Понятие тепловая установка. 2

Введение

Основным направлением экономического и технического развития в настоящее время стал перевод экономики в русло энерго - и ресурсосбережения, включая не только эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, но и максимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР), так как это более выгодно, чем дополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива. Вторичные энергетические ресурсы – это энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других. В связи с развитием промышленности, эта тема становится все более актуальна. И образовавшиеся жидкости и пары, в технологических процессах могут быть задействованы в дальнейшем производстве.

Жидкости и пары, обращающиеся в технологических установках, имеют особое практическое и технологическое значение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Понятие тепловая установка

Для осуществления тепловой обработки исходные материалы и полуфабрикаты помещают в тепловую установку.

Тепловая установка – это устройство, в котором протекает тепловой процесс, в результате которого подаваемая тепловая энергия расходуется на технологическую переработку материала или на ускорение химических реакций, протекающих в установке. В тепловой установке и обрабатываемом материале протекают следующие процессы:

1) Теплообменные (передача теплоты от теплоносителя материалу);

2) Массообменные (испарение воды при сушке);

3) Механические (перемещение материалов);

4) Гидро- и аэродинамические (течение потоков жидкостей и газов);

5) Физико-химические процессы (химические реакции веществ, растворение, плавление и кристаллизация).

В тепловых установках происходит теплообмен между рабочей средой (теплоносителем) и материалом. Эффективность работы тепловой установки оценивается количеством тепловой энергии, переданной в единицу времени обрабатываемому материалу.

Тепловым процессом называют закономерную совокупность стадий теплового воздействия на материал с целью придания ему определённых заранее заданных свойств.

Тепловые установки делятся по режиму работы на установки непрерывного и периодического действия.

Установки периодического действия работают по замкнутому циклу. Сначала рабочую камеру загружают материалом, затем проводят тепловую обработку, после чего материал выгружают. К таким установкам относят, к примеру, камерные печи и сушилки керамической промышленности, ямные пропарочные камеры и автоклавы, гипсоварочные котлы. Тепловой режим в установках периодического действия не стационарный, т.е. в каждой пространственной точке рабочей камеры температура изменяется во времени.

Установки непрерывного действия работают практически в стационарном режиме. В таких установках материал и теплоноситель непрерывно или с небольшими интервалами подаются в рабочую камеру и удаляются из неё. По такому принципу работают туннельные сушилки, печи и камеры тепловлажностной обработки бетона; вращающиеся печи и сушильные барабаны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Газы и жидкости в установках

Газ является рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания на

транспортных средствах, в газотурбинных установках на газоперекачивающих станциях, в воздушных холодильных машинах, а также во вспомогательном оборудовании – компрессорах, детандерах, воздуходувках, калориферах, во множестве теплообменников. Водяной пар и вода являются рабочим телом в паротурбинных установках тепловых, в том числе атомных электростанций.

Наряду с тем вода и водяной пар являются важнейшими теплоносителями, используемыми в теплофикационных системах, в районных и заводских котельных, во множестве теплообменных – нагревающих и охлаждающих - аппаратов, установленных на предприятиях пищевой и других отраслей промышленности.

Рабочее тело, циркулируя по контуру теплосиловой машины, способно

превращать часть подведенного к нему теплового потока в работу над внешней средой, и наоборот, совершенная над рабочим телом работа может

превращаться с помощью рабочего тела в тепловой поток, передаваемый внешней среде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Котельные установки

Пар находит широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе на заводах, фабриках пищевой промышленности. Производство пара является одним из наиболее развитых производств. Пар используется для выработки электроэнергии, отопления, вентиляции промышленных предприятий и прочих нужд. Пар получается в специальных устройствах – котельных установках.

Котельной установкой называется совокупность различных аппаратов и приборов, предназначенных для получения пара заданных параметров за счет химической энергии топлива.

Рабочими телами в котельных установках являются: топливо, окислитель (кислород воздуха), вода. В котельных установках происходит преобразование химической энергии топлива в физическое тепло продуктов сгорания, которое через металлические поверхности нагрева передается воде для выработки пара, для его перегрева, т.е. в котельных установках происходят следующие процессы:

1) горение топлива, 2) теплообмен между водой и паром, 3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и перегрева пара.

