ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАИ ТЕПЛОТЕХНИКА

СПРАВОЧНАЯ СЕРИЯ

В четырех книгах

Под общей редакцией

В. А. ГРИГОРЬЕВА и В. М. ЗОРИНА

2-е издание, переработанное

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1991

ПРОМЫШЛЕННАЯТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАИ ТЕПЛОТЕХНИКА

СПРАВОЧНИК

Под общей редакциейВ. А. Григорьева и В. М. Зорина2-е издание, переработанное

КНИГА 4

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1991

ББК 31.391

П 81

УДК 658.26:621.1 (035.5)

Рецензенты: А. А. Троицкий (разд. 1), А. И. Плужников (разд. 2), М. Б. Гутман (разд. 3), Л. С. Бобе (разд. 4), В. А. Гарин (разд. 5), Н. М. Зингер (разд. 6), Л. Н. Степанян (разд. 7), Н. Н. Рогачев (разд. 8), В. Н. Чумаков (разд. 9).

Авторы: |А. М, Бакластов|, Б. Г. Борисов, В. М. Бродянский, Э." П. Волков, Д. Б. Вольфберг, В. В. Галактионов, В. А. Горбенко, А. К. Городов, В. А. Григорьев, О. Л. Данилов, В. И. Доброхотов, А. Л. Ефимов, Н. В. Калинин, А. Д. Ключников, Ю. А. Корытин, А. Б. Кувалдин, А. А. Макаров, А. В. Мартынов, О. И. Мартынова, И. П. Морозов, М. А. Панько, В. Н. Полушкин, Л. Н. Сидельковский, Е. Я. Соколов, |Е. П. Стефани], Ю. В. Троянкин, Л. Г. Ткачев, II. Г. Удыма, В. Н: Юренев

Редактор издательства Н. М. ПеуноваИздается с 1980 г.

Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: П 81 Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина — 2-е изд., перераб.— М.: Энергоатом- издат, 1991.— 588 с.: ил.— (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).

ISBN 5-283-00087-7

Предлагаемый справочник является четвертой, заключительной книгой справочной серии «Теплоэнергетика и теплотехника». Содержит сведения по высокотемпературным теплотехиологичес- ким, электротермическим, холодильным и криогенным установкам. Приведены характеристики промышленных тепломассообменных аппаратов, а также данные по тепловым сетям и системам тепло- энергоснабжения. Первое издание вышло в 1983 г. Во второе издание включен новый раздел - «Энергосбережение». '

Для инженеров-теплоэнергетиков и тепл’отехпиков.

ББК 31.391ББК 31.39122Q3070000-275

ББК 31.391

ББК 31.391

ISBN 5-283-00087-7 (Кн. 4)ISBN 5-283-00091-5ISBN 5-283-00087-7 (Кн. 4)ISBN 5-283-00091-5051(01)-91

ISBN 5-283-00087-7 (Кн. 4)

ISBN 5-283-00091-5

ISBN 5-283-00087-7 (Кн. 4)

ISBN 5-283-00091-5

© Энергоатомиздат, 1983

© Авторы, 1991 с изменениями

СОДЕРЖАНИЕ КНИГ СПРАВОЧНОЙ СЕРИИ«ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА»

Книга первая

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И теплотехника. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

Раздел первый Раздел второй Раздел третий Раздел четвертый Раздел пятый Раздел шестой Раздел седьмой Раздел восьмой Раздел девятый

Раздел десятый Раздел о д и н н а д- ц а т ы й

Энергетика и электрификация

Физические величины и их единицы

Основные правила оформления конструкторской документации

Основные сведения по математике

Вычислительная техника для инженерных расчетов

Основные сведения по физике

Основные сведения по физической и коллоидной химии Конструкционные материалы теплотехники и методы контроля Расчет па прочность элементов конструкций теплотехнического оборудования

Экономика теплоэнергетики и теплотехники

Охрана труда в теплоэнергетике и теплотехнике

Книга вторая

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ.ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Раздел

первый второй

Механика жидкости и газа Термодинамика

Р

а

з д с л

Р

а

з д е л

третий

Основы тепло- и массообмена

Р

а

з д е л

четвертый

Теплообмен в элементах сверхпроводящих систем

Р

а

з д е л

пятый

Охлаждение электрических машин и трансформаторов

Р

а

з д е л

шестой

Теплообмен в радиоэлектронной аппаратуре

Р

а

з д е л

седьмой

Основы теории и расчета горения топлив

Р

а

з д е л

восьмой

Теплотехнические измерения

Р

а

з д е л

девятый

Методы экспериментального изучения процессов тепло- и массообмена

Р

а

з д е л

десятый

Экспериментальные методы определения теплофизических свойств веществ

Раздел ц а т ы й

о д и н н а д -

Оптимизация теплофизического эксперимента

Книга третья

ТЕПЛОВЫЕ И АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Раздел

Раздел

Раздел

первый второй третий

Паровые котлы

Реакторы и п 'погенераторы

Парптупбиш е устане1'^"

Раздел четвертый

Раздел пятый

Раздел шестой

Раздел седьмой

Газотурбинные и комбинированные установки

Насосы и газодувные машины

Технологические системы и компоновки ТЭС и АЭС

Водный режим, химический контроль и обработка воды на ТЭС и АЭС

Раздел восьмой

Нетрадиционная энергетика

Книга четвертая

ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА

Раздел

первый

Энергосбережение

Раздел

второй

Высокотемпературные теплотехнологические установки

Раздел

третий

Электротермические установки

Раздел

четвертый

Промышленные тепло- и массообменные аппараты и установки

Раздел

пятый

Холодильные и криогенные установки

Раздел

шестой

Теплофикация и тепловые сети

Раздел

седьмой

Системы теплоэнергоснабжения промышленных предприятий

Раздел

восьмой

Автоматизированное управление теплотехническими объектами

Раздел

девятый

Энергетика и охрана окружающей среды

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮСПРАВОЧНОЙ СЕРИИ«ТЕПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА»

Интенсивное развитие советской теплоэнергетики, освоение новых типов схем и оборудования для получения и использования электрической и тепловой энергии, внедрение в практику новых методов расчетов и конструирования, обновление нормативных материалов — все это предъявляет особые требования к соответствующей справочной литературе. В условиях мощного потока информации специалистам-теплотехникам и теплоэнергетикам необходимы книги, в которых в компактной и удобной форме систематизированы сведения фундаментального и прикладного характера, достижения в методологии и конкретных разработках, имеющиеся в смежных областях техники.

Первое издание справочной серии «Теплотехника и теплоэнергетика», состоящее из четырех книг, вышло в 1980—1983 гг. В целом хорошая оценка справочникам 1-го издания дана в рецензиях, опубликованных в журнале «Теплоэнергетика», а также в письмах специалистов и на ряде читательских конференций, проведенных Энергоатомиздатом на различных предприятиях и в учреждениях.

