП) находятся уплотнения. Из-за

значительной разности температур на горячей и холодной сторонах ротора,

последний приобретает грибообразную форму. При этом величина прогиба

ротора не является постоянной, так как разность температур на горячей и хо-

лодной сторонах изменяется при различных режимах работы котла. Помимо

прогиба ротора РВП, по истечении некоторого времени работы РВП появля-

ется биение фланцев ротора как в осевом, та

к и в радиальном направлениях.

При работе котлов на твердом и жидком топливах пакеты РВП сильно

забиваются золой. Отложения золы начинаются на холодной стороне, а затем

распространяются по всей поверхности нагрева. На интенсивность отложе-

ния золы в пакетах оказывают влиян

ие многие факторы: вид сжигаемого то-

плива, процесс горения, состав золы, режим работы котла, температура хо-

лодного воздуха и др. В РВП котлов, работающих на твердом топливе, отло-

жения обычно рыхлые и легко удаляются при помощи обдувочных уст-

ройств.

При эксплуатации котла на сернистом мазуте РВП работают в более не-

благопри

ятных условиях, так как золовые отложения являются слипающи-

мися, трудно удаляемыми обдувкой. Эти отложения состоят из сульфатов,

окислов железа, свободной серной кислоты и углерода в виде сажи. Процесс

загрязнения РВП особенно интенсивно происходит при температуре металла

набивки на холодной стороне ниже точки росы, вследствие чего отложения

становятся влажны

ми, что способствует налипанию золы. Низкая температу-

ра металла приводит к конденсации серной кислоты и усиленной коррозии

набивки, поэтому рекомендуется при сжигании высокосернистых мазутов

холодный воздух подогревать в калориферах до температуры 60

÷70

С,

а иногда и выше. При работе котла на высокосернистом мазуте сопротивле-

ние РВП может увеличиваться через 15

÷20 дней в 3÷5 раз при отсутствии

предварительного подогрева холодного воздуха, а при подогреве воздуха до

÷70

С этот период увеличивается до 40 и более дней. При малозольных

топливах продувка производится через несколько месяцев.

Срок службы и надежность работы РВП в значительной мере определяет

коррозия листов набивки. При сжигании твердых топлив и малосернистых

мазутов скорость коррозии РВП невелика

∼0,2 мм/г. При остановках котлов,

работающих на высокосернистом мазуте, РВП необходимо промывать, т. к.

в противном случае, происходит сильная коррозия. Это вызвано тем, что SO

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

содержащийся в отложениях, реагирует с влагой, образуя серную кислоту,

которая взаимодействует с железом.

На котлах, сжигающих твердые топлива, наиболее эффективным средст-

вом по удалению отложений в пакетах набивки РВП является обдувка аппа-

ратами качающегося типа. Аппараты устанавливаются на газовой стороне

воздухоподогревателя для очистки сверху вниз. При большой высоте ротора

они устанавливаются вверху и внизу. Эти аппараты обеспечивают периоди-

ческое движение трубы с сопловой головкой от центра ротора к периферии

и обратно. Обдувка производится авто

матически. При включении аппарата

одновременно с движением сопловой трубы автоматически открывается кла-

пан подачи пара. Обдувка производится перегретым паром при температуре

400

С под давлением от 15 до 40 ат, 1÷2 раза в смену. Обдувка РВП при

сжигании сернистых мазутов малоэффективна, но иногда ее применение уве-

личивает межпромывочные сроки.

На большинстве котлов, сжигающих сернистый мазут, применяется

водная обмывка РВП. В зависимости от степени загрязнения обмывка произ-

водится через 15

÷20 дней при температуре холодного воздуха 30

С, через

÷40 дней при предварительном подогреве холодного воздуха до 60÷70

С.

Обмывка производится как на остановленных, так и на работающих РВП.

