10.12.2012 - Лекция 12

Рекуператоры

Низкотемпературный и среднетемпературный нагрев компонентов горения целесообразно осуществлять в рекуператорах. Рекуператоры делятся на керамические, металические и металлокерамические. Поверхность нагрева в керамических рекуператорах выполняется из огнеупорных изделий. В частности выполняется из шамотных изделий, карбарундовых изделий и других огнеупорных неметалических материалов. Придельные рабочие температурыповерхности применяемых огнеупорных материалов могут быть близки к придельным рабочим температурам регенеративных подогревателей, однако максимальные температуры нагрева компонентов гарения (например воздуха) не могут быть больше 900 - 1000 градусов. Объясняется это тем, что керамические рекуператоры обладают низкой газоплотностью, т.е. в них наблюдается большая величина утечек воздуха в ту часть рекуператора, где движутся уходящие газы. Величина утечек достигает в ряде случаев 60%, по этой причине в них нельзя нагревать газообразные топлива. С целью снижения перетока (утечек) воздуха, принимаются меры по снижению перепада давления между греющей и нагреваемой средой. Это приводит к ограничению скорости движения теплоносителей. В рекуператорах скорости движения принимаются в приделах 1 - 2 метра в секунду. Пониженная скорость движения, а также большая толщина стенок из огнеупорного материала (доходящей до 13 - 16 мм) и низкий коэффициент теплопроводности огнеупорного материала стенок рекуператора, предопределяют низкий коэффициент теплопередачи в керамическом рекуператоре. В следствии этого керамические рекуператоры имеют большую величину теплопередающей поверхности и большие габаритные размеры, значительно превосходящую поверхность нагрева металического рекуператора при той же тепловой мощности, поэтому область применения керамических рекуператоров ограничевается целесообразностью исходя из их большой эксплуатационной стойкостью (сроком службы). Наибольшую газоплотность имеют стальные рекуператоры и чугуностальные, тепа «термоблок» что позволяет нагревать в них компоненты гарения при повышенных до 50 м/с скоростях движения теплоносителя. Поэтому, коэффициенты теплопередачи в них на 1 - 2 порядка больше чем в керамических рекператорах. Чугунные рекуператоры из литых труб по газоплотности (гермитичности) занимают промежуточные положения между кирамическими рекуператорами и стальными рекуператорами. Высокие коэффициенты теплопередачи, до 100 Вт/(м2*К) и более, позволяют обеспечить достаточно высокие температуры нагрева компонентов горения. Достижение высоких значений коэффициентов теплопередачи в чугунных рекуператорах обеспечивается путем оребрения поверхностей их нагрева. В случае повышенной запыленности уходящих газов, оребрение устанавливается только со стороны воздуха. Для газообразного топлива, чугунные рекуператоры не применяются, так как предельные рабочие температуры службы стали и чугуна значительно меньше , чем у огнеупорных материалов. Нагрев компонентов гарения, осуществляется до температур, не выше 750 - 800 градусов, и они очень часто применяются при температурах нагрева до 350 градусов. Большой интерес представляют металлокерамические рекуператоры. В этих рекуператорах, часть поверхности теплообмена, выполнена из металла, корозионная стойкость которого усилена покрытием огнестойкими пастами, эмалями, напылением огнеупорной керамики, которая соединяется с металлом диффузионным методом, газопламенным или плазменным напылением. Не один из рассмотренных рекуперативных подогревателей компонентов гарения не является универсальным, т.е. не является пригодным для всех случаев регенерации теплоты уходящих газов из теплотехнологического реактора. В каждом конкретном случае выбирается оптимальный тип теплоутилизирующего устройства на основе выполнения сравнительных технико-экономических расчетов. В качестве критерия выбираются как правило совокупные затраты и надежность работы, т.е. на основе тщательного анализа его характеристик с характеристиками уходящих газов и параметрами тепловой схемы ВТУ. Кроме теплоутилизирующих устройств для подогрева компонентов гарения за счет теплоты отходящих газов, применяется регенеративный подогреватель компонентов гарения за счет теплоты технологического продукта и (РПКГ), за счет теплоты, теряемой в окружающую среду.

