73559

Источники энергии высокотемпературных теплотехнологических установок

Лекция

Физика

Классификация реакторов высокотемпературной теплотехнологической установки; Структурная схема теплотехнологического реактора; Схемы размещения источников энергии и движения дымовых газов в камерах (зонах) реакторов высокотемпературных технологических установок; Схема тепломассообмена в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках;

Русский

2014-12-17

261 KB

16 чел.

Лекция 5. Источники энергии высокотемпературных

теплотехнологических установок

План:

  1.  Классификация  реакторов  высокотемпературной теплотехнологической установки;
  2.  Структурная схема теплотехнологического реактора;
  3.  Схемы размещения источников энергии и движения дымовых газов в камерах (зонах) реакторов высокотемпературных технологических установок;
  4.  Схема тепломассообмена в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках;
  5.  Пути интенсификации радиационного теплообмена в теплотехнологическом реакторе (ТР).

  1.  Классификация реакторов высокотемпературной

теплотехнологической установки

Высокотемпературные теплотехнологические установки, в которых все стадии теплотехнологического процесса осуществляются в конструктивно единой камере, относят к группе установок с однокамерным реактором. Установки, в которых различные стадии теплотехнологического процесса осуществляются в конструктивно отдельных камерах, относят к теплотехническим установкам с многократным реактором. Многокамерный вариант реактора свойствен ряду новых разрабатываемых схем теплотехнологических установок.

Рис.1-Классификация реакторов высокотемпературной

Высокотемпературные теплотехнологические установки с однокамерным однозонным реактором характеризуются относительно равномерным температурным полем греющих газов в объеме и, как правило, цикличностью их действия. Примером таких установок являются мартеновские печи. Установки с однокамерным однозонным реактором и циклическим действием в наименьшей мере удовлетворяют современным требованиям.

Высокотемпературные теплотехнологические установки с однокамерным, но многозонным реактором отличаются непрерывностью действия и неравномерным полем температуры газов в объеме (по пути движения газов). Установки с многозонным реактором по ряду позиций более прогрессивны по сравнению с установками, имеющими однокамерный однозониый реактор.

Высокотемпературные теплотехнологические установки с многокамерным секционированным реактором характеризуются набором конструктивно однотипных камер (секций), в которых осуществляются отдельные однотипные стадии технологического процесса с применением однотипных теплотехнических принципов. В этих камерах могут использоваться автономные источники энергии. Высокотемпературные установки с многокамерным комбинированным реактором характеризуются наличием конструктивно различных отдельных камер, обычно имеющих различные источники энергии.

Многие новые разрабатываемые варианты, например теплотехнологических установок для непрерывной выплавки стали, внедоменного получения чугуна, ориентируются на применение многокамерных реакторов. Варианты высокотемпературных теплотехнологических установок с многокамерным комбинированным реактором в общем случае открывают более широкие возможности и пути удовлетворения современных требований.

В многозонном и многокамерном реакторе можно в общем случае выделить следующие зоны и камеры.

1. Зоны и камеры предварительной тепловой или тепловой и физико-химической обработки исходных материалов (ЗПТО КПТО). Эти зоны и камеры обеспечивают начальную технологическую обработку исходных материалов в теплотехнологическом процессе, реализуемом в реакторе.

2.Зоны и камеры основной технологической обработки материалов (ЗОТО, КОТО). В этих зонах и камерах или завершается технологический процесс в целом, или температурного теплотехнологиче-проводится его решающая стадия

  1.  Зоны и камеры технологической дообработки материалов (ЗТД, КТД). Здесь полностью завершаются стадии теплотехно-логической обработки материала или перед его выдачей из реактора, или перед подачей в зону (камеру) технологически регламентированного охлаждения.
  2.  Зоны и камеры технологически регламентированного охлаждения технологического продукта (ЗТРО, КТРО). В отличие от этих зон и камер устройства, в которых осуществляется технологически нерегламентированное охлаждение продукта, относят к теплотехническим элементам технологической установки.