Авторы и редакторы серии искренне и глубоко благодарны рецензентам, а также всем читателям, которые в той или иной форме приняли участие в обсуждении справочников, высказали пожелания и замечания, направленные на улучшение их структуры и содержания разделов.

Все отмеченное выше побудило авторов приступить к работе над вторым изданием серии, которая также состоит из четырех книг. Справочники серии предназначаются в первую очередь для практических работников — теплоэнергетиков и теплотехников, для инженерно-технического персонала электрических станций, промышленных предприятий, научноисследовательских и проектных организаций, они будут полезны студентам и преподавателям соответствующих специальностей вузов.

Все разделы справочников второго издания подверглись существенной переработке, а значительная часть практически написана заново.

Особое внимание уделено возможности практического освоения понятий и задач каждого раздела теплотехниками и теплоэнергетиками, не являющимися узкими специалистами в данной конкретной области. Такая постановка задачи в наибольшей мере отвечает требованиям и целям .издания, объединяющего многочисленные и разнообразные сведения. Некоторое изменение последовательности разделов во 2-м издании обусловлено стремлением усилить тематическую направленность справочников. В то же время все книги серии представляют собой единое целое. Их объединяет стремление издательства и авторского коллектива, основу которого составляют ведущие ученые Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института, дать возможно более полный свод знаний по теплоэнергетике и теплотехнике при едином подходе к подбору и расположению включаемых в справочники сведений. Свойства и характеристики веществ н материалов в зависимости от их назначения приводятся в разных разделах. Для удобства пользования этими данными в заключительной, четвертой книге серии дается соответствующий указатель. В списки литературы, которыми заканчиваются разделы, включены источники заимствования, а также издания, в которых читатель может получить дополнительные сведения. Все книги серии снабжены предметными указателями.

Отзывы и пожелания по улучшению справочников просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

В. А. Григорьев

В. М. Зорин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данный справочник является четвертым, завершающим справочную серию «Теплоэнергетика и теплотехника».

Промышленная теплоэнергетика и теплотехника — это обширная область знаний, которая охватывает огромное разнообразие процессов, протекающих при температурах от ультранизких — кипения гелия, водорода, неона — до высоких — плавления металлов и других материалов. Основу справочника составляют сведения о наиболее важных из этих процессов применительно к условно выделяемым диапазонам температур (низкие, средние и высокие), об установках и оборудовании, реализующих эти процессы, о методах их расчета и проектирования.

В настоящее время среди комплекса проблем, связанных с созданием и эксплуатацией промышленных предприятий и теплотехнических установок, особое место занимают вопросы энергосбережения и охраны окружающей среды, внимание к которым на протяжении всей книги — особенность 2-го издания данного справочника. Значительный его объем посвящен проблемам создания высокоэффективных систем, включающих использование тепловых и материальных отходов основного производства.

Новыми по сравнению с 1-м изданием справочной серии являются разделы «Энергосбережение» и «Системы теплоэнергоснаб- жения промышленных предприятий». Последний заменил раздел 1-го издания «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», он охватывает больший круг вопросов и логичным образом продолжает, в частности, информацию раздела «Теплофикация и тепловые сети». Из второй книги 1-го издания в данный справочник перенесен раздел, посвященный электротермическим установкам, а из первой книги — раздел «Энергетика и охрана окружающей среды». В то же время объем справочника практически не изменился, что объясняется прежде всего тщательностью отбора приводимых в нем сведений, которые в наибольшей степени отвечают запросам теплотехников и теплоэнергетиков, работающих в различных отраслях народного хозяйства.

Целью авторов и редакторов было дать читателям в систематизированном виде сведения из различных разделов знаний, в которых они не являются узкими специалистами, но которые были бы им полезны для решения все усложняющихся задач.

Новый раздел «Энергосбережение» открывает второе издание справочника. Энергосбережение — это совокупность имеющих приоритетное значение мероприятий, осуществляемых при добыче, переработке, транспортировке, преобразовании, распределении и потреблении всех видов энергоресурсов и энергии в народном хозяйстве. Конкретно освещаются уровень реализации этих мероприятий, основные проблемы энергосбережения, которые необходимо решать сегодня и в ближайшем будущем. Излагаются требования Энергетической программы СССР на длительную перспективу в отношении повышения эффективности общественного производства.

Вниманию читателей предлагаются материалы, раскрывающие проблемы энергосбережения за рубежом. Делается краткое аналитическое сопоставление экономии топлива и энергии в СССР и США.

В настоящее время в СССР отсутствует сложившаяся терминология в области энергосбережения, что затрудняет изучение проблемы. В этой связи часть раздела посвящена основным терминам, используемым в СССР и за рубежом. Раздел завершается характеристикой основных направлений экономии и рационального использования ресурсов топливно-энергетического комплекса в промышленности, на транспорте, в сельском и жилищнокоммунальном хозяйстве, в строительстве и быту.

Огромные потенциальные возможности энергосбережения кроются в отраслях промышленного производства, использующих теплотехнологии. Большинство этих производств характеризуется в настоящее время значительной энергоемкостью и относительно низким уровнем полезного использования топлива н других энергоносителей (черная и цветная металлургия, произвбпгтрп цемента.

стекла, керамики, минеральных удобрений И др.).

Во втором разделе книги «Высокотемпературные теплотехнологические установки» приведены сведения, необходимые для решения задачи обеспечения предельно низких затрат первичных топливно-энергетических ресурсов в теплотехнологических системах; рассматривается метод предельного энергосбережения, применение которого обеспечивает высокие энергосберегающие эффекты. Даны характеристики тепловых и материальных отходов технологических систем, рассматриваются направления и установки для их использования, способы расчета экономии топлива. Рассматриваются также установки для использования избыточного давления энергоносителей, горючих конвертерных газов, утилизации теплоты охлаждаемых элементов, жидких шлаков, заготовок, сухого тушения кокса и т. п. Излагаются методики теплового расчета ограждений при стационарном и нестационарном режимах работы высокотемпературных установок. '

В третьем разделе «Электротермические установки» дана классификация и приведены основные технико-экономические характеристики различных видов электротермических установок (ЭТУ), их области применения и основные особенности конструктивного выполнения.

Рассмотрены методы снижения и использования потерь энергии в ЭТУ, а также вопросы рациональной эксплуатации. Для наиболее широко применяемых ЭТУ (печи сопротивления, дуговые печи, печи и установки индукционного нагрева) приведены основные типоразмеры, выпускаемые промышленностью в настоящее время.

Раздел четвертый содержит значительный объем разнообразных справочных данных, необходимых для разработки и правильной эксплуатации промышленных тепломассообменных установок и аппаратов. Кратко излагаются основные положения общепринятых методов расчета и проектирования, приведены справочные данные по конструкциям и рекомендации по выбору тепломассообменных аппаратов, выпарных, перегонных, ректификационных и сушильных установок.