Стационарная труба с соплами устанавливается в верхней части ротора

на газовой стороне, иногда и в нижней части, иногда дополнительно ставят

третью сопловую трубу на воздушной стороне. Обмывка производится тех-

нической водой под давлением 6 ат при температуре 70

÷80

С. С уменьшени-

ем температуры воды растворимость отложений резко уменьшается и время

обмывки увеличивается. При расходе воды 100 т/ч обмывка производится

в течение 1÷2 ч.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

4. КОНТАКТНЫЕ И КОНТАКТНО-ПОВЕРХНОСТНЫЕ

ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ

Контактный водонагреватель состоит из трех узлов: топки, контактной

камеры и трубы с вытяжным вентилятором (рис. 10). Около водонагревателя

установлен сборный бак, в который самотоком сливается горячая вода, нагретая

в контактной камере и топке. Топка контактного аппарата представляет собой

металлический цилиндр, снаружи охлаждаемый водой. Изнутри топка футеро-

вана огне

упорным шамотным кирпичом. Радиационные поверхности нагрева

(за исключением надтопочного диска) отсутствуют. Основное назначение топки

– обеспечить полное сжигание газа при возможно малом коэффициенте избыт-

ка воздуха

в продуктах сгорания. Расчетное тепловое напряжение топочного

пространства Q

= 4÷6 ГДж/(м

⋅ч). Над камерой сгорания установлен надтопоч-

ный диск из нержавеющей стали IXI8H9T для предохранения раскаленной фу-

теровки от попадания на нее воды. Температура продуктов сгорания на выходе

из топки 1200

÷1500

С.

Рис. 10. Схема газового

контактного водонагревателя

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Контактная камера служит для создания максимальной площади кон-

такта между газами и водой при минимальном гидравлическом сопротивле-

нии. Для наиболее глубокого охлаждения продуктов сгорания в контактной

камере обеспечивают противоток между нагреваемой водой и высокотемпе-

ратурными газами.

Форсунка создает завихренное движение мелких капель холодной во-

ды, в результате чего увеличивается время их пр

ебывания в газовом высоко-

температурном потоке, тем самым улучшаются условия для более быстрого

их нагрева. В верхней зоне контактной камеры установлен каплеуловитель (от-

делитель) в виде уголковых отбойников или в виде насадки из слоя мелких и

крупных факций. Температура уходящих газов на выходе из контактной каме-

ры 30

÷40

С. Дымовая труба с низконапорным отсасывающим вентилятором

служит для выброса продуктов сгорания в атмосферу. Разряжение в аппарате

создается отсасывающим вентилятором, поэтому отпадает необходимость в ус-

тановке высокой дымовой трубы.

Если вблизи от котельной нет жилых зданий, то дымовую трубу над

кровлей выполняют в виде патрубка длиной не более 1,5 м. Принцип дейст-

вия – продукты сгорания газового топлива обтекают надтопочный диск

и снизу входят в ко

нтактную камеру. Холодная вода подается навстречу га-

зовому потоку. Масса холодной воды поступает на форсунку, установленную

в нижней зоне контактной камеры. Продукты сгорания, выходящие из топки,

охлаждаются с 1200

÷1500 до 35÷40

С. Охлажденный поток газов проходит

через каплеотделитель и выбрасывается в атмосферу. Вода, нагретая в кон-

тактной камере до 75

÷80

С, под действием силы тяжести попадает в надто-

почный диск и стекает в сборник аппарата, где нагревается еще на 6

÷8

С за

счет притока тепла через стенки футерованной камеры. Далее через гидрав-

лический затвор вода сливается в сборный бак, откуда центробежным насо-

сом подается потребителям. Если уровень воды в баке падает, оператор уве-

личивает расход газа на горелки.

Контактно-поверхностный водонагреватель имеет в топке радиацион-

ную поверхность нагрева, где предварительно нагретая в контактной камере

вода при атмосфер

ном давлении доводится до температуры кипения.

По сравнению с водогрейными котлами контактные и контактно- по-

верхностные водонагреватели имеют ряд отличительных особенностей.

1. В них используется скрытая теплота конденсации водяных паров,

содержащихся в продуктах сгорания. Дымовые газы охлаждаются ниже точ-

ки росы и поэтому скрытая теплота парообразования используется почти

полностью. В результате этого эксплуатационный КПД контактных водона-

гревателей, устано

вленных в системах горячего водоснабжения достигает

÷96 %.

Величина скрытой теплоты конденсации водяных паров, содержащихся

в продуктах сгорания при сжигании 1 м

горючего газа

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

конд

= r⋅d

⋅γ

с.г

⋅V

сг

, (4.1)

где r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

– влагосодержание отходящих газов, кг/кг.с.г.;

с.г

– плотность сухих отходящих газов, кг/м

;

сг

– объем сухих отходящих газов, образующихся при полном сгорании

1 м

природного газа, м

/м

Избыток воздуха в топке близок

= 1. Поэтому Q

конд

при α

= 1

составляет

конд

= r⋅d

⋅γ

с.г

⋅V

сг

≈ 2360⋅0,15⋅1,34⋅8,5 = 4010 кДж/м

. (4.2)

Увеличение КПД газового контактного водонагревателя при глубоком

охлаждении продуктов сгорания (когда используется 100 % скрытой теплоты

конденсации водяных паров) составляет

% 10

)401035800(

4010

)(

конд

=Δ

. (4.3)

где

Q – низкая теплота сгорания топлива, кДж/м

Практически при охлаждении дымовых газов до 30

÷35

С из них выде-

ляется 80

÷90 % скрытой теплоты конденсации водяных паров, что вполне

достаточно.

