2. Нагревание топочными газами

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах (до 1000 С), используется нагревание топочными газами, образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в топках или печах различной конструкции.

Основными недостатками дымовых газов являются низкие коэффициенты теплоотдачи и, следовательно, требуемые большие поверхности нагрева, падение температуры в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева. Из-за относительно низкой удельной теплоемкости топочных газов их объемные расходы велики и транспортирование требует значительных затрат. Поэтому топочные газы обычно используют на месте их получения.

Рисунок 8.5 – Трубчатая печь: 1 – топка; 2 – топочная камера; 3 – окно; 4 – вентилятор; 5 – змеевик; 6 – шахта; 7 – боров

Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в трубчатых печах, а также в печах для реакционных котлов или автоклавов.

Трубчатая печьдлянагревания жидких продуктов представлена на рис. 8.5. Топочные газы образуются в топке 1, куда вводится твердое, жидкоеили газообразное топливо и необходимый для горения воздух. С целью понижения температуры газов в топочном пространстве в топочную камеру 2 через окно 3 вентилятором 4 нагнетается воздух. Топочные газы омывают змеевик 5, расположенный в шахте 6, а затем удаляются через боров 7.

Первая по ходу движения топочных газов часть печи называется радиантной, так как в ней основная часть тепла передается змеевику за счет излучения, а вторая – конвективной, в ней тепло передается трубам главным образом за счет конвекции.

Рисунок 8.6 – Схема обогрева с рециркуляцией дымовых газов: 1 – топка; 2 – окно; 3 – дымоход; 4 – вентилятор; 5 – дымовая труба; 6 – обогреваемый змеевик

Нагревание дымовыми газами, протекающее в «жестких» условиях при небольших перепадах температур, может привести к недопустимым перегревам продуктов у стенок обогреваемых аппаратов. Для смягчения условий нагреванияприменяют нагревание с рециркуляцией дымовых газов. Это дает возможность снизить температуру дымовых газов при одновременном повышении коэффициента теплоотдачи от газов к стенке обогреваемого аппарата.

В нагревательной печи с рециркуляцией топочных газов (рис. 8.6) часть отработанныхтопочных газов непрерывно отсасывается вентилятором 4 и через дымоход 3 и окно 2 направляется на смешение с дымовыми газами, выходящими из топки.

Расход топлива G_тпри нагревании дымовыми газами определяют из теплового баланса:

G_т(I₁–I₂) = Gс(t₂–t₁) + Q_пот ,

или

, (8.3)

где I₁ иI₂– энтальпия дымовых газов на входе и выходе из теплообменника;Q_пот– общие потери тепла, включающие, кроме потерь тепла в окружающую среду, потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, потери тепла от химической неполноты сгорания топлива, а также потери тепла с уходящими газами.

3. Нагревание высокотемпературными теплоносителями

Для обогрева аппаратов с рабочими температурами свыше 200 С применяют высококипящие органические и неорганические теплоносители в жидком и парообразном состояниях при атмосферном или небольших избыточных давлениях. Эти теплоносители сначала нагреваются топочными газами или электрическим током, а затем передают воспринятое тепло нагреваемой среде. Таким образом, они являются промежуточными.

Выбор теплоносителя определяется обеспечением переноса требуемого количества тепла при минимальном расходе энергии, наибольшем коэффициенте теплоотдачи и наименьшем термическом разложении.

В качестве высокотемпературных органических теплоносителей применяют глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов.

Наибольшее промышленное применение получила эвтектическая смесь дифенила и дифенилового эфира – «даутерм», используемая как в жидком (до температуры 330 С), так и в парообразном (до температуры 400С) состояниях. Основным достоинством этой смеси является возможность получения высоких температур без применения высоких давлений. Она горюча, но практически взрывобезопасна и оказывает лишь слабое токсическое воздействие на человека. Недостатком дифенильной смеси, как и других органических теплоносителей, является малая теплота парообразования. Однако у дифенильной смеси это в значительной мере компенсируется большей, чем у воды, плотностью паров, в результате чего при испарении или конденсации смеси количество тепла, выделяющееся на единицу объема пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды.

При длительном использовании «даутерма» в теплообменных аппаратах происходит его термический распад и полимеризация. Допустимая концентрация полимеров и продуктов термического распада (10–15 %) достигается после 45–60 месяцев работы при 350С и 1,5–2 месяцев при 410С.

Для области температур до 360 ^оС применяется нагрев парами дихлорбензола.

Минеральные масла являются самыми дешевыми, но и наименее термически устойчивыми теплоносителями. Их достоинством является текучесть при температурах ниже 0 С. Применяют минеральные масла при атмосферном давлении и температурах до 300С, а под давлением – и при более высоких температурах (до 350С). Однако вблизи температуры вспышки, которая обычно ниже 300С, наблюдается их термическое разложение, сопровождающееся отложением кокса на поверхности нагрева и выделением газообразных веществ. Последние образуют с кислородом воздуха взрывоопасные смеси, а отложение кокса приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.