Элементы футерофки теплоизолирующей изоляцией:

1 - слой огнеупорной футеровки

2 - коллектор горячего воздуха

3 - слой фильтрующей тепловой изоляции

4 - коллектор холодного воздуха

5 - лист металлического каркаса

Пути повышения эффективности использования топлива в ВТУ.

Научнотехнический прогресс в области ВТУ, связан с рядом проблем. К числу важнейших и зних относятся:

1. Интенсификация (ускорение) тепловой обработки материала и повышение удельной производительности ВТУ.

2. Повышение тепловой эффективности и экономичености их работы.

3. Повышение качества обрабатываемой продукции.

4. Повышение эффективности использования средств на строительство и эксплуатацию высокотемпературных теплотехнологических установок.

Эти проблемы большого народо-хозяйственного значения. Важность которых определяется как относительно низкой эффективностью тепловой работы и экономиченостью высокотемпературных теплотехнологических установок. Так и наличием значительных резервов улучшения техникоэкономических показателей их работ повышением призводительности этих установок и экономичностью тепловой обработки материала. Указанные проблемы целесообразно решать комплексно, что бы получить наибольший эффект. Плодотворный поиск их решений должен вестись по следующим возможным направлениям:

1. Повышение эффективности, используя топливо, автоматизация тепловых процессов, совершенствование топливосжигающих устройств и совершенствование отопления ВТУ.

2. Применение новых прогрессивных принцепов теплотехнического оформления технологического процесса тепловой обработки материала, способных обеспечить резкий подъем удельной производительности и высокие техникоэкономические показатели ВТУ.

3. Создание и использование совершенных тепловых схем топливных ВТУ.

4. Оптимизация температурных и тепловых режимов работы ВТУ.

Основа высокого энергосберегающего эффекта ВТУ закладывается в первую очередь разработкой рациональных тепловых схем ВТУ и элементов их оформления.

Поэтому особое значение придается особому практическому приложению теории тепловых схем в теплотехнологии. Практику разработок при проектировании теплотехнологических установок, внедряется в качестве обязательного этапа, рассмотрение и анализ различных вариантов тепловых схем. Эффективность использования топлива ВТУ, оценивается прежде всего удельным расходом топлива и термическим КПД ВТУ. Удельный расход топлива - это отношение общего расхода топлива к количеству выпускаемой продукции. Этот показатель может измеряться или в единицах теплоты топлива (кДж/кг) или в единицах условного топлива (кг у.т./кг). Повышение эффективности испольщования топлива. Повышение эффективности использования, могут быть достигнуто 3-мя путями:

1. Уменьшение тепловых отходов ВТУ.

2. Регенерация теплоты отходящих газов.

3. Включение внешнего использования тепловых отходов в энергетических или технологических целях.

В первую очередь надо стремиться к снижению тепловых потерь теплотехнологическим реактором с уходящими газами и потерями в окружающую среду через футеровку, с охлаждающей водой и технологическим продуктом. Для многих типов ВТУ решающее влияние на показатель теплоиспользования оказывает не только потери теплоты с уходящими газами, но и потери теплоты через футеровку и с охлаждающими элементами. Этао потеря теплоты в окружающую среду. Использование тепла уходящих газов, возможно по трем следующим направлениям:

1. Внутреннее, когда теплота уходящих газов расходуется для целей, связанных с технологическим процессом, протекающем в технологическом реакторе.

17.12.2012 - Лекция

Современые энергосберегающие технологии в теплоэнергетике.