2. Контактные водонагреватели не подлежат регистрации в местных ор-

ганах Госгортехнадзора, в них не создается давление, превышающее атмо-

сферное.

3. В контактных аппаратах происходит естественная деаэрация нагре-

ваемой воды. При применении инжекционных горелок в продуктах сгорания

практически не содержится кислорода, поэтому осуществляется естественная

деаэрация воды.

Топка ко

нтактно-поверхностного водонагревателя представляет собой

термический атмосферный деаэратор.

4. В контактных водогрейных аппаратах возможен нагрев жестких и да-

же артезианских вод без предварительного умягчения. При нагреве до 100

из воды могут выпадать в виде накипи и шлама только соли карбонатной же-

сткости.

В контактных и контактно-поверхностных водонагревателях наблюдается

испарение воды в топках в очень малых количествах (< 0,5 %). Поэтому в виде

накипи в топках не могут выпадать некарбонатные соли (СаSO

, MgCO

5. Контактно-поверхностные водонагреватели могут самоочищаться от

накипи, если радиационная поверхность, покрытая солями временной жест-

кости (карбонаты Са и магния – СаSO

и MgCO

), будет омываться водой,

содержащей большое количество углекислоты.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

6. Газовые контактные аппараты взрывобезопасны в эксплуатации

вследствие малых давлений, возникающих в объеме топки.

7. Контактные водонагреватели имеют малую удельную металлоемкость.

8. КПД контактного водонагревателя не изменяется от колебания тепло-

вой нагрузки, а зависит только от температуры питательной воды.

В контактном подогревателе теплота, подводимая от продуктов сгора-

ния затрачивается на испарение воды, т. е. происходит адиабатическое испа-

рение

Fdtt )(α

мгк

−

,)(β

гм

Fdddr

−

⋅

(4.4)

поток теплоты от газов

на поверхность воды

поток теплоты в виде водяных

паров при температуре t

с по-

верхности воды в поток газов

где α

– коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к воде, кДж/(м

⋅ч град);

– средняя температура газов,

С;

– температура мокрого термометра,

С;

dF – элементарная поверхность контакта между газами и водой, м

;

r – теплота парообразования, кДж/кг;

β – коэффициент массоотдачи, кг/(м

⋅ч);

, d

– соответственно влагосодержание насыщенной смеси при темпе-

ратуре воды и газа, кг/кг.

Для процессов испарения соблюдается зависимость

α /β = С

вл

– число

Льюиса. Тогда

= t

– [r/C

вл

– d

)], т. е. предельная температура вод

в контактной камере

зависит: 1) от начальной температуры продуктов сго-

рания (

); 2) от разности между влагосодержанием насыщенного водяного пара

над пленкой воды

и влагосодержанием продуктов сгорания, входящих

в контактную камеру (

). Из начального влагосодержания (d

) и весовой тепло-

емкости (

вл

) устанавливается предельная температура нагрева воды (t

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

5. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

Принцип действия тепловой трубы (ТТ) был описан в 1944 г. Гоугле-

ром. Широкое применение началось после работ Гровера в 1964 г. Тепловые

трубы применяются в энергетике, металлургии, химической промышленно-

сти и др., что позволяет утилизировать низко потенциальную теплоту (100

и ниже). Тепловая труба представляет собой герметичную полость различной

геометрии (рис. 11).

Рис. 11. Принципиальные схемы тепловых труб

В тепловой трубе теплота от охлаждающей среды отбирается в зоне ис-

парения, в виде пара переносится на значительные расстояния в зону охлаж-

дения. Основные преимущества ТТ по сравнению с другими типами тепло-

обменников являются: простота конструкции, отсутствие нагнетателей (за-

трат энергии на перемещение теплоносителей внутри ТТ), герметичность

(можно использовать агрессивные теплоносители), легкость регулирования,

высокая теплопроводность, превосходящая теплопроводность самых тепло-

проводных мет

аллов.

