 |
Регенеративные теплообменные аппараты
|
|
|
|
Это устройства, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью насадки. Процесс теплообмена осуществляется в 2 стадии. Первоначально через насадку пропускается горячий теплоноситель (нагревание). Затем пропускается через эту же насадку холодный теплоноситель (охлаждение).
Простейшая схема регенератора.
Наиболее распространёнными являются воздухонагревательные регенеративные установки (ВРУ) и холодильно-газовые машины (ХГМ). И первые, и вторые в качестве насадки используют базальтовую насыпную насадку с диаметром частиц от 4 до 14 мм, либо сетчатую насадку, выполненную из материала высокой температуропроводности (бронза, латунь).Характеристикой регенеративных аппаратов является их компактность: это отношение площади поверхности насадки к занимаемому объёму. Так для ВРУ эта характеристика достигает. Для ХГМэта величина составляет В качестве насадки при высоких температурах применяют огнеупорные кирпичи различной формы.
Регенераторы большинства печей имеют периоды нагрева и охлаждения (они равноценны).
Элементы насадки нагреваются и охлаждаются при граничных условиях 2-ого рода (q=const). Степень аккумулирования теплоты насадки оценивается коэффициентом аккумуляции теплоты (η): это отношение теплоты аккумулированной насадкой к тому количеству теплоты, которое могло бы аккумулироваться.В смесительных аппаратах теплообмен происходит при непосредственном контакте теплоносителей (двух сред). В промышленности такие аппараты носят название градирня или скруббер. Они применяются для осушки или увлажнения газов от пыли (взвешенных частиц).
По конструктивным особенностям смесительные аппараты подразделяются на:
|
|
|
· Камерные;Насадочные; Каскадные;Струйные;
· Плёночные подогреватели.
Характеристикой насадки является поверхность, отнесённая к единице объёмаS, м2/м3. Следующей характеристикой насадки является её свободный объёмV, м3/м3.
Преимущества насадочных смесительных аппаратов:
· Значительно уменьшает объём;
· Значительно увеличивает поверхность соприкосновения фаз.
Недостатки: при запыленных потоках газа пылевые частицы осаждаются на поверхности насадки, что требует очистки.
52 Смесительные теплообменные аппараты, в которых осуществляется конденсация каких-либо паров холодной жидкостью, называют конденсаторами смешения. Они широко применяются для конденсации водяных паров водой. По способу вывода потоков из аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, образующийся конденсат и несконденсирующиеся газы (обычно воздух) откачиваются из аппарата мокровоздушным насосом совместно. В сухих конденсаторах охлаждающая вода и конденсат выводятся из нижней части аппарата самотеком по трубе, а неконденсирующиеся газы откачиваются вакуум-насосом из верхней части аппарата по другой трубе.
53 уравнение теплового баланса, которое при условии отсутствия тепловых потерь имеет вид: 
где G — массовый расход теплоносителя, кг/с; i — удельная энтальпия, Дж/кг. Здесь и далее индексы 1, 2 относятся соответственно к горячей и холодной жидкостям, индексы ', " — к параметрам жидкости на входе в аппарат и на выходе из него. Полагая, что cр=const,
Уравнения материального баланса теплообменника: 
56Число, или критерий Фурье [1] (
) — один из критериев подобия нестационарных тепловых процессов. Характеризует соотношение между скоростью изменения тепловых условий в окружающей среде и скоростью перестройки поля температуры внутри рассматриваемой системы (тела), который зависит от размеров тела и коэффициента его температуропроводности:
|
|
|
где
· 
— коэффициент температуропроводности,
· 
— характерное время изменения внешних условий,
· 
— характерный размер тела.
Число Фурье является критерием гомохронности тепловых процессов, то есть связывает времена различных эффектов.
Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).
Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии невозможности возникновения в них конвективных токов.
Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разности температур тела. Совокупность значений температур всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид:
где t — температура тела; х, у, z — координаты точки; τ — время. Такое температурное поле называется нестационарным и отвечает неустановившемуся режиму теплопроводности. Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле называется стационарным. Тогда
, 
Температура может быть функцией одной, двух и трех координат, соответственно температурное поле будет одно-, дву- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:
, 
, 
Если соединить все точки тела с одинаковой температурой, то получим поверхность равных температур, называемую изотермической. Так как в определенной точке тела в данный момент времени может быть только одна температура, изотермические поверхности не пересекаются; все они либо замыкаются на себя, либо заканчиваются на границе тела. Пересечение изотермных поверхностей плоскостью дает на ней семейство изотерм. Интенсивность изменения температуры в каком-либо направлении характеризуется производной 
принимающей наибольшее значение в направлении нормали к изотермической поверхности
|
|
|
Вектор 
называется температурным градиентом и является мерой интенсивности изменения температуры в направлении по нормали к изотермной поверхности. Направлен он в сторону возрастания температуры
54 Уравнение теплопередачи описывает передачу тепла от горячего
теплоносителя к холодному через стенку поверхности теплообмена Q = K ⋅ ∆t ⋅ F,
где F, м2 – площадь поверхности теплообмена; К,
вт/м2К- средний коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному через
стенку; ∆t - средний температурный напор (средняя разность температур
теплоносителей).
Расчет среднего температурного напора (∆t) зависит от схемы движения
теплоносителей (прямоток, противоток, перекрестный ток или иная схема).
Средний температурный напор рассчитывается по формуле 
Температурное поле – совокупность значений температур Т во всех точках тела (пространства) в некоторый фиксированный момент времени t: стационарное (установившееся) – зависящее только от пространственных координат, Т = f (x, y, z); нестационарное (неустановившееся) – зависящее также и от времени, Т = f (x, y, z, t).
Поверхность, во всех точках которой температуры одинаковы, называют изотермической, а линии равных температур - изотермами.
окончательное выражение для температурного поля при охлаждении однородной пластины
0.q при любом начальном распределении температуры tУравнение (14.20) позволяет получить значение температуры в любой точке пластины для любого момента времени
Теория регулярного теплового режима – один из разделов учения о теплопередаче в твердых телах. В отличие от теории теплопроводности, теория регулярного режима рассматривает процесс охлаждения или нагревания не на всем протяжении, а только в той стадии, на которую перестало влиять начальное состояние тела.
Обычно в теории теплопроводности данное состояние предполагается определенным, заданным, тогда как в теории регулярного режима никаких условий относительно начального состояния не ставиться. При этом объект может быть любой формы и размеров, также неоднородным, состоящим из любого числа разнородных тел.
|
|
|
Основная задача теории - определение зависимости между темпом охлаждения или нагревания с осредненным коэффициентом теплоотдачи, при этом определяются не только зависимости, но и решается ряд частных практических задач. Теория возникла в 1928 г, когда перед энергетиками встала задача определении сложных процессов теплообмена котлов.
Пористые материалы находят большое применение в таких конструкциях, как высокотемпературные теплообменники, турбинные лопатки, реактивные сопла и т. д. На практике охлаждение пористых структур достигается нагнетанием жидкости или газа через капилляры твердого тела. Процесс теплообмена в таких пористых системах весьма сложен. При решении задачи предполагается, что вся передача теплоты внутри плоской пластины осуществляется за счет теплопроводности через твердую фазу и что температуры твердого тела и жидкости почти не отличаются друг от друга в любой точке пористой структуры. Эти предположения существенно упрощают решение задачи.
65 Горением называется быстрый процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающегося выделением значительного количества тепловой энергии. Особенности процесса горения, отличающие его от родственных процессов окисления: высокая температура; быстротечность по времени; неизотермичность; изменение концентрации компонентов, структуры и формы поверхности реагирования во времени.
По своей природе горение – процесс, протекающий при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных продуктов сгорания. В основе процесса горения лежат экзотермические и эндотермические реакции, которые описываются стехиометрическими уравнениями и принципиальной особенностью которых является их обратимость (принцип Ле-Шателье). Основы теории цепных реакций разработаны Н.Н. Семеновым. Для протекания реакции необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции и продуктов реакции из нее. Бурые угли. К бурым углям марки Б относят угли с неспекающимся коксом и высоким выходом летучих, обычно более 40%, и с высшей теплотой сгорания[1] рабочей массы без зольного угля, меньшей 5700 ккал/кг (23883 Дж/кг).