Среди важнейших проблем, поставленных наукой и практикой, особое место занимает проблема энергосбережения. Сбережение топлива и теплоты поднято на уровень государственной политики. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕССУРСОВ определяется как дальнейшим развитием и совершенствованием производства энергии и энергоносителей, так и радикальным улучшением использования топлива, энергии и теплоты. Энергосберегающая политика приобретает особо важные значения для отрослей промышленности, основанных на теплотехнологиях, которые в России характеризуются большой энергоемкостью и относительно низким уровнем использования топлива. К числу энергоемких относятся производства тепловой энергии в виде пара и горячей воды на различных источниках, это производство строительных материалов, нефтепродуктов, продуктов химии и др..

Важность проблемы энергосбережения усиливается особо крупными резервами экономии топлива, теплоты и овзмости их практической реализации. Онсовным мероприятием по энергосбережению на источниках и в системах теплоснабжения, является совершенствование тепловых схем котельных. Как показывает многочисленные энергетические обследования, зачастую большенство промышленных и отопительных кательных имеют несовершенные тепловые схемы, в которых отсутствуют подогреватели исходной воды, подаваемой на обработку на водоподготовительной установке. Отсутсвуют поогреватели химически-очищеной воды, подаваемой в термические деаэраторы.

Зачастую установленные в котельных термические деаэраторы работают неэффективно, по следующим причинам:

1. установленные деаэраторы не соответствуют расчетным расходом воды на котельную, так например объем деаэрационного бака должен быть не меньше 30% расхода воды котельной, т.е. в котельных менее 30%.

2. Отсутствует или установлена нерасчетная деаэрационная колонка.

3. Температура питательной воды на выходе из деаэратора, намного ниже температуры кипения при данном давлении, например для атмосферного деаэратора темпрература питательной воды на выходе из него, должна быть 102 - 104 градуса.

4. Большая разность температур воды на выходе и входе в термиченский деаэратор.

Рекомендуемая разность температур после и до деаэратора не должналжна быть более 15 градусов.

По этим причинам из воды не удаляется большая часть корозионно-агрессивных газов (кислород, аммиак, хлор, углекислота). Имеет место повышенный расход тепловой энергии (пара), подаваемого в термический деаэратор. для нагрева воды по определенной технологии до заданной температуры.

В котельных с паровыми котлами на котлах, как правило отсутствуют расширители неприрывной продувки.