В зависимости от способа транспортировки из зоны конденсации в зону

испарения различают три типа тепловых труб:

1. В фитильных или капиллярных трубах, на их внутренней поверхности

уложен капиллярно-пористый материал – фитиль, пропитанный жидким теп-

лоносителем. При внешнем подводе теплоты жидкость из фитиля испаряется

Па

Фитиль

Па

Пар

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

по всей длине зоны

. Капиллярная структура фитиля освобождается от

жидкости, что создает в этой зоне капиллярное разряжение, за счет которого

жидкость подсасывается из охлаждаемой зоны ТТ (

) в испаритель для по-

вторного испарения. Тепло непрерывно переносится от испарителя к конден-

сатору через транспортную зону

2. В гравитационных тепловых трубах (термосифонах) возврат конден-

сата в зону испарения происходит за счет сил тяжести – конденсатор должен

располагаться выше зоны испарения.

3. В центробежных тепловых трубах корпус трубы вращается вокруг

своей продольной оси. Слой жидкости в зоне конденсации больше, чем в зо-

не испарения и возврат жидкости в зону испарения осуществляется за сч

ет

центробежных сил (например, вал электродвигателя).

В тепловых трубах с капиллярно-пористым материалом условия цирку-

ляции теплоносителя в ТТ определяются уравнениями движения для жидко-

сти и пара. Перенос теплоты от испарителя к конденсатору возможен, когда

суммарные потери давления на участках трубы будут меньше движущей си-

лы (имеющей капиллярный или массовый характер),

(

)

,σ2

max

тр

Rрpp

′

≤Δ±Δ+Δ

(5.1)

где

Δр

тр

, Δр

тр

– потери давления на трение при движении пара и жидкости;

Δр

– массовые силы, обусловленные ориентацией в пространстве; при

расположении испарителя выше конденсатора последний член входит

в уравнение с плюсом, ниже – с минусом;

′

– минимальный радиус кривизны менисков жидкости в зоне испарения;

σ – поверхностное натяжение.

При наличии на стенках трубы фитиля удельный расход жидкости, дви-

жущейся вдоль оси трубы

Z, определяется уравнением Дарси:

dpK

⋅

′

⋅

′

⋅

, (5.2)

где

К – коэффициент проницаемости пористого материала;

ρ′ и μ′ – плотность и вязкость жидкости;

р – давление.

Поток жидкости через поперечное сечение фитиля площадью

G = J⋅F

, (5.3)

перепад давления

Δр на участке ΔZ пористого материала

⋅ρ

′

⋅

′

=Δ

. (5.4)

Поток жидкости

G меняется в зонах испарения от нуля до G и от G до нуля

в зоне конденсации, а в транспортной зоне длиной

, он постоянен.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Среднее гидравлическое сопротивление для каждой из зон:

;

FК

⋅

′

⋅

′

=Δ

(5.5)

;

FК

⋅

′

⋅

′

=Δ

(5.6)

FК

⋅ρ

′

⋅

=Δ

(5.7)

Тогда суммарное гидравлическое сопротивление по жидкостному тракту

ρ 2

)(μ

тр

FК

LLG

рр

⋅

′

⋅

′

=ΣΔ=Δ

(5.8)

где

L = L

+ L

– длина тепловой трубы.

Если предположить, что в паровом пространстве ТТ имеет место тече-

ние Пуазейля, то перепад давления пара для всей ТТ

)(μ16

тр

LLG

⋅

′′

⋅

′

=Δ

(5.9)

где

– диаметр парового канала;

– площадь поперечного сечения этого канала.

Теплопередающая способность тепловой трубы

Q = G⋅ς. Тогда суммар-

ное гидравлическое сопротивление по пару и жидкости

μ16

ρ2

)(

тр

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

′′

⋅

′

⋅

=Δ+Δ

QLL

рр

(5.10)

где ς – теплота фазового перехода.

При работе в поле сил тяжести

Δр

= g⋅ρ′L⋅ sinϕ (где ϕ – угол наклона ТТ

к горизонту. Тогда с учетом (5.1) из уравнения (5.10) получим выражение для

тепловой мощности

()

ρμ16 ρ2μ

sinρ/σ2

пф

FdКF

LgR

′′′′

′′

⋅

′

⋅

′

(5.11)

Это выражение характеризует максимальный тепловой поток, ограни-

ченный капиллярными или гравитационными силами.

Пусть ТТ расположена горизонтально (

ϕ = 0). Будем считать, что

Δр

тр

>> Δр

тр

, тогда для Q

имеем

.ФФ2

ρςσ

)(

сг

⋅=

′

⋅⋅

′

⋅

RLL

КF

(5.12)

Комплекс

RLL

КF

′

⋅

)(

(5.13)