 |
Высокопотенциальные тепловые ВЭР
|
|
|
|
Тепловые ВЭР подразделяются на высокопотенциальные и низкопотенциальные. К высокопотенциальным тепловым вторичным энергоресурсам относятся вещества, имеющие достаточно высокую температуру от 400 до 1000 0С и более. Низкопотенциальными тепловыми ВЭР являются вещества с относительно низкой температурой – ниже 150 – 300 0С. Однако, отметим, что четкой температурой границы между высоко и низкотемпературными ВЭР не существует.
Проблема использования высокотемпературных тепловых вторичных энергоресурсов не вызывает особых затруднений. Более того, их использование является строго обязательным. Проекты всех технологических производств, связанных с наличием высокопотенциальных тепловых ВЭР, предусматривают их дальнейшее применение. Наиболее распространенными установками, предназначенными для использования высокопотенциальных тепловых ВЭР, являются котлы-утилизаторы (КУ). Конструкции КУ могут быть самыми разнообразными. Они нашли широкое применение в различных технологических процессах. Например, в производстве серной и азотной кислот для охлаждения обжиговых газов, имеющих температуру около 850 – 1200 0С. При этом вырабатывается, как правило, пар (рис.44).
Во входной камере имеется конус, в котором располагаются трубки пароперегревателя, к этому же конусу присоединяется нижняя часть контактного аппарата. Пароперегреватель работает в зоне высоких температур. Испарительная часть представляет собой трубчатый теплообменник, по трубкам которого проходят обжиговые газы. Вода находится в межтрубном пространстве. Влажный пар собирается в паросборнике, и по трубкам поступает в пароперегреватель, где перегревается, а затем направляется потребителю. Охлажденный обжиговый газ поступает в последующие аппараты.
|
|
|
Рис. 44 Принципиальная схема котла-утилизатора
1- входная камера; 2 – выходная камера; 3 – испарительные трубки;
4 – паросборник; 5 – пароперегреватель.
Целью теплового расчета котла-утилизатора является определение площади поверхности нагрева. Поверхность нагрева котлов-утилизаторов складывается из поверхностей нагрева жидкости и до температуры кипения, поверхности парообразования и поверхности пароперегревателя. Следовательно, общая поверхность равна:
Fобщ = Fн + Fп + Fпер, (10.1)
где Fн – поверхность нагрева жидкости, м2; Fп – поверхность парообразования, м2; Fпер – поверхность пароперегревателя, м2.
Тепловой расчет ведется в три стадии соответственно зонам, где происходят перечисленные процессы.
При расчете обычно известны температура газов на входе в котел-утилизатор и выходе из него, а также их расход, давление получаемого пара и его температура.
Уравнение теплового баланса котла без учета потерь теплоты в окружающую среду запишется следующим образом:
Q = Gг ∙ Cг (
) = D(iпер – iн), (10.2)
где Gг – массовый расход газов, кг/с; Cг – удельная теплоемкость газов, Дж/(кг∙К); 
- удельная и конечная температура газов, 0С; D – количество, получаемого пара, кг/с; iпер, iн – энтальпия перегретого пара и питательной воды, Дж/кг.
Энтальпию питательной воды рассчитывают по уравнению:
Iн = Cр ∙ tн, (10.3)
где Cр изобарная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг∙К);
tн – начальная температура питательной воды, 0С (для котлов-утилизаторов tн = 50 ÷150 0С).
Энтальпию перегретого пара определяют по таблицам или по диаграмме i-S для водяного пара по заданным давлению и температуре.
Решая уравнение (10.3), определяют паропроизводительность котла-утилизатора.
Поверхность каждой зоны котла определяют по уравнению теплопередачи:
|
|
|
Q = K ∙ F ∙ Δtср, (10.4)
где F – поверхность теплопередачи, м2;
К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К);
Δtср – средняя движущая сила процесса теплопередачи, 0С.
Для определения величины Δtср необходимо рассчитать температуры газа на выходе из пароперегревателя tг΄ и на выходе из зоны парообразования tг˝, для чего составляется тепловой баланс каждой зоны:
зона перегрева водяного пара:
Q1 = Gг ∙ Cг (
- tг΄) = D(iпер – iнас˝), (10.5)
где iнас˝ - энтальпия сухого насыщенного пара, Дж/кг; Q1 – тепловой поток в зоне перегрева, Вт.
Откуда
, (10.6)
зона парообразования:
Q2 = Gг∙Сг(tг΄ - tг˝) = D∙r, (10.7)
где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;
Q2 – тепловой поток в зоне парообразования, Вт.
Откуда 
. (10.8)
Тепловой поток в зоне нагрева воды до температуры кипения:
Q3 = Gг ∙ Cг (tг˝- 
) = D(iнас˝ – iн), (10.9)
Разность температур теплоносителей на концах зон:
Зона перегрева
(10.10)
Зона парообразования
(10.11)
Зона нагрева воды до температуры кипения
(10.12)
Рис. 45. Температурная схема котла-утилизатора.
Если Δt1/Δt2 < 2, то среднюю движущую силу процесса теплопередачи определяют по формуле:
(10.13)
Если Δt1/Δt2 > 2, то среднюю движущую силу процесса теплопередачи рассчитывают как среднелогарифмическую
(10.14)
Для зоны парообразования движущая сила
(10.15)
Коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению:
, (10.16)
где α1- коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке, Вт/(м2К);
α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м2К);
δ – толщина стенки, м;
λ – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м∙К).
Коэффициент теплоотдачи α1 и α2 изменяются довольно в широких пределах, их можно выбрать из следующей таблицы 31:
Следует отметить, что интенсивность теплообмена при кипении повышается с увеличением давления, так как теплофизические свойства исходности изменяются, при этом наблюдается рост значения коэффициента теплоотдачи. Поэтому наибольшие значения коэффициентов соответствуют большим давлениям. После определения коэффициентов теплопередачи по уравнению (10.16).
|
|
|
Таблица 31
Изменение коэффициентов теплоотдачи α1 и α2
| α1, Вт/(м2К) | α2, Вт/(м2К) | |
| Зона нагрева воды до температуры кипения | 10-60 | 3000-5000 |
| Зона перегрева водяного пара | 10-60 | 700-2500 |
| Зона парообразования | 10-60 | 1200-20000 |
После рассчитывают необходимые поверхности каждой зоны котла-утилизатора. Выбор котла осуществляют по таблицам (см. приложение табл П.22, П. 23.).
|
|
|