По назначению котельные установки подразделяются на энергетические, производственно-отопительные и смешанного типа.

В энергетических котельных вырабатывается перегретый пар, который

используется в паротурбинных цехах теплоэлектростанций. Производственно-отопительные котельные установки обслуживают производственные предприятия, снабжая их паром на отопление и вентиляцию, и для технологических аппаратов. Котельные установки смешанного типа предназначены для выработки пара, как на производство электроэнергии, так и для технологических целей производства и отопления.

 

 

 

3.1.Элементы котельной установки

Основным устройством котельной установки является котельный агрегат и ряд вспомогательного оборудования. В котельной имеется несколько котельных агрегатов. Современный котельный агрегат является сложным устройством. Он состоит из топки, генератора пара, называемого обычно паровым котлом, пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогревателя, обмуровки, каркаса, арматуры и прочее. К вспомогательному оборудованию котельной установки относятся аппараты и механизмы, предназначенные для подготовки и транспортировки топлива и воды, тягодутьевые устройства, золоулавливающие аппараты, гарнитура, приборы теплового контроля и автоматического регулирования.

Топливоподача – механизированные устройства для подготовки и подачи

топлива в котлоагрегатах. Водоподготовительная установка – система различных аппаратов, обеспечивающих очистку воды от всевозможных примесей и накипеобразующих солей, а также деаэрацию воды.

Питательная установка включает в себя бак и насосы для подачи питательной

воды в котельный агрегат. Дутьевая установка состоит из воздуховода и дутьевого вентилятора, подающего воздух в топку. Тяговая установка служит для удаления дымовых газов из котлоагрегата и состоит из дымососа и дымовой трубы (см. рисунок 1).

Золоулавливающее устройство – предназначено для удаления золы и шлаков из котельной. Контрольно-измерительная аппаратура обеспечивает безопасность и бесперебойную работу по выработке пара заданных параметров. Топка служит для сжигания топлива. Топки классифицируются как слоевые, камерные, циклонные. Генератор пара (паровой котел) – представляет собой закрытый металлический теплообменный аппарат, служащий для превращения поступающей в него воды в пар с давлением выше атмосферного. Котлы бывают различных конструкций.

На рисунке 1 генератор пара (котел) состоит из барабана, экрана и опускных труб, коллекторов, конвективной поверхности нагрева.

Пароперегреватели предназначены для перегрева пара, выдаваемого котлом.

Выполняются в виде змеевиков из бесшовных труб. В газоходах котла они

размещены горизонтально или вертикально.

Экономайзеры служат для подогрева питательной воды перед ее

поступлением в испарительную часть котла. Они подразделяются на кипящие и не кипящие. Экономайзеры представляют собой систему чугунных или стальных труб, гладких или ребристых, внутри которых циркулирует вода. Снаружи трубы обогреваются дымовыми газами, уходящими из котлоагрегата. Воздухоподогреватели предназначаются для подогрева воздуха, подаваемого в топку для сжигания топлива, а при пылевидном сжигании еще для подсушивания топлива в мельницах. Наибольшее распространение получили трубчатые воздухоподогреватели. Воздух движется внутри труб, а снаружи трубы омываются горячими газами. При подогреве воздуха до 300С устанавливаются одноступенчатые подогреватели, а при более высоких температурах – двухступенчатые. Камерные топки для сжигания угольной пыли, газа и мазута. Тонкоизмельченная угольная пыль с первичным воздухом вентилятором подается в горелку, куда также подается горячий воздух, обеспечивающий

полное сгорание топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Котельная установка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Паровые котлы