  1.  Структурная схема теплотехнологического реактора

Структурная схема теплотехнологического реактора показана на рис. 2.

В установках с многозонным реактором и нечетким конструктивным делением на зоны выделение ЗОТО может б'ыть проведено исходя из удобства расчетного анализа и проектирования. Часто граница ЗОТО определяется исходя из условия, что температура отходящих из этой зоны газов равна или больше конечной температуры обрабатываемого материала в этой зоне.

В высокотемпературных топливных теплотехнологических установках используется широкий набор источников энергии (теплоты):

-топливо с воздушным окислителем (ТВ);

-топливо с обогащенным кислородом воздухом  (ТОВ);

-топливо с технологическим кислородом (ТК);

-продукты горения топлива (ПГ) от смежных огнетехниче-ских установок (ДГ — дымовые газы, т. е. продукты практически полного сжигания топлива; ГГ — продукты неполного сжигания топлива);

-комбинированные источники энергии, к числу которых относятся ТВ и ТК при их совместном использовании; ТВ (ТК) совместно с электроэнергией (ЭЭ); ТВ совместно с ПГ; другие варианты сочетаний источников энергии.

В общем случае, кроме отмеченного, в высокотемпературных теплотехнологических установках в качестве источника энергии используются экзотермические реакции теплотехнологических процессов, электроэнергия, солнечная энергия, высокотемпературные теплоносители атомных реакторов  (в перспективе).

К(З)

ПТО

К(з)

ОТО

К(з)

ТД

К(з)

ТРО

Рис.2 – Структурная схема теплотехнологического реактора

В теплотехнологических реакторах используются различные теплотехнические принципы организации технологических процессов или их отдельных стадий:

- принцип плотного фильтруемого слоя (определенная совокупность условий тепловой обработки свободной засыпки дробленых материалов, мелких изделий и других тел, продуваемой газовым теплоносителем);

- принцип кипящего слоя (тепловая обработка зерненых или грубо измельченных материалов в условиях газового псевдоожижения);

- принцип взвешенного слоя (различные виды и приемы тепловой обработки измельченных материалов в условиях газовзвеси) ;

- принцип пересыпающегося слоя (тепловая обработка газовым теплоносителем сыпучего материала, перемещаемого различными способами);

- принцип уложенных загрузок (тепловая обработка укладки изделий или полуфабрикатов, продуваемой газовым теплоносителем) ;

- принцип излучающего факела (тепловая обработка тел газовым теплоносителем с высокими радиационными характеристиками);

- принцип поверхностного излучателя (нагрев с помощью излучающих твердых тел);

- принцип погруженного факела (тепловая обработка жидких сред, растворов, расплава, материалов в расплаве, продуваемых газовым теплоносителем);

- принцип комбинированный (тепловая обработка материалов в условиях последовательного использования двух или более отдельных теплотехнических принципов).

  1.  Схемы размещения источников энергии и движения дымовых газов в камерах (зонах) реакторов высокотемпературных технологических установок

Рис3.-Схемы размещения источников энергии и движения дымовых газов в камерах (зонах) реакторов высокотемпературных технологических установок:

ТВ, ТК, ЭЭ — соответственно топливио-воздушный, топливяо-кислородный и электрический источники энергии; [-VIII- схемы с одним видом источника энергии; IX,Х --схемы с комбинированным источником энергии; ДГ - дымовые газы: Т, О-соответственно топливо и его окислитель.

  1.  Схема тепломассообмена в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках.

Одним из важнейших факторов, определяющих теплотехнические основы высокотемпературных теплотехнических установок, является её тепловая работа. Под тепловой работой высокотемпературных теплотехнических установок или её рабочего пространства понимается вся совокупность теплообменных процессов, совершающих в ней.