При подготовке нового издания справочника материал раздела существенно переработан. С учетом новых ГОСТ внесены изменения в данные по пластинчатым, углеграфитовым теплообменникам, выпарным аппаратам с погружными горелками и др. Раздел дополнен методиками расчета ребристых рекуперативных, регенеративных и смесительных теплообменников. При изложении вопросов разде

ления смесей жидкостей дистилляция рассмотрена как частный случай процесса перегонки. В справочнике впервые приведены данные по сушке фильтрацией и замкнутым сушильным установкам. Рассмотрены новые методы решения внутренней задачи тепломассопереноса при сушке влажных материалов и новые способы выбора сушильных установок.

Во многих областях энергетики (несмотря на то что в целом она ориентирована на высокотемпературную технику) существует необходимость использования низких температур, лежащих ниже уровня окружающей среды. На большинстве предприятий в ведении главного энергетика находится то или иное низкотемпературное оборудование.

■ Оборудование, обеспечивающее получение и использование низких температур, разделяется в зависимости от температурного уровня на две группы — холодильное (7> 120 К) и криогенное (ТС120К). Поскольку специалисты-теплоэнергетики не всегда достаточно знакомы с низкотемпературным оборудованием, пятый раздел «Холодильные и криогенные установки» начинается с краткой характеристики областей применения низких температур, классификации установок и величин, определяющих их показатели. Описаны основные типы холодильных и криогенных установок; данные по иим, необходимые для выбора нужного оборудования, сведены в таблицы. Там же приведены характеристики сосудов для транспорта и хранения сжиженных газов.

Теплообменное оборудование низкотемпературных установок существенно отличается от аналогичных теплотехнических аппаратов. Поэтому низкотемпературным теплообменникам посвящен специальный параграф. Раздел завершается рассмотрением специфического машинного оборудования низкотемпературных установок.

В шестом разделе «Теплофикация и тепловые сети» изложен справочный и нормативный материал по проектированию и эксплуатации теплоподготовительных установок ТЭЦ, тепловых сетей и узлов распределения теплоносителя. Приведенные формулы и номограммы для определения комбинированной выработки электрической энергии упрощают проведение технико-экономических расчетов в области теплофикации и определения экономии топлива.

Уравнения характеристик теплообменных аппаратов, отопительных и вентиляционных установок позволяют определять их тепловые нагрузки и рассчитывать параметры теплоносителя при любых режимах работы системы теплоснабжения. Изложенные методы гидравлического расчета, номограммы

и таблицы широко используются для определения диаметров и потерь давления в тепловых сетях, в также для выбора и прогнозирования гидравлических режимов систем теплоснабжения в стационарных и нестационарных условиях.

Около половины потребляемого промышленностью топлива и более трети электроэнергии централизованно преобразуется на энергетических станциях предприятий в энергетический потенциал разнообразных энергоносителей, обеспечивающих проведение высоко-, средне- и низкотемпературных процессов в технологических аппаратах и установках.

Седьмой раздел «Системы теплоэнерго- снабжения промышленных предприятий», впервые включенный в справочник, посвящен системам централизованного производства и распределения необходимых предприятию энергоносителей. В ограниченном объеме раздела изложены основные положения методов определения потребности предприятий в энергоносителях, даны сравнение различных схем производства и распределения энергоносителей и рекомендации по выбору оборудования энергетических станций и транспортно-распределительных систем, рассмотрена эффективность использования вторичных энергоресурсов применительно к системам снабжения предприятия паром, сжатым воздухом, горючими газами, технической водой, кислородом. Один из параграфов раздела посвящен системам кондиционирования воздуха в производственных помещениях. Приведена номенклатура выпускаемого в стране оборудования для указанных систем.

Вопросам построения современных автоматизированных систем управления (АСУ) на базе специальных математических методов и средств автоматизации, включая вычислительную технику, посвящен восьмой раздел справочника. В важнейших отраслях народного хозяйства — энергетике, металлургии, химии, нефтехимии и др.— функционирование основных производственных установок, агрегатов становится невозможным без применения развитых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Назначению АСУ ТП, их разновидностям, составу, процедуре создания, эффективности уделено основное внимание в разделе. Его материалы определяются кругом вопросов, возникающих при взаимодействии инженера- теплотехника со специалистами по автоматизации в процессе разработки технического задания и проектирования системы управления теплотехническим объектом. При написании раздела не ставилась цель охватить все

задачи синтеза АСУ ТП. Материалы по математическому описанию объектов управления, расчетные методы связаны, главным образом, с автоматическими системами регулирования (АСР), которые широко применяются на разнообразных объектах — от простейших экспериментальных установок до сложных технологических комплексов. По сравнению с первым изданием обновлено содержание параграфа со справочными данными по основным техническим средствам АСУ ТП, приведены сведения по современным управляющим вычислительным машинам и микропроцессорным средствам управления локального уровня.

В девятом разделе рассматриваются вопросы охраны воздушного и водного бассейнов, которые на современном этапе развития энергетики приобретают особое значение. От их решения в значительной степени зависит выбор источников тепло- и электроснабжения отдельных регионов.

Энергетические установки, потребляя свыше одной трети добываемого в стране топлива, являются мощным потенциальным источником загрязнения природной среды. В настоящее время проектирование и эксплуатация любой энергетической установки жестко обусловлены экологическими требованиями. Особенно сложные экологические проблемы возникают в крупных городах, где выбросы от энергетических объектов суммируются с выбросами от транспорта и промышленных предприятий.

С учетом быстрого развития научных исследований в области охраны окружающей среды материалы раздела по сравнению с 1-м изданием почти полностью обновлены. Приведены сведения по новым электрофильтрам ЭГА и новая методика их расчета, даны материалы по улавливанию золы мазута, впервые приведены данные по сероочистке, новые (1987 г.) указания по расчету рассеивания токсичных веществ в атмосфере. Впервые приведены данные по шумовому воздействию от энергоустановок на районы жилой застройки в городах, по очистке выбросов от промэнергетических установок. При рассмотрении вопросов предотвращения загрязнения водных бассейнов особое внимание уделено очистке радиоактивно-загрязненных вод и безреагентным методам 8бработки стоков с применением электродиализа, обратного осмоса и др.

Редакторы и авторы искренне благодарны рецензентам данного справочника, чьи замечания бесспорно способствовали существенному улучшению данной книги, а также канд. техн, наук Б. С. Белосельскому, выполнившему большую работу по ее редактированию.