Бурые угли характеризуются высокой гигроскопической и в большинстве случаев высокой общей влажностью, пониженным содержанием углерода и повышенным содержанием кислорода по сравнению с каменными углями. Вследствие сильной балластированности золой (Ар=15-25%)[2] и влагой (Wp=20—35%) низшая теплота сгорания[3] бурых углей пониженная 
МДж/кг (2500-3600 ккал/кг).
|
|
|
Каменные угли. К каменным углям относят угли с высшей теплотой сгорания рабочей массы без зольного угля большей 5700 ккал/кг (23883 Дж/кг) и с выходом летучих более 9%. Основная масса их спекается. Часть их с выходом летучих веществ большим 42—45% (длиннопламенные) и меньшим 17% (тощие) - не спекается.
Каменные угли обладают относительно меньшим балластом: Ар=5-15%, Wp=5—10% и более высокой теплотой сгорания 
МДж/кг (5500—6500 ккал/кг).
Торф является химически и геологически наиболее молодым ископаемым твердым топливом и обладает высоким выходом летучих (Vг=70%), высокой влажностью (Wр=40—50%), умеренной зольностью (Aр=5—10%), низкой теплотой сгорания 
МДж/кг (2000—2500 ккал/кг).
Мазут. Из жидких топлив в энергетике используется мазут трех марок — 40, 100 и 200. Марка определяется предельной вязкостью, составляющей при 80°С для мазута 40 — 8,0; для мазута 100 — 15,6; для мазута 200 — 6,5—9,5 град. усл. вязкости (°УВ) при 100°С.
В мазуте содержится углерода 84—86% и водорода — 11—12%, содержание влаги не превышает 3—4%, а золы — 0,5%. Мазут имеет высокую теплоту сгорания 
МДж/кг (9400—9600 ккал/кг).
По содержанию серы различают малосернистый мазут Sр≤0,5%, сернистый — Sр до 2% и высокосернистый Sр до 3,5%; по вязкости — маловязкий и высоковязкий, содержащий смолистые вещества и парафин. Наиболее вязкие сорта мазута имеют температуру застывания 25—35 0С. В связи с этим при сжигании применяется предварительный нагрев вязких мазутов до температуры 80—120°.
Природный газ. Большое значение в топливном балансе Украины имеют природные газы, представляющие собой смесь углеводородов, сероводорода и инертных газов: азота и углекислоты. Основной горючей составляющей природных газов является метан (от 80 до 98%), что обусловливает их высокую теплоту сгорания. В них инертных газов содержится немного: 0,1—0,3% С02 и 1—14% N2.
67Способы сжигания органического топлива
Если за определяющий параметр взять скорость движения воздуха w в относительно скорости движения частиц топлива v т, то по этому параметру выделяют четыре технологии сжигания топлива.
1. ^ В плотном фильтрующем слое (w в >> v т).
Применяется только для кускового твердого топлива, которое распределяется на колосниковой решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается и процесс горения имеет кислородную и восстановительную зону.
Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет QR = 1,1…1,8 МВт/м2.
2. В кипящем или псевдоожиженным слое (w в > v т).
При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное движение вверх и вниз. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется критической.
Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда они выносятся потоком газов из слоя.
Значительная часть воздуха проходит через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что обеспечивает полноту выгорания топлива.
Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5…4 м/с, размер частиц топлива 3…10 мм, высота слоя не более 0,3…0,5 м. Тепловое напряжение объема топки QV = 3,0…3,5 МВт/м3.
В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок, шамотную крошку и др.
Концентрация топлива в слое не превышает 5 %, что позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая горючие отходы). Негорючий наполнитель в кипящем слое может быть активным по отношению к вредным газам, образующимся при горении. Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа.
3. ^ В потоке воздуха (w в ≈ v т) или факельный прямоточный процесс. Частицы топлива оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и начинают перемещаться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах топочного объема. Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива (распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 0,5 МВт/м3.
4. Циклонное сжигание топлива (w в ≤ v т). Частица или капля топлива циркулирует по организованному контуру потока столько раз, сколько необходимо для ее полного сгорания. При этом достигается наибольшая скорость сгорания с одновременной интенсификацией массопереноса. Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 1,3 МВт/м3.
|
|
|
