7005

61

протекания любого из этих процессов ( проходить в

диффузионной или кинетической области) или при

сопоставимых значениях в диффузионнокинетической

области.

7 . Тепломассообмен в элементах парогенератора

Передача теплоты от продуктов сгорания к воде пароводяной смеси, пару и воздуху, движущимся в элементах котла, осуществляется через металлические стенки. Процесс теплопередачи осуществляется за счет теплопроводности,

конвекции и радиации, происходящих одновременно. К

поверхностям нагрева теплота от газов передается конвекцией и радиацией.

Через металлическую стенку, а также внешние и внутренние загрязнения теплота передается теплопроводностью, а от стенки к омывающей ее среде— конвекцией и теплопроводностью. Схема передачи теплоты от продуктов сгорания к обогреваемой среде показана на рис. 3 .1 .

Рис. 3 . 1 . Схема теплопередачи от продуктов сгорания к рабочему

телу

В процессе переноса теплоты от газов к поверхностям нагрева относительное значение радиации и конвекции меняется. К экранам, расположенным в слоевых и факельных топках в области наиболее высоких температур газов, перенос теплоты радиацией составляет более 90 %, к экранам топок

воздухоподогревателя — более 95 % -

По определяющему способу передачи теплоты от газов

пароперегревателя и испарительные поверхности нагрева,

расположенные за топкой. Далее по ходу газов в газоходах котла располагаются конвективные поверхности нагрева:

испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева, экономайзеры и воздухоподогреватели.

В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей ее средой.

Источниками излучения в топках при слоевом сжигании топлива являются поверхность раскаленного слоя топлива,

пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и

трехатомные продукты сгорания С0 2 , S O 2 Н2 О.

При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени,

образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение частиц топлива незначительно. При сжигании газа источниками

63

излучения являются объем его горящего факела и трехатом-

ные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса

горения. Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого

не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой

трехатомных газов. Интенсивность излучения твердых частиц

приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании

пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала

( примерно 0 ,1 кг/ м3) и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25 — 30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива.

Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40 — 60 % суммарного излучения топочной среды.

Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излучение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объема излучения.

64

Доля излучения трехатомных газов составляет 20 — 3 0 %

суммарного излучения. В газомазутных топках условно

излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие.

Применительно к идеальной системе с полусферическим излучением абсолютно черного тела и с равновесной

температурой в вакууме общий удельный поток энергии

выражается законом Стефана— Больцмана, который после

интегрирования исходной зависимости имеет вид

= ,

где E0 — общий удельный поток энергии, Вт/ м2 ,

C о — коэффициент излучения абсолютного черного тела;

Т — абсолютная температура, К.

При такой идеальной системе тепловосприятие луче-

воспринимающей поверхности Q, Вт, определяется по формуле

1 . Среда в топке и ограждающие ее поверхности не являются абсолютно черными телами. В топке лучистая энергия

распространяется в материальной непрозрачной среде,

65

содержащей горящие газы, продукты сгорания, частицы кокса

и золы. При этом происходят частичное поглощение средой энергии излучения, переход ее в теплоту, затем вновь излучение

окружающую среду топки. Обратное излучение при высокой

падающего потока энергии. Применительно к таким условиям теплообмена закон Стефана — Больцмана может быть выражен формулой №(3 .3)

же температуре, что и у абсолютно черного тела.

2 . В топке имеет место пространственное и несимметричное поле температур излучающей среды.

Температура максимальна в ядре факела, где она приближается к адиабатной температуре горения, т. е. при а= 1 и

отсутствии потерь в топке, а на выходе из топки она минимальна и ниже на 7 00 — 800 ° С максимальной. Разность температур по сечению вблизи экранов в центре топки составляет 200 — 3 00° С, а неравномерность температур на выходе из топки 50 — 100 ° С. В итоге процесс лучистого теплообмена существенно усложняется, что затрудняет

теплообмен между поверхностями нагрева и потоком газов высокой температуры при принудительном их движении.

Условия конвективного теплообмена отличны от идеализированных и усложнены изменением физических

параметров и характеристик потока газов в объеме топки— температуры, теплопроводности, плотности, вязкости, а также

изменением режима движения этого потока. Неопределенно

и температурное состояние расположенных в топке

конвективный перенос энергии, эта система состоит из

уравнения движения среды, уравнения неразрывности потока,

факторов, определяющих условия лучистого и конвективного теплообмена в топке, и неопределенности задания краевых условий и поэтому используется в основном для получения

определяющих критериев сложного теплообмена и

приближенных аналитических исследований.

Конвективные поверхности нагрева обычно выполняют в

поперечное. В этих поверхностях нагрева перенос теплоты от греющих газов к рабочей среде осуществляется преимущественно за счет конвекции.