Материал данного справочника написали: раздел 1 — чл.-корр. АН СССР доктор техн, наук А. А. Макаров, доктор техн, наук В. И. Доброхотов, канд. экон. наук Д. Б. Вольфберг;

раздел 2 — доктор техн, наук А. Д. Ключников (§ 2.1—2.4, 2.6 и совместно с канд. техн, наук И. П. Морозовым § 2.5), доктор техн. наук Л. Н. Сидельковский (пп. 2.7.1, 2.7.3, 2.8.1—2.8.3 и совместно с Ю. А. Корытиным п. 2.7.2), кандидаты техн, наук В. Н. Юренев (пп. 2.7.4—2.7.6, 2.8.4) и Ю. В. Троянкин (§ 2.9);

раздел 3 — доктор техн, наук А. Б. Кувалдин и канд. техн, наук Л* Г. Ткачев;

раздел 4 — кандидаты техн. наук А. Л. Ефимов (пп. 4.1.1—4.1.5 и с использованием материалов проф. |А. М. Бакластова! — пп. 4.2.1—4.2.9.), П. Г. Удыма (пп. 4.1.6— 4.1.15, 4.2.10), В. А. Горбенко (§ 4.3) и

О. Л. Данилов (§ 4.4);

раздел 5 — чл.-корр. АН СССР доктор техн, наук В. А. Григорьев и канд. техн, наук А. К. Городов (§5.5), доктор техн, наук В. М. Бродянский (§ 5.1, 5.3, 5.4), канд. техн, наук А. В. Мартынов (§ 5.2, 5.6).

раздел 6 — доктор техн, наук Е. Я. Соколов;

раздел 7 — доктор техн, наук В. В. Галактионов (§ 7.7), кандидаты техн, наук Б. Г. Борисов (§ 7.1, 7.3, 7.4), Н. В. Калинин (§ 7.5, 7.6), В. И. Ситас (§ 7.2 — совместно с В. Н. Папушкиным);

раздел 8 — доктор техн. наук |Е. П. Стефани|, канд. техн, наук М. А. Панько;

раздел 9 — доктора техн, наук Э. П. Волков (§ 9.3—9.6), Л. А. Рихтер (§ 9.1, 9.2, 9.7), О. И. Мартынова (§ 9.8—9.10).

В. А. Григорьев В. М. Зорин

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Большую работу в направлении создания системы терминов и их определений в области энергосбережения проделала Мировая энергетическая конференция (МИРЭК, с 1 января 1990 г.— Мировой энергетический совет) [ 12]. Так, до последнего времени в отечественной и зарубежной специальной литературе во многих случаях не делалось четкого разграничения между терминами «энергосбережение», «экономия энергии» и «рациональное использование энергии». Вместе с тем каждому из них придано сейчас вполне определенное значение. Знание терминов в области энергосбережения, правильное их понимание имеет большое практическое значение.

В области энергосбережения основные термины и определения согласно МИРЭК подразделяются на шесть групп.

Общие термины. Энергосбережение (energy conservation) — комплекс мер или действий, предпринимаемых для обеспечения более эффективного использования энергетических ресурсов, например мероприятия, направленные на достижение экономии топлива и энергии, рациональное их использование, замещение дефицитных и дорогих энергоресурсов и энергоносителей другими, более доступными и дешевыми (замена нефти углем, нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии и т. д.).

Экономия энергии (energy saving) — результаты реализации мер, принимаемых в целях снижения непроизводительных потерь топлива, электроэнергии, теплоты, механической энергии. Меры могут носить пассивный (например, теплоизоляция), активный (утилизация сбросной теплоты или полезное использование попутного нефтяного газа) или организационный (замена одного вида трайспорта другим, более эффективным в энергетическом отношении) характер.

' Рациональное* использование энергии (rational use of energy) — расходование Энергии потребителями наиболее подходящим пу

тем для достижения экономических выгод с учетом социальных, политических, финансовых ограничений, требований по охране окружающей среды и т. д. Термин не равнозначен термину «экономия энергии».

Энергоемкость (energy content) - количество энергии, которая была потреблена (прямо или косвенно) при производстве продукции или выполнении работы (измеряется соответственно в местах выпуска продукции и выполнения работы).

Примечания: I. Количество энергии определяется в расчете на единицу произведенной продукции (машины, тонны материала и т. д.) или выполненной работы.

Термин «энергоемкость» все более широко используется в качестве показателя удельного расхода энергии в расчете на денежную единицу (национального дохода, стоимость выпущенной продукции и т. д.).

Энергетическая цепочка (energy chain) характеризует поток энергии от добычи (производства) первичного энергоресурса до конечного использования энергии. Преобразование одной формы энергии в другую включает одно или несколько звеньев энергетической цепочки. В советской литературе чаще используется термин энергетический поток (energy flow), который определяется как движение энергоресурсов в энергетическом хозяйстве в направлении от источников к потребляемой энергии; стадии этого движения характеризуют перемещение и хранение энергетических ресурсов, изменение их количества и (или) качественного состояния. Все более широко используется также термин энергетический каскад (energy cascade), который определяется как энергетический поток, используемый постепенно в двух или большем числе технологических процессов таким образом, что остаточная энергия после завершения одного технологического процесса поступает для использования в последующих процессе или процессах с целью достижения оптимальной эффективности использования энергии. В том случае, когда речь идет о теплоте, в каждом технологическом процессе увеличение энтро-

пии поступившей энергии соответствует уменьшению ее энтальпии.

Удельные затраты на экономию энергии (specific cost of energy saving) — затраты, необходимые для реализации мер по экономии единицы энергии в год без нежелательного изменения количества или качества выпускаемой продукции. Термин применяется, например, при расчетах прибыли. '

Градусо-день (degree day) — эмпирическая единица, выражающая суточную разницу в градусах (Цельсия или Фаренгейта) между базовой температурой и средней за 24 ч наружной температурой воздуха. Показатели в градусах-днях используются для оценки необходимой отопительной нагрузки зданий, нагрузки системы кондиционирования воздуха. Термин в советской специальной литературе до последнего времени применялся редко, хотя его использование в современных условиях представляется вполне обоснованным.

Пассивная экономия энергии. Теплоизоляция (thermal insulation) — защита жилых и общественных зданий, тепловых промышленных установок, трубопроводов от нежелательного теплового обмена с окружающей средой для снижения потерь теплоты. Термин «теплоизоляция» может быть применим также в том случае, когда теплоизолирующие материалы используются для предотвращения потерь холода из холодильных камер или, что то же самое, поступления теплоты в них.

Теплопроводность (thermal conductivity) — один из видов теплообмена, при котором происходит перенос энергии в форме тещ лоты в неравномерно нагретой среде. Этот вид теплообмена имеет атомно-молекулярный характер (не связан с макроскопическим движе; иием среды). В газах перенос энергии теплопроводностью осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах — в основном электронами проводимости, в диэлектриках — за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку (см. разд. 3 книги 2). Этот термин является одним из показателей уровня теплоизоляции.

Теплопередача (thermal transmittance) — теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними. Интенсивность теплопередачи характеризуется коэффициентом теплопередачи (см. п.3.3.4 книги 2). Теплопередачу через стены, крышу и другие части здания определяют термодинамические характеристики здания.

Побочная термодинамическая эффективность (insidental heat gain) —общее количество теплоты, получаемой зданием от солнеч

ного излучения и от любого другого источника теплоты, например от осветительных приборов, людей, находящихся внутри здания, и т. д. Термин используется при оценке энергетической эффективности зданий. Побочная термодинамическая эффективность может обеспечить экономию топлива и энергии только при условии, если отопительная система здания оснащена автоматизированной системой регулирования внутренней температуры.