В современных котлоагрегатах под собственно паровым котлом понимают всю совокупность элементов (барабаны, экраны, фестоны, ширмы, кипятильные трубы), предназначенных для образования и сбора насыщенного водяного пара. Барабан до определенного уровня заполнен водой образующий водяное пространство. В верхней части (паровое пространство) барабана собирается образующийся влажный насыщенный пар. В паровом пространстве барабана размещаются сепарационные устройства, служащие для отделения воды и пара. С насыщенным паром, покидающим барабан котла, уносится некоторое количество влаги в виде мелких капелек котловой воды. Соли, содержащиеся в этих капельках, после испарения капелек в пароперегревателе отлагаются на внутренней поверхности змеевиков вследствие чего в них ухудшается теплообмен и возникает нежелательное повышение температуры труб пароперегревателя. Осложнения, вызываемые уносом котловой воды, требуют снижения влажности и солесодержания пара, выходящего из барабанов. Снижение влажности пара достигается установкой специальных сепараторов, предназначенных для отделения капелек воды от пара. Питание котла осуществляется через верхний барабан через питательные трубы. Для поддержания нормального солесодержания применяют продувку котла. При работе котла на твердом топливе на конвективных трубах осаждается зола. Удаление золы с труб производится с помощью обдувочной трубы, соединенной с паровым пространством барабана. Наибольшее распространение из котлов с принудительной циркуляцией имеют котлы Рамзина Л.К. так называемые прямоточные котлы. Прямоточные котлы не имеют барабанов, состоят из одних труб, и получение пара в них производится за один проход воды по трубам.

Прямоточные котлы изготавливаются в виде мощных котельных агрегатов и

предназначены для получения пара сверхвысокого давления и высокой температуры.

5. Водо-водяной реактор

Водо-водяной реактор PWR (реактор с водой под давлением); Нагретая вода подается насосом в парогенератор, где теплота передается во вторичный контур, в котором образуется пар, приводящий в действие турбину.

 

 

Рисунок 2- схема работа АЭС на водо-водяном  реакторе.

Активная зона водо-водяного реактора набрана из тепловыделяющих сборок, заполненных пластинчатыми или цилиндрическими тепловыделяющими элементами. Корпус тепловыделяющей сборки изготовляют из листового материала (алюминия, циркония), слабо поглощающего нейтроны. Сборки размещают в цилиндрической клетке, которая вместе со сборками помещается в корпус реактора. Кольцевое пространство между ним и внешней стенкой клетки, заполненное водой, выполняет роль отражателя. Вода, проходя снизу вверх через зазоры между тепловыделяющими элементами, охлаждает их. Таким образом, она выполняет роль теплоносителя, замедлителя и отражателя. Корпус реактора рассчитывается на прочность, исходя из давления воды. Горловина корпуса закрывается герметической крышкой, которая снимается при загрузке и выгрузке тепловыделяющих сборок.

В физических водо-водяных реакторах обычно используют воду под атмосферным давлением. Корпуса таких реакторов герметичной крышки не имеют, и вода в них находится под атмосферным давлением (имеет открытый уровень).

Достоинствами этого реактора являются:

1.Использование воды в качестве теплоносителя и теплоносителя-замедлителя в ядерных установках имеет ряд преимуществ.

2.Технология изготовления таких реакторов хорошо изучена и отработана.

3.Вода, обладая хорошими теплопередающими свойствами, относительно просто и с малыми затратами мощности перекачивается насосами. (При одинаковых условиях коэффициент теплопередачи для тяжёлой воды на 10 % больше по сравнению с коэффициентом теплопередачи для лёгкой воды.)

4.Использование воды в качестве теплоносителя позволяет осуществить непосредственную генерацию пара в реакторе (кипящие реакторы). Лёгкая вода используется также для организации пароводяного цикла во вторичном контуре.

5.Невоспламеняемость и невозможность затвердевания воды упрощает проблему эксплуатации реактора и вспомогательного оборудования.

6.В реакторах с водяным теплоносителем-замедлителем при соответствующей конструкции активной зоны можно достичь отрицательного температурного коэффициента реактивности, что предохраняет реактор от самопроизвольного повышения мощности.  7.Позволяет создавать блоки мощностью до 1600 МВт.

 

 

6.Газоохлаждаемые реакторы

В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом – диоксидом углерода или гелием. Замедлителем нейтронов обычно служит графит. Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора. В настоящее время ведутся работы по созданию высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) с гелиевым теплоносителем. Реакторы ВТГР используют энергию деления тяжелых ядер не только для производства электроэнергии, но и для получения теплоты (до 1000 С) в технологических процессах.