Теплообмен в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках складывается из следующих процессов:

  1.  теплообмена между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью кладки.
  2.  теплообмена внутри материала, подвергаемого тепловой обработке.
  3.   теплообмена между внутренней поверхностью кладки и окружающей средой, которые выражается в передаче тепла из рабочего пространства через футеровку трубы.

Классификация режимов работы ТР по теплообменному признаку позволяет в одной классификационной группе объединить и установить для каждой такой группы рациональные условия снижения топлива и механики газов.

Анализ процесса теплообмена в высокотемпературных теплотехнических установках проводиться на основе выделения 2-х последовательных его стадий: внешнего теплообмена, обеспечивающего подвод теплоты от источников энергии к поверхности обрабатываемого материала, и внутреннего теплообмена- распространение тепла внутри материала в результате чего повышается его температура и энтальпия до значения, требуемых технологий. Некоторые процессы тепловой обработки материала сопровождается  химическими реакциями с положительным или отрицательным тепловым эффектом. С учётом этого уравнение теплового баланса, отражающего равенство количество теплоты внешнего и внутреннего теплообмена ( ) принимает вид:

 

,                        (1)

где - средняя плотность теплового потока внешнего теплообмена, ; F- площадь тепловоспринимающей поверхности материала, , - время тепловой обработки материала, с, М- масса обрабатываемого материала, кг, - изменение энтальпии материала в результате его тепловой обработки, - тепловые эффективности экзотермических и эндотермических реакций при тепловой обработке материала, Дж/кг.

Из (1) следует, что время тепловой обработки, а значит и производительности установки определяется уравнением значения среднего теплового потока внешнего теплообмена.

Различают 3 наиболее распространенное в высокотемпературных теплотехнических установках. вида внешнего теплообмена: лучистый, радиационный, конвективный и смешенный. Внешний лучистый теплообмен характерен для высокотемпературных теплотехнических установок. При некоторых условиях наряду с излучением существенное  значение приобретает и конвективный теплообмен.

Внешний теплообмен в ТР высокотемпературных теплотехнических установках. определяется комплексом теплотехнических процессов горением топлива, газодинамическими условиями, управляющие движением газового потока, массообменном и др.

При математическом описании процессов внешнего теплообмена различают потенциал или движущую силу процесса, определяющую возможности его протекания.

При лучистом теплообмене тепловой поток, воспринимаемый нагреваемым материалом,  в соответствии с законом Стефана-Больцмана определяется в общем виде выражением:

,                                                     (2)

где и - температура источника излучения (например: излучающие газов) и поверхности  материала, К, - поверхность теплообмена, : - приведенный коэффициент излучения системы, учитывающий лучистые взаимодействие излучателя с нагреваемым материалами и другими элементами системы теплообмена,

При конвективном теплообмене тепловой поток, воспринимаемый материалом, определяется по закону Ньютона-Рихмана:

,                                                (3)

где - температура газов, К: - коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к материалу, .

В уравнениях (2) и (3)  (разность четырёх степенной температур излучения и материала) и  (разность температур газового потока и материала) является потенциалами процесса переноса теплоты излучением и конвекцией. Параметрами, характеризующими кинетику этих процессов, является соответственно , .

Внешний теплообмен в значительной мере определяется температуры полем газового потока. Зависимость может быть получена в результате решения дифиренциального уравнения Фурье-Кирхгофа, описывающего распространение теплоты в движущей среде. С учётом возможных внутренних источников теплоты, например от химической реакции горения, это уравнение в сокращённой записи имеет вид:

,                                                      (4)

где  - субстанциональная производная температуры во времени, представляющая собой сумму локального и конвективного изменения температуры,

                                                                          (5)

-оператор Лапласа,

,                                                   (6)

где  - плотность внутренних источников теплоты,  

      - изобарная массовая теплоёмкость, Дж/кгК

      - плотность газового потока,

Тепловая работа высокотемпературных теплотехнических установок. с различными режимами теплообмена различна, причём каждому режиму теплообмена соответствует свой наиболее благоприятные условия теплогенерации и движения теплоносителей (газов). Деление режимов теплообмена на 3 вида отражает главные ценности процессов теплообмена.