Энергоэкономичное здание (low-energy building) — здание, спроектированное таким образом, чтобы его энергетические потребности на нужды отопления, кондиционирования воздуха, освещения и горячего водоснабжения удовлетворялись при минимальном использовании покупной энергии, т. е. здание, которое может эксплуатироваться при минимальных затратах на энергию. Существует большое число типов «энергоэкоиомичного здания».

Активная экономия энергии применительно к действующим энергетическим и энергопотребляющим установкам. Запрограммированное управление отоплением и кондиционированием воздуха (programme controlled heating and air-conditioning) — автоматическое управление системой отопления и кондиционирования воздуха в здании в соответствии с программой, заранее разработанной таким образом, чтобы люди в здании находились в необходимых комфортных условиях при минимальных энергетических затратах, а во время отсутствия людей в здании нагрузки на установки по отоплению и кондиционированию воздуха автоматически снижались.

Регулирование нагрузки (load control) ■ любой метод регулирования нагрузки потребительских установок, особенно в периоды прохождения максимумов нагрузки в энергосистемах. Для контроля за регулированием применяют специальные приборы, например тепломеры, счетчики нагрузки в пиковые периоды; используются также специальные тарифы и контракты, допускающие перерывы или ограничения в снабжении электроэнергией. Иногда регулирование нагрузки достигается за счет обеспечения аккумулирования электроэнергии и теплоты, вырабатываемой в течение внепиковых периодов и поступающей к потребителю во время прохождения пика нагрузки. Возможно и сочетание этих и ряда других методов.

Активная экономия энергии с помощью дополнительных элементов оборудования, использования вторичного сырья, утилизации вторичных энергоресурсов на действующих энергетических и энергопотребляющих установках. Возврат конденсата (condensate return) — процесс и соответствующее устройст-

во или оборудование для сбора воды, образовавшейся в результате конденсации пара, использованного для производства электроэнергии, в технологическом процессе, отоплении и т. д., и для возврата ее в котел в качестве питательной воды.

Регенерация энергии (energy recovery) — использование остаточной энергии после завершения конкретного процесса в том же самом или другом процессе.

Регенерация сбросной теплоты (waste heat recovery) — утилизация (практическое применение) той части теплоты, которая была выработана для конкретного процесса, но не была потреблена в нем, оставаясь при этом полезной теплотой.

Регенерация механической энергии (mechanical energy recovery) — преобразование в полезную форму энергии неиспользуемой части механической энергии, т. е. той ее части, которая без принятия специальных мер была бы потеряна. Примером регенерации механической энергии является установка на магистральных газопроводах и на распределительных газовых сетях турбодетандеров взамен редукционных клапанов.

Теплообменник (heat exchanger) или теплообменный аппарат — вид оборудования, предназначенного для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (греющее тело — теплоноситель) к среде с более низкой температурой (нагреваемое тело). Теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. К рекуперативных теплообменниках теплота от нагреваемого вещества к охлаждаемому передается через разделяющую их стенку (паровые котлы, воздухо- и водоподогреватели, конденсаторы и др.). В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность нагрева омывается попеременно то нагреваемым, то охлаждаемым веществом (регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, регенеративные воздухоподогреватели доменных печей и котельных агрегатов). В смесительных теплообменниках теплота передается при непосредственном контакте охлаждаемого и нагреваемого веществ (башенные охладители — градирни, скрубберы, дегазаторы и т. п.). К числу теплообменных аппаратов относятся тепловые трубы.

Повторное использование материалов (materials recycling) — извлечение из отходов производства, быта и торговли вторичных материалов и возврат их в производство с целью снижения расхода сырья, энергии и финансовых средств по сравнению с производством продукции изсырьевых материалов.

Отходы (refuse, waste) — материал, не использованный ввиду того, что в данный

момент он не имеет непосредственной ценности, или материал, оставшийся после завершения технологического процесса или отдельной производственной операции. Такие материалы могут быть в виде сельскохозяйственных (органические вещества), промышленных (черные или цветные металлы, стекло, пластмасса и т. н.) или бытовых (твердые и жидкие городские отходы) отходов.

За последние годы в связи с ростом цен на органическое топливо во многих странах все шире практикуется производство топлива из отходов (refuse - derived fuel), т. е. топлива, сырьем для производства которого служат отходы (метан из сельскохозяйственных отходов, жидкое топливо из резиновых отходов, твердые топлива из органических отходов). В случае отсутствия возможности утилизации вторичного сырья или отходов их непосредственно сжигают в топках, сконструированных для этих целей. Золу и шлаки, образовавшиеся в результате сжигания отходов (incinirati- оп of refuse), используют для производства удобрений, при сооружении дорог или для производства строительных материалов (шлакоблоки и т. д.).

Экономия энергии, достигаемая в результате организационных изменений и внедрения новых систем. Замещение (substitution) — использование установки, процесса, продукции или услуг, требующих меньше энергии для работы или изготовления продукции, чем применявшиеся на практике, без ухудшения качественных характеристик производимых изделий или услуг (первое значение); использование в конкретном технологическом процессе или услуге вместо традиционно применяемого энергоносителя любого другого, если это замещение имеет преимущества или оно необходимо по экономическим, техническим условиям или по условиям энергоснабжения (второе значение). Оба этих случая в определенных условиях могут потребовать при замещении большего количества энергии, но менее дорогой, более доступной или с меньшей глубиной переработки (например, сжигание исходного бурого угля вместо производимых на его основе брикетов).

В развитых капиталистических странах за последние годы широкое распространение получили системы для децентрализованного снабжения комплекса зданий, отдельного промышленного или торгового предприятия электроэнергией, теплотой и холодом; при этом их выработка и поставка потребителям базируются на поступлении в систему лишь одного вида энергоресурса. В настоящее время в качестве энергоресурса для таких комплексных энергетических систем (total energy

system) в основном используют природный газ или мазут.

Теплоэлектроцентраль (combined heat and power station или cogeneration plant) — тепловая электростанция, вырабатывающая и отпускающая потребителям одновременно электрическую энергию и теплоту. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) устанавливают преимущественно теплофикационные турбины. Используемый на ТЭЦ комбинированный цикл одновременного производства электроэнергии и теплоты позволяет по сравнению с раздельной их выработкой значительно повысить эффективность использования топлива, увеличить КПД электростанции, снизить себестоимость вырабатываемой энергии. Согласно МИРЭК ТЭЦ — это тепловая электростанция, в которой весь пар, выработанный в котельных установках, проходит через турбоагрегаты для производства электроэнергии и в которой предусмотрена возможность использования для теплоснабжения и для технологических процессов как отработавшего пара, поступающего из выхлопного патрубка, так и более высокопотенциального пара, отбираемого из промежуточных отборов турбины. И электроэнергия, и теплота, вырабатываемые на ТЭЦ, являются основными видами продукции, при этом каждый из них дополняет друг друга. Соотношение в уровнях производства электроэнергии и теплоты может регулироваться в зависимости от потребности в них.