Расширетели неприрывной продувки устанавливаются на паровых котлах на линии сброса воды из солевого отсека барабана котла, с целью использования конденсата пара, образующегося при вскипании воды в расширителе неприрывной продувки. Данный конденсат можно использовать в качестве составляющей питательной воды, теплоту воды неприрывной продувки можно использовать для подогрева исходной воды, подаваемой на водоподготовительную установку. Также необходимо обращать внимание на функциональную схему водоподготовительной кстановки и на состав ее оборудывания. Не всегда схема водоподготовительных установок отвечает современным требованиям, так добавочная вода после водоподготовительной установки (ВТУ) по качеству может не удовлетворять требованиям котлоназора. Вместо 2-х ступенчатой схемы натрий-катионирования. Также может несоблюдаться технологический режим ВПУ. Цикл работы ионнообменной части водоподготовительной установки состоит из 4-х стадий: взрыхление катионитного материала перед его регенерацией (регенерация - процесс восстановления обменной способности катионита). Отмывка катионитного материала от продуктов регенерации. Ионно-обменная работа. В ряде случаев в котельной в качестве подпиточной воды для тепловых сетей используется сырая вода из водопровода, без обработки ее на ВПУ, что приводи к преждевременному выходу котолов и сетей из строя. Это также приводит к образованию отложений в трубах и теплообменниках, уменьшение проходного сечения, а следовательного и снижения надежности и качества теплоснабжения. Увеличивается расход электроэнергии на перекачку сетевой воды и перерасхода теплоэнергии при подогреве сетевой воды в теплообменииках по причине уменьшения коэффициента теплопередачи. В котельных с паровыми котлами, имеющими теплоподготовительную установку (сетевые подогреватели) для подогрева сетевой воды системы теплоснабжения, рекомендуется иметь два деаэратора, питтельной воды для питания паровых катлов и деаэротор подпиточной воды тепловых сетей. Это диктуется тем, что стоимость подготовки подпиточной воды намного ниже стоимости подготовки питптельной воды для паровых котлов. Для подготовки подпиточной воды тепловых сетей, достаточно иметь одноступенчатую схему Na-катионирования. При обследовании мазутного хозяйства котельных, необходимо проанализировать структурную и функциональные его схемы, установленное оборудывание. Мазутное хозяйство создается на предприятии для приема , хранения и подготовки мазута к эффективному его сжиганию в теплотехнологических установках. Схема отчистки и подогрева мазута должны быть трехступенчатыми. В следствии того, что нефтеперабатывающие заводы поставляют на промышленные предприятия тяжелые марки мазутов, его температура должна быть не ниже 120 градусов. Подогрев мазута в емкостях хранения должен быть органезован по рециркуляционнной схеме во внешних подогревателях, установленных на мазуто-насосной станции. Это обеспечивает снижение расхода пара на подогрев мазута в 2 - 4 раза за счет интенсификации теплообмена, одновременно повышается однородность топлива в резервуарах за счет перемешивания мазута. При этом на много ниже скорость осаждения подтоварной воды, примесей и карбаидов. Одним из направлений повышения эффективности использования топочного мазута, является его сжигание в виде водомазутной эмульсии (ВМЭ) - это синтетическое топливо, представляющее собой дисперсную систему из 2-х нерастворимых друг в друге жидкостей, одна из которых вода, в виде мельчайших капелек размером менее 0,1 мкм, равномерно распределена в мазуте. Раздробленная на капельки вода, называется дисперсной фазой, а мазут называется дисперсной средой. ВМЭ отличается от мазута физико-химическими свойствами и особенностями горения и тепломассообмена. При сжигании ВМЭ ПРОЦЕССЫ ГАРЕНИЯ мазута ускоряются и происходит снижение таксичных выбросов в атмосферу. Вода находится внутри а мазут снаружи, т.е. мазут тонкой пленкой обвалакивает каплю воды. Благоприятную роль играет большая разность в температурах кипения воды и мазута. При попадании в топку котла, капли водомазутной эмульсии начинают прогреваться. При прогреве, капли ВМЭ до температуры , превышающей температуру кипения воды, начинается испарение воды, т.е. привращение ее в водяной пар, при этом давление внутри капли ВМЭ повышается, под действием расширяющего пара, затем проихсодит микровзрыв капли, с разрывом обвалакивающей ее пленки мазута на более мелкие капли мазута. За счет этого увеличивается поверхность испарения мазута и улучшается контакт капель мазута с кислородом. Технология сжигания ВМЭ позволяет:

1. Обеспечить полное сжигание мазута, что дает уменьшение золовых отложений по газовому тракту котла, т.е. повышает надежность работы.

2. Позволяет снизить удельный расход мазута на выработку тепловой энергии до 6%.

3. Значительно уменьшить вредные выбросы в атмосферу: сажа (углерод) - в 2 раза, оксиды азота - до 35%

4. Позволяет утилизировать замазученые сточные воды, а также теплоту кондесата отработавшего пара мазутных подогревателей.

5. Уменьшить длину факела горения до минимальных размеров.

6. Избежать закоксовования сопел мазутных форсунок и повысить срок службы котельного оборудывания за счет снижения интенсивности низкотемпературной серно-кислой коррозиии схвостовых поверхностей нагрева.

18.12.2012 - Лекция 13

Схема теплообмена в рабочем пространстве ВТУ

Одним из важнейших факторов, определяющих теплотехнические основы высокотемпературной теплотехнологической установки, является ее тепловая работа. Под тепловой работой ВТУ понимается вся совокупность теплообменных процессов совершающихся в теплотехнологической реакторе. Теплообмен в ТР складывается из следующих процессов:

1. Теплообмен между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью футеровки.

2. Теплообмена, внутри материала, подвергаемого тепловой обработке.