Используемый в качестве теплоносителя инертный газ (гелий) обладает хорошей термической и радиационной стойкостью, химической стабильностью, минимально поглощает и выделяет нейтроны. Охлаждение активных зон быстрых реакторов большой мощности может осуществляться находящимся при высоком давлении газом, таким, например, как гелий. При давлении 8—12 МПа гелий имеет очень хорошие термодинамические свойства, необходимые для охлаждения быстрых реакторов, у которых энергонапряженность в активной зоне составляет примерно 280 кВт/л.

Одним из реакторов нового поколения, удовлетворяющих требованиям развивающейся широкомасштабной атомной энергетики, является модульный высокотемпературный гелиевый реактор с газовой турбиной (ГТ-МГР), конструкция которого в настоящее время разрабатывается в рамках международного сотрудничества.

 

Рисунок 3 - Реакторы ВТГР .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Энергоисточники МГР-100.

Переход к водородной экономике основывается, в том числе, на создании технологии использования энергии ВТГР в процессах производства водорода, имеющих высокую термодинамическую и технико-экономическую

эффективность. Эти процессы, по возможности, должны исключать потребление органического топлива, прежде всего нефти и газа, которые имеют ограниченные запасы и являются ценным сырьем для промышленности. К таким процессам относится получение водорода из воды.

Принципиальная схема МГР-100 ВЭП для производства электроэнергии и перегретого пара требуемых параметров с целью получения водорода методом высокотемпературного электролиза представлена на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4- Принципиальная схема МГР-100 ПКМ

Тепловая энергия отводится от реактора к рабочей среде второго контура (парогазовой смеси) в высокотемпературных теплообменниках (ВТО), которые являются составной частью термоконверсионного аппарата (ТКА). Реализация конверсии метана (CH4+H20(пар)+тепло→CO2+4H2) происходит в ТКА по трехступенчатой схеме. Парогазовая смесь (пар - 83,5 %, CH4 – 16,5 %) подается последовательно в три ступени - ТКА1, ТКА2 и ТКА3. Это и определяет конфигурацию теплопередающего блока РУ. Он состоит из трех отдельных высокотемпературных теплообменников ВТО 1, ВТО 2, ВТО 3 (рис. 6.6), представляющих отдельные ступени (секции) блока. Расположение секций ВТО по ходу теплоносителя первого контура – параллельное, по ходу парогазовой смеси– последовательное. После ТКА-3 парогазовая смесь с

большой концентрацией водорода последовательно проходит блок очистки

от СО2 и Н2О и направляется в блок отделения водорода. Возвратная фракция и природный газ смешиваются с перегретым паром и затем направляются в ТКА. Циркуляция гелия в первом контуре осуществляется ГЦГ, парогазовой смеси – компрессорами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Определение понятия вторичных энергоресурсов

Вторичные энергоресурсы с высоким температурным потенциалом (жидкости с температурой более 150 С и газы с температурой более 300 С) в большинстве случаев используются. С их помощью производится пар в котлах-утилизаторах, который направляется либо в технологический цикл, либо на привод турбомашин. Низкопотенциальные тепловые потоки используются хуже. Сюда относятся физическая теплота сточных жидкостей, циркулирующих и продукционных потоков, физическая теплота загрязнённого конденсата и отработанного пара, физическая теплота отходящих газов различных технологических печей и агрегатов. Основная причина относительно низкого уровня потребления ВЭР – это малая оснащённость технологических агрегатов освоенным утилизационным оборудованием, отсутствие в ряде случаев технических решений по использованию отдельных видов ВЭР (в основном низко потенциальных), неумение находить потребителей низко потенциальных ВЭР, малоэффективное применение нового и существующего утилизационного оборудования. Например, на агрегатах аммиака большой единичной мощности в атмосферу выбрасывается теплота пара выхлопа приводных турбин и теплота охлаждения газа в процессе его компримирования. Часто низкопотенциальную теплоту несут агрессивные, загрязнённые жидкости и запылённые газы, а её отвод в традиционных теплообменниках затруднён. В целом на предприятиях химического комплекса количество неиспользуемых вторичных энергоресурсов в 1985 году достигало 20 – 25 млн. т. условного топлива (или 580 – 730 млн. ГДж). Так, например, в котельных установках для удаления образовавшегося пара устанавливается тяговая установка, которая служит для удаления дымовых газов из котлоагрегата и состоит из дымососа и дымовой трубы. В печах твердофазной металлизации, внутри установки находятся несколько сотен реакционных труб, заполненных катализатором, через которые проходит газ. Дымовые газы отсасываются через отверстия в боковых стенах конверсионной установки.