За последние годы, особенно в западных странах, получили распространение установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты, оборудованные газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, используемыми в качестве приводов электрогенераторов. В этих установках на базе теплоты горячих выхлопных газов с помощью теплообменников производится ггар или горячая вода для теплоснабжения. Однако в данном случае теплота является не основным, а побочным продуктом установки.

Тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы. Тепловой насос (heat pump) — машина, позволяющая осуществлять передачу теплоты от менее нагретого тела (окружающей среды — воздуха, грунтовых вод, грунта, вентиляционных выбросов, сбросной теплоты установок и т. д.) к более нагретому телу, повышая его температуру и затрачивая при этом некоторое количество механической энергии. Процессы, происходящие в тепловом насосе, обратны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине. Предельный теоретический цикл теплового насоса — обратный цикл Карно (см. разд. 2 книги 2).

Теплонасосная установка (heat pump plant) состоит из теплового насоса, установки для отбора теплоты от ее источника и другого оборудования.

Отопительная теплонасосная система (heat pump heating system)—система теплоснабжения, основным элементом которой наряду с распределительной системой теплоты является тепловой насос; в систему может также входить аккумулятор теплоты и резервный источник ее получения.

В зависимости от источника теплоты и используемого теплоносителя тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы классифицируются следующим образом: воздух — воздух, воздух — вода, вода — воздух, вода — вода, грунт — воздух, грунт — вода.

Прочие термины (приводятся лишь некоторые термины, прямо или косвенно относящиеся к энергосбережению и имеющие также широкое распространение в других сферах энергетического хозяйства).

Энергетический ресурс (energy resour- se)—запасы энергии, которые при данном уровне техники могут быть использованы для энергоснабжения.

Первичный энергоресурс (primary energy resourse) —энергоресурс (сырая нефть, природный газ, уголь, горючие сланцы, ядерная энергия, гидроэнергия, геотермальная, солнечная, ветровая энергия и т. д.), который не был подвергнут какой-либо переработке или преобразованию.

Энергоноситель (energy carrier) — ресурс, непосредственно используемый на стадии конечного потребления, предварительно облагороженный, переработанный, преобразованный, а также природный энергетический ресурс, потребляемый на этой стадии.

Подведенный энергетический ресурс (energy resourse supplied) — энергетический ресурс, подведенный к энергетической установке для переработки, преобразования, транспорта или использования.

Подведенная (конечная) энергия (final energy или energy supplied) — энергия, подведенная к потребителю перед ее конечным преобразованием в полезную работу (т. е. перед конечным ее использованием), или количество энергии в подведенном энергетическом ресурсе или энергоносителе.

Полезная энергия (useful energy) — часть подведенной к потребителю энергии, которая выполнила полезную работу в процессе конечного преобразования, или количество энергии, теоретически необходимой для осуществления тех или иных энергетических процессов.

Источники энергии (sources of energy) — источники, из которых может быть получена полезная энергия непосредственно или путем процесса преобразования или переработки.

Преобразование энергии (energy conversion, energy transformation) терминологически имеет два значения. Первое из них означает преобразование или производство энергии без изменения физического состояния формы энергии (например, кокс из угля). Второе означает преобразование или производство энергии, включающее физическое изменение состояния формы энергии (например, ожижение или газификация угля).

Утилизация энергии (energy utilisation)— получение полезной энергии из подведенной (конечной) энергии.

Формы энергии (forms of energy) - ■ термин, применимый к твердым, жидким и газообразным топливам и всем видам энергии: ядерной, электрической, солнечной, энергии биомассы и др.

Использованная энергия (used energy) — количество энергии, непосредственно участвовавшей в проведении того или иного процесса (может отличаться от вида подведенной энергии).

Энергетическая технология (energy technology)— та область технологии, которая связана с производством, преобразованием, аккумулированием, распределением и использованием энергии.

Потери на преобразование (transformation losses, conversion losses) — разница между энергией, поступившей в установку по преобразованию, и энергией на выходе из нее. ■

Потери при транспортировке и распределении энергоресурсов (transport and distribution losses of energy) — потери энергоресурсов, связанные с транспортировкой, передачей и распределением (в основном электроэнергии, угля, нефти, природного газа, теплоты и сжатого воздуха), которые имеют место на пути от производителя энергоресурсов до приемного пункта конечного потребителя.

Коэффициент полезного использования первичных энергоресурсов (coefficient of useful consumption of primary energy resources)—отношение подведенной (конечной) энергии ко всему объему первичных энергоресурсов, поступивших в приходную часть энергетического баланса.

Потери энергии у потребителя (consumer energy losses) — разность между подведенной и полезной энергией.

Энергетический баланс (energy balance) — система показателей, характеризующих процесс преобразования энергии или снабже

ния ею потребителей и отражающих равенство подведенной энергии, с одной стороны, и суммы полезной энергии и ее потерь, с другой. ■

Энергетический баланс разрабатывается для отдельных района, страны, предприятия (топливно-энергетический баланс), вида энергоресурса или энергоносителя, для определенного периода времени.

Энергоресурсы, имеющиеся в наличии для конечного потребления (energy available for final consumption), - энергоресурсы, поступившие в распоряжение конечного потребителя.

Они представляют собой сумму потребления энергоресурсов для энергетических и неэнергетических целей.

Конечное потребление энергии (final energy consumption) — энергоресурсы, потребленные конечным потребителем в энергетических целях (сюда не входит потребление энергоресурсов в энергетическом секторе).

Потребление энергоресурсов на собственные нужды топливо- и энергоснабжающих предприятий (self consumption by energy industries) — потребление на собственные нужды энергоресурсов их производителями и предприятиями после их преобразования и переработки.

В этом случае может потребляться либо покупная энергия, либо энергия, производимая самим предприятием. Под этим термином подразумевается также разница между поступившей и выработанной электроэнергией гидроаккумулирующей электростанцией.

Использование энергии (energy use) — применение первичных и (или) преобразованных энергоресурсов для производства полезной энергии. Использование энергии подразделяется по направлениям (в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, жилищно-коммунальном хозяйстве, быту и т. д.), по назначению (для освещения, теплоснабжения, привода и т. д.).

Потребление энергоресурсов (energy consumption) -- использование эпергоресурсов для производства преобразованных энергоносителей или полезной энергии. При этом в каждом случае должно указываться, какие энергоресурсы используются: первичные, вторичные, подведенные или полезные.

Удельное энергопотребление (unit energy consumption или specific energy consumption) — первое значение - потребление энергии в расчете на одного абонента, одного жителя, на единицу оборудования или прибора; второе значение — удельное потребление энергии в расчете на производство единицы продукции и на денежную единицу.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НАСОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

И В ПЕРСПЕКТИВЕ

Объективной закономерностью общественного развития является систематический рост энерговооруженности труда. При этом научно-технический прогресс во многих своих проявлениях направлен на повышение энергетической эффективности общественного производства, т. е. на энергосбережение.

Энергосбережение следует рассматривать в двух аспектах.