3. Теплообмена, между внутренней поверхностью футеровки и окружающей средой, который выражается в передаче окружающей среде тепла из рабочего пространства, через футеровку ТР.

Отсюда вытекает решение 2-х задач - внешней и внутренней.

При решении внешней задачи, находятся рациональные условия реализации внешнего теплообмена. При решении внутренней задачи определяется качество продукции и производительность ВТУ. Классификация режимов работы по теплообменному признаку, позволяет в одной классификационной группе объеденить режимы работы высокотемпературной теплотехнологической установки, различного технологического назначения и установить для каждой такой группы рациональные условия сжигания топлива и механики газа. Анализ процесса теплообмена ВТУ проводится на основе выделения 2-х последовательных его стадий:

1. Внешнего теплообмена, обеспечивающего подвод тепла от источников энергии, к поверхности обрабатываемого материала.

2. Внутреннего теплообмена, т.е. распространение тепла внури материала, в результате чего повышается его температура и энтальпия до значений, требуемых технологией.

Некоторые процессы тепловой обработки материала, сопровождаются химическими реакциями с положительным или отрицателным теповым эффектом. Реации с положительным эффектом - экзотермические, с отрицательным - эндотермические. У четом этого, уравнение теплового баланса, отражающее количество теплоты, подведенного к поверхности тела, в результате внешнего теплообмена, и количество теплоты распространенного внутри тела при внутреннем теплообмене, примет вид:

где qср - средний удельный тепловой поток внешнего теплообмена; F - площадь поверхности, воспринимающей тепло; Тау - время тепловой обработки материала; М - масса материала подвергаемого тепловой обработки;дельта h - изменение энтальпии материала в результате тепловой обработки; Qэнд - тепловой эффект эндотермической реакции; Qэкз - тепловой эффект экзотермической реакции;

из 2-го уравнения видно что время обработки, определяется значением удельного внешнего теплового потока.

В ВТУ различают следующие виды теплообмена: радиационный внешний, внешний конвективный, и внешний смешанный (сложный) теплообмен. также сопряженный теплообмен. Сопряженный - совмещение внешнего и внутреннего теплообмена.

Внешний радиационный теплообмен характерен для ВТУ где температура в ТР свыше 1000 градусов. При некоторых условиях одновременно с излучением приобретает существенное значение и конвективный теплообмен. Внешний теплообмен в ТР ВТУ опрделяется комплексом ТП: гарением топлива, газодинамическими условиями, управляющими движением газового потока, массообменом и другими процессами. При математическом описании внешнего теплообмена, различают потенциал или движущую силу процесса, определяющим возможность его осуществления или протекания. При радиационном теплообмене, тепловой поток воспринимаемый материалом, подвергаемый тепловой обработке, определяется в соотвествии с законом Стефана-Больцмана и выражается : .

Приведенный коэффициент излучения Спр учитывает радиационное взаимодействие излучателя с поверхностью нагреваемого материала и другими системами внешнего теплообмена. При конвективном теплообмене тепловой поток воспринимаемый материалам по закону Ньютона-Рихмана : , где альфа (к) - коэффициент теплоотдачи конвекцией. В уравнениях 3 и 4 разности температур являются потенциалом процесса переноса тепла в уравнении 3 - радиацией, а в уравнении 4 - конвекцией. Параметрами, характеризующими кинетику этих процессов, являются величины: альфа (к) и...

Внешний теплообмен в значительной степени определяется температурным полем газового потока. Зависимость температурного поля, может быть получна решением дифференциального уравнения теплопроводности, описывающего распространение тепла в движущейся среде. С учетом возможностей внутренних источников тепла, это уравнение внутреннего теплообмена может быть представленно как: . Тепловая работа ВТУ с различными режимами теплообмена различна, причем каждому режиму теплообмена, соответствует свои наиболее благоприятные условия теплогенерации и движение теплоносителей. Деление режимов на 3 вида, отражает главные особенности теплообмена.