В качестве неорганических высокотемпературных теплоносителей используют расплавленные соли и жидкие металлы.

Расплавленные соли используются в виде нитрит-нитратной смеси, содержащей 40 % азотистокислого натрия, 7 % азотнокислого и 53 % азотнокислого калия. Эта смесь применяется для нагрева до температур 500–540 С. Недостатками нитрит-нитратной смеси являются сравнительно высокая температуракристаллизации (142,3С), что требует обогрева трубопроводов и арматуры, а также то, что она представляет собой сильный окислитель. Последнее может привести к взрыву.

Ртуть и жидкие металлы (натрий, калий, свинец) являются эффективными теплоносителями при температурах 400–800 С. Они отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи, огне- и взрывобезопасны. Однако они отличаются высокой агрессивностью по отношению к распространенным конструкционным материалам. В связи с этим допускаемые максимальные температуры жидкометаллических теплоносителей диктуются их коррозионным действием. Помимо этого, пары их высокотоксичны, а некоторые из них в смеси с воздухом взрывоопасны. Для безопасной эксплуатации установки с жидкометаллическими теплоносителями должны быть надежно герметизированы, а теплоносители находиться в среде инертных газов.

Рисунок 8.7 – Принципиальная схема установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя: 1 – печь; 2 – змеевик; 3 – обогреваемый аппарат

Нагревание жидкими промежуточными теплоносителями осуществляется на установках с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Принципиальная схема установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис. 8.7.

Жидкий теплоноситель нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании плотности теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к обогреваемому аппарату 3. Далее теплоноситель перемещается по змеевику, расположенному вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемой среде. Теплоноситель при этом охлаждается, а плотность увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз. Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.

Тепловая нагрузка установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя:

, (8.4)

где G– массовая скорость циркуляции теплоносителя;t_гор– температура теплоносителя до обогреваемого аппарата;t_хол– температура теплоносителя после обогреваемого аппарата.

Массовая скорость циркуляции теплоносителя может быть определена из соотношения: (f– площадь сечения трубопровода;w– линейная скорость теплоносителя в трубопроводе; ρ – плотность теплоносителя).

Линейная скорость теплоносителя в трубопроводе может быть найдена исходя из равенства движущего напора в контуре и гидравлического сопротивления контура.

Напор, определяющий движение теплоносителя в контуре:

, (8.5)

где H=h+0,5(h_a+h_n);h– высота, определяющая положение обогреваемого аппарата над печью (см. рис. 8.7); ρ_холи ρ_гор– плотности теплоносителя в холодной и горячей ветви контура.

Гидравлическое сопротивление холодной и горячей ветвей контура:

. (8.6)

Здесь w_холиw_гор– линейные скорости теплоносителя в холодной и горячей ветви контура соответственно;– сумма сопротивлений соответственно холодной и горячей ветви.

При одном и том же сечении трубопровода в холодной и горячей ветвяхw_холρ_хол=w_горρ_гор(по закону неразрывности потока), следовательно,

.

Подставляя найденное значение w_горв уравнение (8.6), получим

. (8.7)

При установившемся процессе , тогда

. (8.8)

Из уравнения (8.8) следует, что тепловая производительность циркуляционных установок возрастает с увеличением разности высот расположения обогреваемого аппарата и печи и увеличением разности плотностей теплоносителя в холодной и горячей ветвях контура. С ростом гидравлических сопротивлений системы ее тепловая производительность уменьшается. Скорость теплоносителя в условиях естественной циркуляции мала (порядка 0,1 м/с), поэтому тепловая производительность установок с естественной циркуляцией невелика.

Высокая тепловая производительность достигается в установках с принудительной циркуляцией жидких теплоносителей (рис. 8.8).

Рисунок 8.8 – Схема установки с принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя: 1 – сборник теплоносителя; 2 – насос; 3 – трубчатый нагреватель; 4 – обогреваемый аппарат; 5 – расширительный сосуд

Для заполнения системы необходимое количество теплоносителя перекачивается в нее из сборника 1 насосом 2. После этого сборник 1 разобщается с системой перекрытием вентилей и при работающем насосе 2 теплоноситель начинает циркулировать через трубчатый нагреватель 3, расположенный в печи, и рубашку обогреваемого аппарата 4. В трубчатом нагревателе теплоноситель воспринимает тепло топочных газов, а в рубашке обогреваемого аппарата 4 отдает его нагреваемой среде. В верхней точке система снабжается расширительным сосудом 5, уровень в котором изменяется вследствие термического расширения теплоносителя, содержащегося во всей системе.

Применение принудительной циркуляции позволяет значительно увеличить скорость циркуляции теплоносителя (до 2–2,5 м/с и более) и тем самым повысить интенсивность теплообмена. Кроме того, одна печь может обслуживать одновременно несколько аппаратов. Однако использование циркуляционного насоса значительно удорожает стоимость установки и ее эксплуатации.