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:

F_общ = F_н + F_п + F_пер, (10.1)

где F_н – поверхность нагрева жидкости, м²; F_п – поверхность парообразования, м²; F_пер – 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 = G_г ∙ C_г ( ) = D(i_пер – i_н), (10.2)

где G_г – массовый расход газов, кг/с; C_г – удельная теплоемкость газов , Дж/(кг∙К); - удельная и конечная температура газов, ⁰С; D – количество, получаемого пара, кг/с; i_пер, i_н – энтальпия перегретого пара и питательной воды, Дж/кг.

Энтальпию питательной воды рассчитывают по уравнению:

I_н = C_р ∙ t_н, (10.3)

где C_р изобарная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг∙К);

t_н – начальная температура питательной воды, ⁰С (для котлов-утилизаторов t_н = 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 ∙ Δt_ср, (10.4)

где F – поверхность теплопередачи, м²;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

Δt_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи, ⁰С.

Для определения величины Δt_ср необходимо рассчитать температуры газа на выходе из пароперегревателя t_г΄ и на выходе из зоны парообразования t_г˝, для чего составляется тепловой баланс каждой зоны:

зона перегрева водяного пара:

Q₁ = G_г ∙ C_г ( - t_г΄) = D(i_пер – i_нас˝), (10.5)

где i_нас˝ - энтальпия сухого насыщенного пара, Дж/кг; Q₁ – тепловой поток в зоне перегрева, Вт.

Откуда

, (10.6)

зона парообразования:

Q₂ = G_г∙С_г(t_г΄ - t_г˝) = 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 = G_г ∙ C_г (t_г˝- ) = D(i_нас˝ – i_н), (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

После рассчитывают необходимые поверхности каждой зоны котла-утилизатора. Выбор котла осуществляют по таблицам (см. приложение табл П.22, П. 23.).