9.Виды энергии вторичных энергоресурсов

По виду энергии вторичные энергоресурсы разделяются на три группы:

1.Топливные ВЭР.

 Это химическая энергия  отходов технологических процессов  химической и термохимической  переработки углеродистого или  углеводородного сырья, побочных  горючих газов плавильных печей (доменных, колошниковых шахтных  печей и вагранок, конвертерных  и т. д.), не используемых для  дальнейшей технологической переработки  древесных отходов лесозаготовок  и деревообработки в лесной  и деревообрабатывающей промышленности, упаренных горючих щелоков, бардяных  концентратов, коры и древесных  отходов в целлюлозно-бумажной  промышленности и т. д.;

 2.Тепловые ВЭР.

 Это физическая теплота  отходящих газов технологических  агрегатов, физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции  и отходов основного производства, теплота рабочих тел систем  принудительного охлаждения технологических  агрегатов и установок, теплота  горячей воды и пара, отработанных  в технологических и силовых  установках;

3. ВЭР избыточного давления.

 Это потенциальная  энергия газов и жидкостей, покидающих  технологические агрегаты с избыточным  давлением, которое необходимо снижать  перед последующей ступенью использования  этих жидкостей (газов) или при  выбросе их в атмосферу.

Принципиальная схема использования ВЭР (рисунок 1) иллюстрирует отдельные потоки и сечения, по которым определяются количественные показатели.

 

 

 

 

Рисунок 1 - Принципиальная схема использования ВЭР.

 

 

Топливные ВЭР должны использоваться в качестве топлива полностью (на 100 %). Возможное использование вторичных энергетических ресурсов, утилизируемых с преобразованием энергоносителя, определяется возможной выработкой электроэнергии в утилизационной установке.

 Наибольшими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства. В этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов.

 Примерно 52 % всей полезной  энергии в народном хозяйстве  расходуется в виде теплоты  среднего (373 - 623К) и низкого (323 - 423К) потенциала, а на ее получение  тратится 38 % всех топливно-энергетических  ресурсов. Эта теплота применяется  для удовлетворения технологических  нужд промышленности в таких  производственных процессах, которые  связаны с физико-химическими  изменениями свойств обрабатываемых  материалов и требуют для своего  осуществления повышенных значений  температуры и давления. При этом  свыше 90 % полезного потребления  теплоты среднего и низкого  потенциала расходуется в промышленности (44%) и жилищно-коммунальном секторе (48,5%). Основными энергоносителями, обеспечивающими энергией средне - и низкотемпературные процессы, являются пар и горячая вода.

 Многие отрасли народного  хозяйства располагают значительным  резервом топливных и тепловых ВЭР. В черной металлургии топливные ВЭР об-разуются за счет доменного газа; конвертерного газа мартеновских печей (при охлаждении без доступа воздуха) и газа ферросплавных печей (феррогазы). Использование этих газов в качестве топлива позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы и исключать вредные выбросы токсичного оксида углерода с металлургических заводов.

 

Заключение

В настоящее время с развитием промышленности и производства, все более становится актуальна проблема энергоресурсов. Сейчас стало возможным использование такого природного источника как вода, в целях получения требуемых энерго- и тепло ресурсов.

 Одной из важнейших  задач совершенствования технологических процессов в любой отрасли народного хозяйства является по возможности полное выявление резервов вторичных энергоресурсов и экономически, а также экологически обоснованное их использование для целей производства и удовлетворения нужд бытового потребления.

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.Теплотехника.П/ред.А.П. Баскакова.-М.:Энергоатомиздат,1991.

2. Таблицы теплофизических  свойств воды и водяного пара. Справочник.-М.:

Издательство МЭИ,1999.

3. Воскресенский В.Ю. Краткий  курс технической термодинамики.-М.: РИО

МГТА, 2000.

4. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Теплопередача. Энергия,1971

5. В.В. Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача. Высшая

школа.1980.