Первый из них состоит в снижении физического объема топлива и (или) энергии, расходуемых па единицу выпускаемой продукции или национального дохода, т. е. в экономии органического и ядерного топлива, электрической и тепловой энергии, достигаемой в результате:

повышения уровня технологической и производственной дисциплины, более рачительного отношения к энергоресурсам;

снижения непроизводительных потерь топлива и энергии за счет организационнотехнических мероприятий, реализуемых при производстве (добыче), преобразовании, транспортировке, хранении, распределении топлива н энергии и на стадии их конечного потребления;

технического перевооружения, модернизации и реконструкции действующих основных фондов, вывода из использования физически и морально устаревших малоэффективных в энергетическом отношении основных фондов или их замены новыми прогрессивными;

создания и внедрения новых, более энергоэкономных технологических процессов и оборудования;

совершенствования структуры экономики в направлении опережающего развития малоэнергоемких отраслей, коренного повышения качества продукции машиностроения и одновременного увеличения срока ее службы, снижения материалоемкости, улучшения внутриотраслевой структуры производства для достижения наиболее полной загрузки передовых производств, выпускающих по сравнению с другими аналогичными производствами менее энергоемкую продукцию.

Второй из аспектов энергосбережения включает мероприятия, реализация которых в области энергетического хозяйства обеспечивает достижение экономического эффекта за счет совершенствования структуры самого энергетического производства и энергетического баланса, а также замещения энергией трудовых ресурсов (повышения производи

тельности труда) или дорогих и дефицитных материалов (например, увеличения расхода электроэнергии, связанного с внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами и оборудованием, снижающих непроизводительные потери энергии и отходы обрабатываемых материалов). К этому аспекту энергосбережения относятся и мероприятия, при которых экономический эффект достигается при дополнительном расходе энергоресурсов, обеспечивающем повышение качества, надежности и срока службы выпускаемой продукции или организацию производства новой продукции с улучшенными потребительскими свойствами, повышение комфортности жилья, улучшение условий и повышение безопасности труда, снижение негативного воздействия на окружающую среду. Та(кие мероприятия будут носить энергосберегающий или ресурсосберегающий характер в том случае, если достигаемый за их счет экономический эффект будет превышать затраты, связанные с дополнительным расходом энергоресурсов.

Мероприятия, сопровождаемые дополнительными затратами энергии и связанные с производством новых видов конструкционных и других материалов, относятся к энергосберегающим* (ресурсосберегающим), если применение этих материалов у потребителей по сравнению с ранее использовавшимися обеспечивает экономию энергоресурсов и (или) снижение издержек производства, которые дают экономический эффект, превышающий стоимость дополнительно затраченной энергии при производстве этих материалов.

Энергосберегающая политика как средство повышения общей эффективности народного хозяйства включает и основные мероприятия по замещению дорогих и истощающихся видов энергоресурсов более эффективными и крупномасштабными, например замену нефти углем и т. д. Энергосберегающая политика должна охватывать весь комплекс мер по совершенствованию энергопотребления в народном хозяйстве как в части сокращения энергоемкости, так и в отношении структуры энергопотребления.

Действительные энергетические нужды общества при сложившемся образе жизни, данных климатических условиях и уровне технического оснащения характеризуются потреблением конечной энергии, получаемой на выходе из последней фазы преобразования энергоресурсов и подведенной для непосредственного использования в технологических, бытовых и транспортных процессах. Изменять потребность в конечной энергии можно только путем воздействия на неэнергетическую часть

производительных сил общества. Экономия конечной энергии означает подлинное энергосбережение, т. е. снижение действительной энергоемкости народного хозяйства. При этом важно знать, какой вид конечной энергии удается сэкономить, так как ее виды сильно различаются по народнохозяйственной значимости, энергетическому потенциалу и расходу энергоносителей. Потребление первичных энергоресурсов соотносится с потреблением преобразованных видов энергии как величина, обратная КПД переработки, преобразования и распределения энергетических ресурсов. Поэтому правомерно учитывать также коэффициент использования природных источников энергии, т. е. извлечения топлива из недр, степень использования водотока и т. д. В связи с этим экономия первичных энергоресурсов может достигаться не только экономней энергоносителей, но и совершенствованием всех процессов производства (добычи), переработки, преобразования и распределения эиергоре- сурсов. ■

Общая экономия энергоресурсов в народном хозяйстве за счет всех энергосберегающих мероприятий формируется как сумма экономии первичных энергоресурсов, достигаемой: в сфере потребления в неэнергетической части производительных сил, за счет совершенствования энергетического хозяйства потребителей, в самом топливно-энергетическом комплексе. При разработке и проведении энергосберегающей политики необходимо четко определить возможность энергосбережения в каждой их этих сфер.

В практике планирования экономия топлива и энергии определяется по разности норм их расхода в начале и в конце рассматриваемого периода, умноженной на объемы производства продукции в конце периода. К этому прибавляется экономия, получаемая за счет использования побочных (вторичных) энергоресурсов (горючих и тепловых) и сжигания разного рода отходов и вторичного сырья — отходов заготовок и переработки древесины, щелоков в целлюлозном производстве, горючих сельскохозяйственных отходов, бытовых отходов городов и т. д. При формировании топливно-энергетических балансов учитывают размеры использования ядерной энергии и всех видов возобновляемых энергоресурсов — гидроэнергии, геотермальной, солнечной, ветровой энергии, биомассы и т. д. В результате обеспечивается продуктовая и поот- раслевая привязка результатов энергосберегающей политики, что необходимо для адресности планирования и возможности организации учета и контроля размеров энергосбережения. К этому добавляется также экономия в не-

нормируемой части энергопотребления, составляющая почти 1/3 электро- и теплопот- ребления и не менее 1/10 расхода топлива и нефтепродуктов, а также экономия энергоресурсов, достигаемая за счет структурной перестройки энергетики и в особенности других отраслей народного хозяйства.

В количественных оценках должны учитываться такие важные факторы энергосбережения, как снижение материалоемкости (особенно металлоемкости) производства, совершенствование размещения производительных сил по территории страны и улучшение схемы транспортных перевозок, преимущественное использование менее энергоемкой продукции, централизация электро- и теплоснабжения и т. д.

В этом случае оценку и анализ должны также получить и аналогичные структурные, социальные и природные факторы, действующие в направлении роста энергоемкости народного хозяйства,— увеличение транспортных перевозок из-за необходимости освоения энергетических и сырьевых ресурсов в более удаленных районах страны, использование бедных месторождений природных ископаемых с худшими геологическими условиями, повышение требований к условиям труда и жизни населения, энергозатраты на охрану окружающей среды.

При общей оценке энергосбережения и формировании энергосберегающей политики необходимо отличать экономию энергоресурсов, сопутствующую «естественным» структурным изменениям и техническому прогрессу в народном хозяйстве, от экономии, требующей целенаправленных действий: целевых капиталовложений, специальной системы экономического стимулирования, контроля и т. д.