67

Радиационная составляющая в общем потоке теплоты,

передаваемом рабочему телу, относительно невелика вследствие снижения температур потока газов по ходу их движения в газоходах котла и малой толщины излучающего слоя в межтрубном пространстве. Тепловой поток к рабочему телу в конвективной поверхности нагрева, кВт, в общем виде определяется выражением

= ∆,

Здесь Q — суммарное тепловосприятие поверхности нагрева, кВт.

Соответственное тепловое напряжение поверхности нагрева, кВт/ м2

ирабочей среды — температурный напор, ° С;

Н- площадь поверхности нагрева, м2 .

8 . Тепломассообменные процессы и установки

8 .1 . Понятия, определения и классификация

промышленного оборудования

Все тепломассообменные процессы и установки разделяются

на:

∙Высокотемпературные;

∙Среднетемпературные;

∙низкотемпературные;

∙криогенные;

К1-му классу относятся огнетехнические процессы и

установки (промышленные печи). Им соответствует диапазон рабочих температур от 400 до 20000 С.

68

Ко 2-му классу относятся установки, рабочий диапазон которых лежит в пределах от 150 до 7000 С (выпарные аппараты).

К 3-ей группе относятся установки с диапазоном температур от –150 до +1500 С (отопительные, вентиляционные системы, кондиционеры, тепловые насосы и холодильные установки).

К 4-ой группе – установки с рабочим диапазоном ниже –150 0 С (процесс разделения воздуха).

Кнаиболее распространённым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание.

Основными элементами теплообменных установок являются теплообменные аппараты. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел или веществ к менее нагретым, называются теплоносителями.

Тепломассообменные аппараты различают: по назначению, по принципу действия, по фазовому состоянию теплоносителей, по конструктивным и прочим признакам.

По назначению теплообменные аппараты называют: подогревателями, испарителями, пароперегревателями, конденсаторами, холодильниками, радиаторами и т.д.

Ктепломассообменным аппаратам относятся: скрубберы (для осушки и увлажнения воздуха), ректификационные колонны, абсорберы или адсорберы, сушильные аппараты, градирни.

По принципу действия аппараты м.б:

поверхностные;

контактные (смесительные).

Поверхностные теплообменные аппараты делятся на:

рекуперативные (теплообмен через стенку; непрерывного действия);

регенеративные (теплоносители поочерёдно омывают поверхность или насадку; периодического действия).

8.2.Тепломассообменные аппараты контактного типа

В тепломассообменных аппаратах и установках контактного ( смесительного) типа процессы тепло- и массообмена протекают при непосредственном соприкосновении двух или более теплоносителей.

Тепловая производительность контактных аппаратов определяется поверхностью соприкосновения теплоносителей. Поэтому в конструкции аппарата предусматривается разделение

69

потока жидкости на мелкие капли, струи, пленки или из газового потока на мелкие пузырьки.

Контактные теплообменники имеют широкое применение при охлаждении газов водой, нагревания воды газами ( паром), охлаждения воды воздухом, мокрой очистки газов и т.п.

По направлению потока массы контактные теплообменники могут быть разделены на две группы:

- аппараты с конденсацией пара из газовой фазы. При этом происходит осушка и охлаждение газа и нагревание жидкости ( конденсаторы, камеры конденсаторов, скрубберы);

- аппараты с испарением жидкости в потоке газа. При этом увлажнение газа сопровождается его охлаждением и нагреванием жидкости, или его нагреванием и охлаждением жидкости ( градирни, камеры кондиционеров, скрубберы, распылительные сушилки) .

По принципу диспергирования жидкости контактные аппараты могут быть насадочные, каскадные, барботажные, полые с разбрызгивателями и струйные.

Конструктивно смесительные аппараты выполняются в виде горизонтальных полостей из материалов, устойчивых против обрабатываемых веществ, рассчитываются на соответствующее рабочее давление. Насадочные и полые аппараты чаще всего изготовляются железобетонными, кирпичными или деревянными ( градирни) . Каскадные барботажные и струйные аппараты выполняются из металла. Высота колонн обычно в несколько раз превышает их поперечное сечение.

Контактные аппараты с насадкой просты в конструкции, дешевы и для их изготовления пригодны дешевые строительные материалы – бетон, керамика. Для оросителей насадочных аппаратов почти не требуется избыточное давление орошающей жидкости. Однако габариты массонасадочных аппаратов значительны, они требуют устройства массивных фундаментов и отличаются значительным гидравлическим сопротивлением по газовому тракту с каскадными и полыми аппаратами. Насадочные аппараты мало подходят для обработки сильно загрязненных жидкостей, они не пригодны при работе с сильно уменьшенным, по сравнению с расчетным, расходом жидкости.

Безнасадочные контактные аппараты отличаются малым сопротивлением по газовому потоку, но имеют большие габариты.

Полочные ( барометрические) конденсаторы просты по конструкции и не требуют установки специального насоса для откачки охлаждающей жидкости. Однако они имеют относительно малую удельную поверхность контакта фаз, для