  1.  Пути интенсификации радиационного теплообмена

в теплотехнологическом реакторе (ТР)

Рассмотрим простейшую схему топливной печи. Предположим, что поверхность нагрева металла  с температурой  окружена со всех сторон поверхностью кладки с температурой  одинаковой во всех точках кладки. Продукты сгорания топлива имеют степень черноты  по отношению к собственному и отраженному излучению кладки и металла. Пусть , т. е имеем радиационный реактор работы печи. Кладки и металла обладают степенью черноты соответственно  и . ,,т.е. процесс теплообмена происходит в стационарных условиях. Составим уравнения баланса тепла на поверхностях металла и кладки.

где - плотность результирующих тепловик потоков на поверхности металла и кладки,

- плотность излучения газа на 1  поверхности металла и кладки,

- полное излечение поверхности металла и кладки и излучения кладки самой на себя, Вт

- угловой коэффициент кладки на металл

Определяя значения  из формулы (2) подставляя его в уравнение (1) и учитывая, что  и обозначая - степень развития кладки, после преобразования получаем

Из уравнения (3) следует, что плотность результирующего теплового потока на металл при и  зависит от:

  1.  излучение газов на поверхность металла
  2.  излучение газов на поверхности кладки
  3.  степени черноты газов
  4.  степени развития кладки

Могут быть три различных случая организации радиационного режима работы печи равномерно-распределённый (при ) направленный прямой (при ) и направленный косвенный (при ),

Для всех видов радиационного теплообмена роль кладки как посредника в передачи тепла будет различна.

Равномерно-распределённый режим радиационного теплообмена.

Данному режиму работы печей ближе всего соответствуют условия, когда температура газов и их степень черноты одинаковы по всему занимаемому им объёму.

При равномерно распределённом режиме решающую роль играет величина степени черноты пламени (газов). При малых величинах  тепловой поток, приходящийся на металл и кладку, относительно невелика. Стремление увеличить тепловой поток на металл при равномерно распределённой температуре по толщине пламени приводит к необходимости увеличения величины излучательной способности пламени  Поскольку  одновременно характеризует и поглощательную способность пламени, пламя тем сильнее экранируют кладки, чем выше  и, следовательно, тем менише тепла от кладки попадает на металл.

В случае равномерно распределённого режима повышения степени черноты пламени  при Т=const всегда вызывает интенсификацию теплообмена. В практических условиях увеличить  можно 2-мя путями увеличением толщины слоя газов и повышением  путём естественной и искусственной карбюризации. Увеличения толщины газового обмена связано с увеличением высоты работы производства и поэтому во многих случаях является не целесообразным.

Главным фактором, интенсифицирующим теплообмен в печи является повышение температуры газов .Это видно из формулы В.Н.Тимофеева

,

, (5)

где  -коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Третьим фактором является степень развития кладки, влияние которой сначала  увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения степени черноты газов. В формуле (4) величины  и  приняты независимыми, тогда как практически они связаны между собой, поскольку при развитии кладки возрастает толщина излучающего слоя газов. Температура поверхности кладки занимает промежуточное место между температурой газов и температурой металла в зависимости от  и . Каждая является посредником в теплоотдачи, поэтому, чем выше её температура, тем интенсивнее теплообмен при данном значении .Следовательно,  при равномерно распределённом режиме необходимо стремиться работать при возможно более высоких температурах клади, допускаемых по целевым службы огнеупоров.

Для получения равномерных по объёму печи температуры и степени черноты газов, газы, поступающие от горелок, должны быстро смешиваться с атмосферной печи, что достигается созданием энергичной циркуляции газов в рабочем объёме.

Данный режим теплообмена наиболее целесообразно применять в печах, в которых нагревают массивные изделия. В этом случае быстрота нагрева определяется условиями внутреннего теплообмена, поэтому относительно небольшая интенсификация внешнего теплообмена не имеет лимитирующего значения.

