Нагрівання димовими газами

Нагрівання димовими (топковими) газами є найстарішим методом нагрівання, який не втратив свого значення внаслідок можливості отримання високих температур (100÷1100°С) під час спалювання твердого, рідкого та газоподібного палива (за невисокого надлишкового тиску в теплообміннику). Найчастіше їх використовують для нагрівання через стінку інших нагрівальних агентів (проміжних).

Особливістю нагрівання димовими газами є жорсткі умови процесу нагрівання ( неприпустимі для багатьох продуктів), значні перепади температур і невеликі коефіцієнти тепловіддачі (35÷60 вт/м²·град) від газу до стінок апарату. Великі температурні перепади під час такого нагрівання сприяють досягненню високих теплових навантажень. Найбільш суттєвими недоліками цього методу є: нерівномірність нагрівання, можливість забруднення продуктами неповного згоряння палива, перегрівання матеріалу, який нагрівається, вогненебезпечність тощо. Внаслідок низької питомої теплоємності топкових газів об`ємні витрати їх великі і транспортування вимагає великих капітальних витрат. Тому топкові гази переважно використовують на місці їх одержання.

Нагрівання топковими газами здійснюється в різних печах (трубчастих, реакційних котлах та автоклавах). Економічно доцільно застосовувати в якості гріючих агентів відхідні гази деяких хімічних та інших виробництв, температура яких є достатньо високою і досягає 500-600⁰С.

Топкові гази утворюються в топці 1, в якій спалюється тверде, рідке або газоподібне паливо, а також сюди подається необхідна для спалювання газу кількість повітря. Повітря подається в топки 2 через вікно з вентилятором 4. Топкові гази омивають трубний змійовик 5, який розміщений в шахті 6 і виводять через канал 7. Перша за ходом руху топкових газів частина печі називається радіантною, оскільки в ній основна частина тепла передається до трубного змійовика випромінюванням, а друга - конвективною. В цій камері тепло передається трубам, головним чином, за рахунок конвекції.

Піч для реакційних котлів (автоклавів), яка працює на газоподібному паливі показана на рис 2.6. Газоподібне паливо спалюється в топці 1, куди через канал 2 подається необхідне для спалювання палива повітря. Димові гази відтак направляються в камеру 3, де передають тепло апарату 4. Відпрацьовані димові гази через кільцевий канал 5 направляються в канал 6.

Безпосереднє нагрівання топковими газами, яке відбувається в жорстких умовах може призвести до неприпустимого перегрівання продуктів біля стінок апарату.

Тому для пом‘якшення умов передачі тепла за одночасного збільшення коефіцієнтів тепловіддачі відпрацьовані гази повертають в піч для змішування з димовими газами, які відводяться з топки.

Часткове повернення відпрацьованого газу знижує температуру і збільшує об`єм газу, який нагріває апарат. Збільшення кількості газу приводить до збільшення швидкості газового потоку і коефіцієнта тепловіддачі. Подібні методи нагрівання називаються нагріванням з рециркуляцією.

На рис. 2.7. показана піч з рециркуляцією топкових газів. В цій печі частина відпрацьованих топкових газів безперервно відсмоктується вентилятором 3 і через димохід 4 і вікно 5 направляється на змішування з димовими газами, які виходять з топки.

Витрати палива під час нагрівання димовими газами визначають з теплового балансу (рис.2.8)

(2.4)

де G – кількість продукту, який підлягає нагріванню, кг/год; с – теплоємність, Дж/(кг·град); t₁ і t₂ – температура продукту до нагрівання і після нього відповідно, ⁰С; Q₀ – загальна кількість тепла, що вноситься паливом, Дж/кг; Q₁ – витрати тепла з газами, які виводяться з печі, Дж/кг; Q₂ – втрати тепла, пов‘язані з механічно неповним згорянням палива, Дж/кг; Q₃ – втрати тепла від хімічної неповноти згоряння, Дж/кг; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/кг.

Тепло, яке корисно використовується і передається через поверхню нагрівання визначається за рівнянням:

(2.5)

Загальна кількість тепла, яке вноситься з паливом, визначається з теплового балансу (2.4)

(2.6)

Втрати палива в кг/кг визначаються з рівняння:

(2.7)

де q₀ = q_т + q_п + q_з – тепло в Дж, яке вноситься в топку на 1кг палива; q_т – теплота палива, Дж/кг; q_п – тепловміст повітря, яке вноситься для спалювання 1 кг палива, Дж/кг; q₃ – теплота згоряння палива.