Испарительное охлаждение

Сущность испарительного охлаждения (рис. 3.12) заключается в охлаждении конструктивных элементов печей химически очищенной водой, причем отводимая от конструктивных элементов теплота затрачивается на испарение воды.

Рис. 3.12. Схема испарительного охлаждения:

1 - теплообменная поверхность; 2 - циркуляционный насос;

3 – подпиточный насос; 4 – барабан

 

Охлаждаемые элементы присоединены двумя трубами к барабану-сепаратору, в котором пар отделяется от воды. Возможно применение естественной и принудительной циркуляции воды. Отводимая теплота используется на производство пара в количестве, кг/с,

, (3.37)

где Q - отводимое количество теплоты; i˝ и i_пв - энтальпии насыщенного пара и питательной воды, кДж/кг.

Испарительное охлаждение имеет следующие преимущества:

1. Уменьшение расхода воды.

2. Использование химводоподготовки и уменьшение накипеобразования обеспечивает более низкое значение температуры охлаждаемых стенок.

3. Полезно используется теплота, отведенная от агрегата.

Рис. 3.13. Влияние накипи на эффективность испарительного охлаждения

 

Тепловосприятие поверхностей: в доменной печи достигают 500 кВт/м², в мартеновской 800 кВт/м², в нагревательных печах до 70 кВт/м². Столь высокие значения тепловых потоков обусловлены интенсивной радиацией высокотемпературного факела, расплавленных масс металла и шлака.

Температура охлаждаемой стенки определяется как

. (3.38)

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде приблизительно равен кВт/(м²×К). При отсутствии накипи, толщине стенки м и при коэффициенте теплопроводности стали Вт/(м×К) комплекс , а температура стенки при кВт/(м²×К) превысит температуру теплоносителя на . При появлении накипи толщиной в 1 мм и при теплопроводности накипи Вт/(м×К) превышение температуры стенки над температурой теплоносителя составит уже . Таким образом, слой накипи даже в 1 мм может привести к пережогу труб либо кессонов.

Стойкость подверженной наибольшему тепловому воздействию поверхности кессона можно повысить за счет создания на наружной поверхности кессона гарнисажного слоя. Для этого используют предварительно ошипованные кессоны, с использованием огнеупорной набивки между шипами; теплопроводность такого слоя составляет λ = 1-5 Вт/(м²×К).

 

Глава 4. Использование отработавшего пара

4.1 Схемы использования теплоты отработавшего пара

В большинстве случаев отработавший пар имеет низкое давление, загрязнен химическими и механическими примесями, а при переменных нагрузках производственных агрегатов образуются прерывистые потоки пара. Наиболее простой и доступный способ утилизации теплоты – использование его на отопление, бытовые и другие подобные нужды.

В общем случае существуют три основные направления использования отработанного пара: для теплоснабжения, для выработки электроэнергии, для выработки электроэнергии и теплоснабжения [5]. При значительных колебаниях расхода вторичного пара предусматривают установку пароводяных аккумуляторов.

Теплоснабжение. По схеме использования отработавшего пара для теплоснабжения (рис. 4.1) отходящий от производственной установки 1 отработавший пар проходит через очистительное устройство 2 и направляется к тепловому потребителю 3. При резких колебаниях количества пара, потребляемого производственной установкой, на линии острого пара применяется установка пароводяного аккумулятора 5. При несоответствии режимов отхода отработавшего пара и тепловых нагрузок теплового потребителя устанавливается аккумулятор 4.

Рис. 4.1. Принципиальная схема использования отработавшего пара для теплоснабжения: 1 - производственная установка; 2 – фильтр; 3 – тепловой потребитель; 4, 5 – паровые аккумуляторы

Выработка электроэнергии. Отработавший пар для выработки электроэнергии может использоваться в турбинах мятого пара, в турбинах двойного давления, а также в теплофикационных турбинах с промежуточным подводом пара. Установки с турбиной мятого пара (рис. 4.2, а) предназначены для выработки электроэнергии только за счет отработавшего пара. В связи с тем, что возможны перерывы в поступлении отработавшего пара от производственного агрегата, тепловые аккумуляторы, особенно аккумулятор 5, должны выполняться со значительной аккумулирующей способностью. Работа установки с турбинами двойного давления протекает в более благоприятных условиях, так как в турбину 4 (рис. 37, б) независимо от работы производственного агрегата обеспечено непрерывное поступление пара.