С равномерно распределённым режимом развивают нагревательные колодцы, которые камерные печи сварочные зоны методических печей и др. В качестве топлива выбирают такие виды, которые обеспечивают хорошую светимость факела мазут, природный газ коксодоменный газ (смесь).

Направленный прямой режим радиационного теплообмена

Направленный прямой режим радиационного теплообмена обеспе-чивается созданием градиента температур по толщине пламени с приближением максимума температур к поверхности металла, т.е. когда плотность излучения газов на поверхность металла больше чем на кладку. Это достигается неравномерным распределением температуры и степени черноты в объёме газа, печи.

Если максимум температуры и степени черноты располагается непосредственно у поверхности нагрева, то прямой направленный теплообмен будет выражен наиболее ярко.

Изменение температуры и степени черноты по сечению газового слоя является важным средством для увеличения теплоотдачи на поверхность нагрева и облегчения условий службы кладки. Степень развития кладки на теплоотвод влияет меньше чем при равномерно распределённом.

Прямой направленный теплообмен создают окислением топлива в факеле. Различая один или несколько факелов в нежней части рабочего производства печи, можно получить интенсивную теплоотдачу на поверхности нагрева. Размеры факелов, определяемые размерами горелочных устройств должны быть такими, чтобы факелы, сохраняли индивидуальность по всей длине рабочего пространства печи, при характерных отличиях температурных режимов и светимости.

Направленный прямой теплообмен широко используется в плавильных печах и нагревательных печах при нагреве тонких термических и массивных изделиях, размещённых на поду печи.

Режим направленного прямого теплообмена нерационально применять в том случае, когда поверхность нагрева распределена по всему объёму печи (в нагревательных колодцах, кирпичеобжиговых печах и др.)

Направленный косвенный режим радиационного теплообмена. 

Подобный вид теплообмена имеет место в том случае, когда тепло, выделяющееся при сгорании топлива, передается нагреваемому материалу не непосредственно от пламени, а через посредника, которым чаще всего является кладка свода печи.

Нагреваемый металл имеет сплошной спектр поглощения, поэтому надо стремиться, чтобы падающий на него тепловой поток сплошной спектр излучения. Направленный косвенный теплообмен создают размещением факелов (пламени) в верхней части рабочего права печи приближая область минимальных температур к поверхности огнеупора. При это происходит рост температуры кладки и трансформирование селективного излучение кладки.

В последнее время широкое распространение получает сводовое отопление печи, которые работают в указанном режиме теплообмена. Для достижения этой цели применяют различного рода горелки, создающих плоский разомкнутый факел (плоскопламенныегорелки) у которых возникшее пламя тонким слоем распространяется по поверхности свода, обеспечивая высокую теплоотдачу.

В печах, работающих с направленным косвенным радиационным режимом, излучение кладки на металл играет важнейшую роль, и величина степени развития кладки имеет в этом случае большее значение, чем при равномерно распределённом режиме. Данный вид телеобмена целесообразно применять, когда необходим равномерный нагрев.

Необходимо отметить, что термин “косвенный нагрев” часто применяют в несколько ином смысле, связанный с осущёствлением муфельного нагрева металла. В ряде случаев нагрев металла в термических печах должен осуществляться без малейшего окисления, которое возможно лишь в том случае, когда поверхность металла не соприкасается с продуктами сгорания топлива. Избежать этого можно, если отделить газы от металла. В этом заключается принцип муфелирования. Можно отделить газы от металла, выполнив снижение топлива в радиационных трубах. Другой метод заключается, когда металл закрывается жароупорном муфеле. И в том и другом случае будет иметь место косвенный нагрев, т.е. называется без возможности соприкосновения металла и окисляющих газов.    

PAGE   \* MERGEFORMAT 15


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37399. Моделирование движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях 690 KB
  В дерева dd physics выберите Mthemtics Mthemticl Prticle Trcing pt. В дереве выберите Preset Studies Time Dependent. Построение геометрической модели Задание области в корой движутся частицы В окне Model Builder щелкните ПКМ Model 1 Geometry 1 и выберите Cylinder Перейдите к окну Settings для Cylinder. Выберите размер и форму сечения.
37400. Габаритний розрахунок монокуляра з вибором оптичної схеми об’єктива і окуляра 1.43 MB
  Наявність в трьох лінзових обєктивах великої кількості вільних параметрів марки стекол радіуси товщини і повітряні проміжки дозволяє істотно поліпшити їх абераційних корекцію в порівнянні з двох лінзовими. Окуляр Гюйгенса В цих окулярах компонентами є плосковипуклі або випуклоплоскі лінзи виготовлені із оптичного скла однієї марки. Показник заломлення Марка скла 4878 125 16475 К8 2599 29265 25 15163 ТФ1 Вибраний обєктив має фокусну відстань f об = 100 мм. Показник заломлення Марка скла 14634...
37401. Расчет электромагнитных переходных процессов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию 16.74 MB
  Составим схему замещения прямой последовательности Определим параметры схемы замещения прямой последовательности: Система Линия 1 Линия 2 Трансформатор Трансформатор Т1 Реактор Автотрансформатор Нагрузка 1 Нагрузка 2 Асинхронный двигатель Генератор 1 Генератор 2 Все параметры элемента генератор 2 точно такие же как и у элемента генератор 1 Найдем и для этого свернем схему Составим схему замещения обратной последовательности Определим параметры схемы замещения обратной...
37402. Исследование автоматических выключателей 928.5 KB
  Предмет исследования: В работе исследуется поведение автоматических выключателей при испытаниях по ГОСТ. Основные параметры автоматических выключателей: Номинальное рабочее напряжение Ue номинальное напряжение действующее значение напряжения при котором обеспечивается работоспособность выключателя особенно в момент короткого замыкания. Стандартные кривые отключения: Существует несколько типов характеристик автоматических выключателей.
37403. Исследование устройства защитного отключения серии F360 458.5 KB
  Предмет исследования: в работе исследуется поведение устройства защитного отключения УЗО F360 при синусоидальном однополупериодном и импульсном токах. Теоретическая часть: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ АВТОМАТЫ И УЗО Дифференциальный автомат представляет собой устройство защиты которое срабатывает при возникновении некоторой разницы токов фазного и нулевого проводов. Различают устройства следующего типа: термомагнитные дифференциальные автоматы; дифференциальные модули; устройства защитного отключения УЗО. УЗО это быстродействующий...
37404. Исследование контактора постоянного тока 574 KB
  Предмет исследования: в работе исследуются коммутационные процессы и динамические характеристики электромагнита контактора постоянного тока при включении и отключении по результатам осциллографирования соответствующих процессов. Теоретическая часть: Динамика работы на примере полного рабочего цикла электромагнита. 1 Рабочий цикл электромагнита: а зависимость положения якоря от времени; б зависимость тока в обмотке электромагнита от времени. Первым этапом рабочего цикла электромагнита рис.
37405. Исследование контактора переменного тока 928 KB
  Предмет исследования: в работе исследуются коммутационные процессы и динамические характеристики включения и отключения по результатам осциллографирования соответствующих процессов в силовой цепи и цепи управления электромагнита переменного тока. Теоретическая часть: Весьма широкое распространение имеют электромагниты питание которых осуществляется от источника переменного тока. Магнитный поток создаваемый обмоткой по которой проходит переменный ток периодически меняется по величине и направлению переменный магнитный поток в...
37407. Исследование источника вторичного электропитания на базе однофазной мостовой схемы выпрямления 132.5 KB
  Цель работы: Изучение принципа работы и параметров источника вторичного электропитания на базе мостовой схемы выпрямителя.