Рис. 4.2. Схемы использования отработавшего пара для выработки электроэнергии: а – с турбиной мятого пара; б – с турбиной двойного давления; 1 - производственный агрегат; 2 - пароочиститель; 3 - турбина мятого пара; 4 - турбина двойного давления; 5, 6 - тепловые аккумуляторы; 7 – котел

Во всех схемах использования отработавшего пара необходимым элементом являются паровые аккумуляторы. Термические основы работы этих аккумуляторов одинаковые и состоят в том, что каждому значению давления насыщенного пара соответствует строго определенная температура. При изменении давления смеси воды и пара должна измениться и температура этой смеси до значения температуры насыщения при новом давлении. При повышении давления часть пара конденсируется, и выделившаяся теплота парообразования вызывает повышение температуры. При понижении давления снижается температура смеси, и освобождающаяся теплота парообразования служит для испарения части воды.

 

4.2 Паровые аккумуляторы

Аккумуляторы Рато предназначены для выравнивания колебаний при поступлении отработавшего пара от машин периодического действия и машин, работающих с переменной нагрузкой, при использовании его в установках с постоянной нагрузкой. Эти аккумуляторы работают при низких давлениях (ниже 0,2 МПа), обычно при перепаде давления у аккумулятора от 0,2 до 0,1 МПа. Они обладают небольшой выравнивающей способностью.

 

Рис. 4.3 Схема подключения аккумуляторов: а – с аккумулятором Рато; б – с аккумулятором Рутса; 1 – котел; 2 - машина, работающая с переменной нагрузкой; 3 – аккумулятор Рато; 4 – пароприемник с постоянной нагрузкой; 5 – аккумулятор Рутса

 

Рассмотрим схему подключения аккумуляторов Рато и Рутса (рис. 4.3). В схеме рис. 38, а пар от котла поступает в машину 2, работающую с переменной нагрузкой. Давление пара на участке котел — выхлопной патрубок машины снижается на величину (∆Р ~ 0,2) МПа. Аккумулятор Рато 3 выравнивает кратковременные колебания паровой нагрузки и пар с постоянным давлением 0,2 МПа поступает в машину 4 или пароприемник, работающие с постоянной нагрузкой. В схеме рис. 38, б аккумулятор Рутса 5 работает параллельно с машиной 4, имеющей постоянную нагрузку, и выравнивает колебания расхода пара машиной 2.

Применяемые в настоящее время аккумуляторы Рато имеют диаметр цилиндрического корпуса 2,5—3 м, длину 7,5—9 м, рабочий объем воды до 40 м³ и пропускную способность до 20 т пара в час.

Аккумуляторы Рато служат промежуточным звеном между машинами периодического действия и установками с постоянной нагрузкой, что необходимо учитывать при расчете аккумулятора. Обозначим: М — масса воды в аккумуляторе, кг; D₁ — количество пара, периодически поступающего в аккумулятор из машины, кг; D₂ — количество пара, непрерывно отбираемого из аккумулятора, кг/с; τ₁— длительность рабочего периода машины (длительность зарядки); с; τ₂ — длительность перерыва в подаче пара в аккумулятор (длительность разрядки), с; r — средняя теплота парообразования при среднем давлении, кДж/кг; и — энтальпии воды в начале и конце зарядки аккумулятора соответственно при давлениях P₁ и P₂.Составим уравнение теплового баланса аккумулятора:

. (4.1)

В левой части уравнения обозначено количество теплоты, которое выделяется при конденсации в аккумуляторе избытка пара (D₁ - D₂), образующегося во время рабочего периода машины. Правая часть показывает количество теплоты, которая поглощается водой, находящейся в аккумуляторе за тот же период. Теплоотводом в окружающую среду пренебрегаем. Из этого уравнения находим массу воды в аккумуляторе:

. (4.2)

Из уравнения материального баланса аккумулятора

(4.3)

находим количество пара, непрерывно отбираемого из аккумулятора:

. (4.4)

Подставив уравнение (70) в (68), получим:

. (4.5)

Разделив массу воды на ее плотность, найдем объем воды в аккумуляторе . Общий объем аккумулятора V больше V_в на величину парового пространства, размер которого принимается равным (0,01 - 0, 2) V_в.

Аккумуляторы Рутса предназначаются для выравнивания давления у производителей и потребителей теплоты. Включаются аккумуляторы Рутса между двумя сетями постоянного, но разного давления, с которыми они соединяются при помощи двух автоматических (зарядного и разрядного) клапанов. Работают они при высоких давлениях. Перепад давления у аккумулятора Рутса достигает несколько десятых мегапаскалей, и благодаря этому выравнивающая способность его значительно больше, чем у аккумулятора Рато. Производит аккумуляторы Рутса Таганрогский котельный завод.

Аккумуляторы Рутса (рис. 4.4) в отличие от аккумуляторов Рато строятся со сферическими днищами, так как они работают при более высоких давлениях. Цилиндрический корпус аккумулятора устанавливается на опорах, обеспечивающих свободу термическим расширениям в двух направлениях. Снаружи корпус покрыт изоляцией. Аккумулятор снабжается предохранительными клапанами 6, воздушным и вакуумным клапаном, клапаном для спуска воды и продувки, штуцерами для манометра, термометров, указателей уровня и подсоединения двух водяных линий с клапанами для регулирования наполнения. При зарядке аккумулятора пар впускается в водяной объем при помощи горизонтальной распределительной трубы, к которой на расстоянии около 1 м друг от друга подсоединены зарядные устройства. Зарядные устройства состоят из циркуляционных труб 3 и зарядных мундштуков 2. Пар из зарядного трубопровода 1 через обратный

 

Рис. 4.4. Схема аккумулятора Рутса:

1 – зарядный трубопровод; 2 – зарядный мундштук; 3 – циркуляционные трубы;

4 – распределительная труба; 5 – зарядный обратный клапан; 6 – предохранительные клапаны; 7 – сопло Лаваля; 8 – разрядный обратный клапан; 9 – водоуказательная трубка

 

клапан 5 направляется в распределительную трубу 4, в которой движется со скоростью примерно 50 м/с, и из нее поступает в зарядные мундштуки. Из мундштуков пар вырывается в виде отдельных струек через отверстия в кольцевое пространство между мундштуком и циркуляционной трубой, вызывая энергичный поток воды снизу вверх. Благодаря этому создается хорошая циркуляция воды и равномерное распределение температуры по всему объему аккумулятора.

Во время зарядки в паровом пространстве аккумулятора устанавливается небольшой избыток давления, благодаря чему между паром, поступающим для зарядки, и водой образуется разница в температуре, способствующая охлаждению пара и его конденсации. При отборе пара из аккумулятора в паровом пространстве давление снижается, происходит парообразование.

Для предохранения аккумулятора от чрезмерного повышения напряжения зеркала испарения в разрядном трубопроводе устанавливается ограничительное сопло Лаваля 7. Сечение сопла рассчитано так, чтобы при максимальном расходе пара, соответствующем критической скорости в суженном сечении сопла, напряжение зеркала испарения не превышало максимально допустимой величины.

Наполнение аккумулятора водой больше чем на 90-95 % не рекомендуется во избежание бросков воды в паропровод. При работе аккумулятора уровень воды в нем колеблется в широких пределах. Контроль уровня воды осуществляется по водоуказательной колонке, подсоединяемой к аккумулятору трубками 9.

а

б

 

Рис. 4.5. Суточный график работы оборудования:

а – хронологический график; б – результирующий график

 

По схеме (рис. 4.4, б) аккумулятор включен параллельно водяному объему котла. Такое включение имеет преимущества: нечувствительность котла к колебаниям нагрузки, возможность работы котла в номинальном режиме. Кроме выравнивания колебаний в расходе пара в течение рабочей смены, такая схема оправдывает себя при одно- или двухсменной работе, позволяя в конце рабочей смены пар из котла использовать для зарядки аккумулятора.

На участках графика АВС и EFG (рис. 4.5) аккумулятор разряжается, а на участке CDЕ — заряжается. Суточный график разбивается вертикальными площадками со знаками «плюс» для зарядки и «минус» для разрядки. Отсчет ведется от линии AG, соответствующей заданному графику подачи пара. Площади складываются, и результат сложения откладывается на следующем графике (рис. 40, б); таким образом, получается интегральная кривая.

. (4.6)

Наибольшая разность ординат этой кривой и есть искомое значение необходимой аккумулирующей способности S_max. Объем воды V в аккумуляторе рассчитывают из уравнения

 

, (4.6)

где: r – теплота паробразования при среднем давлении в аккумуляторе, - энтальпия воды в начале и в конце зарядки соответственно.

Объем аккумулятора зависит от характера графика тепловой нагрузки, необходимой степени его выравнивания и расчетных давлений пара в аккумуляторе в начале и конце зарядки. Чем больше разница между этими давлениями, тем больше удельная аккумулирующая способность аккумулятора и тем меньше размеры последнего при заданной производительности. Верхний предел давления зарядки определяется схемой включения аккумулятора в установку, а нижний в конце разрядки соответствует наименьшему допустимому давлению у потребителя пара.