Энергопотребление в СССР за прошедшее двадцатипятилетие характеризовалось быстрым ростом коэффициента полезного использования энергоресурсов (КПИ). При постоянстве удельного расхода конечной энергии за счет роста КПИ было достигнуто почти все снижение энергоемкости национального дохода, т. е. была получена практически вся экономия энергоресурсов в народном хозяйстве. Однако темпы роста КПИ были неодинаковыми: в период 1961 — 1970 гг. он возрос на восемь пунктов (с 31 до 39 %), а в период 1971 — 1980 гг. — только на три пункта (с 39 до 42 %).

Экономия энергоресурсов путем «естественного» хода развития продолжится и в перспективе, но ее действенность существенно снизится. Это обусловлено сложностью дальнейшего повышения КПД основных видов используемых сейчас типов энергоуста-

новок, многие из которых (особенно в производстве электроэнергии, пара и горячей воды) вплотную приблизились к своему физическому пределу, объективно необходимым повышением энерговооруженности и улучшением условий труда, использованием бедных природных ресурсов и увеличением глубины их переработки, улучшением бытовых условий, повышением жизненного уровня населения, а также ростом требований к охране окружающей среды. Такое исчерпание «естественных» резервов экономии энергоресурсов является первой отличительной особенностью предстоящего этапа развития энергетики СССР.

Вторая особенность относится к новым условиям производства энергетических ресурсов. Удельные затраты на прирост добычи топлива, особенно нефти и газа, в последующие годы ожидаются в среднем втрое выше, чем в начале 70-х годов.

В энергетическое хозяйство СССР вкладывается примерно 20 % всех капиталовложений (а с учетом энергетического аппарата потребителей — не менее 30 %). Отличительная особенность энергетики состоит также в том, что значительная часть капитальных вложений расходуется только на то, чтобы компенсировать снижение добычи из-за исчерпания запасов топлива в разрабатываемых месторождениях. Себестоимость добычи нефти в СССР возросла за последние годы в 2,8 раза, природного газа — в 3,8 раза, угля — в 1,6 раза, себестоимость электроэнергии (по конечному отпуску) —в 1,2 раза [6].

За последние годы произошло определенное повышение энергетической эффективности общественного производства в СССР. Энергоемкость произведенного национального дохода снизилась за 15 лет на 1/6. По годам снижение энергоемкости составило (кг условного топлива в расчете на 1 руб. национального дохода): .

1970 г,—3,84

1975 г,— 3,67

1980 г.— 3,531985 г,—3,341986 г.— 3,26

Эти данные весьма наглядно демонстрируют успехи Советского Союза в сфере энергосбережения. Одиако установить, многого ли достигла наша страна в этой области, не отстала ли она от других промышленно развитых стран мира в деле повышения энергетической эффективности общественного производства, можно лишь при условии проведения объективного сопоставления. До последнего времени в сопоставительном анализе показа

телей энергоемкости экономики различных стран допускались серьезные ошибки. Дело в том, что сопоставлять можно только сопоставимые показатели; при этом необходимо учитывать различия в условиях, преобладающих в сопоставляемых странах. Вместе с тем каждая из стоан отличается от любой другой

по уровню развития производительных сил, масштабам производственного потенциала, отраслевой структуре промышленности, структуре располагаемых энергоресурсов, характеру внешней торговли, климатическим условиям, образу жизни населения, размеру территории и т. д. Только учтя все эти и ряд других факторов, влияющих в значительной мере на потребности в энергетических ресурсах, можно достигнуть объективности в сопоставлении темпов и масштабов энергосбережения.

Среднегодовые темпы прироста произве

денного национального дохода в сопоставлении с динамикой его энерго- и электроемкости, %, в среднем за пятилетие:

СреднегодовойСреднегодовой1971— 1976— 1981

Среднегодовой

Среднегодовой

1975 гг. 1980 гг. 1985 гг. прирост

произведенного нациоиаль- ного дохода 5,74,33,6

Среднегодовые темпы снижения энергоемкости произведенного национального дохода . . . . 0,90,81,1

Среднегодовые темпы снижения электроемкости продукции в промышленности 1,31,10,3

Общая экономия топливно-энергетических ресурсов за счет снижения норм расхода, повышения уровня утилизации вторичных энергоресурсов, а также влияния других положительных факторов в 1986 г. составила около 20 млн. т условного топлива (табл. 1.1).

В XI пятилетке в народном хозяйстве за счет экономии была обеспечена почти половина всего прироста потребности в топливе

Таблица 1.1. Экономия энергоресурсов за счет снижения удельных расходов

Годы

Котельно-печное топливо (в пересчете на условное), млн. т

Электроэнергия, ТВт-ч

Теплота, млн. ГДж

1980

3,0

17,1

147,0

1985

9,2

22,1

191,3

1986

7,2'

17,6

203,9

Примечание. Размер экоиомни определен как разность между фактическим расходом и расходом, рассчитанным по нормам предыдущего года.

и энергии, в XII пятилетке дополнительная потребность в топливе и энергии будет удовлетворена за счет их экономии на 65—70 %.

Значительная часть всей экономии топлива и энергии достигается в результате более полного использования вторичных энергоресурсов (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Использование вторичных энергетических ресурсов

Годы

Вторичные тепловые ресурсы

Экономия энергоресурсов за счет использования горючих вторичных ресурсов, млн. т условного топлива

Использовано, млн. ГДж

Экономия топлива за счет использования вторичных тепловых ресурсов, млн. т условного топлива

1980

412,4

16,9

35,1

1985

551,4

22,1

35,9

1986

588,2

23,7

37,7

Вместе с тем еще около половины всех образующихся в народном хозяйстве относительно высокопотенциальных вторичных тепловых ресурсов пока не используется, что соответствует ежегодной потере около 20 млн. т условного топлива. В несколько раз больше остается неиспользуемых низкопотенциальных вторичных тепловых ресурсов.

Планом экономического и социального развития СССР на 1986— 1990 гг. национальный доход за пятилетие предусматривалось увеличить на 23,1 %, а его энергоемкость снизить на 8,5 %.

Достигнутые за последние годы успехи з области энергосбережения в СССР (табл. 1.3) в определенной мере связаны со структурными изменениями в производстве энергоресурсов, расширением использования энергосберегающих технологий. За рубежом также происходит интенсивный процесс снижения энергоемкости экономики (табл. 1.4). По данным Международного энергетического агентства (МЭА), если к 2000 г. полностью реализовать все экономически оправданные энергосберегающие меры, то энергетическая эффективность экономики повысится более чем на 30 %. В масштабах всех стран — членов МЭА, в которое входит подавляющее большинство индустриальных капиталистических государств, это эквивалентно экономии примерно 1,7 млрд, т условного топлива в год.

Сумма мер по экономии энергоресурсов в СССР даст при их реализации весомый вклад в решение задачи полного и надежного

Таблица 1.3. Динамика отдельных важнейших показателей, связанных с энергосбережением

Показатель

1980 г.

1985 г.

Доля выработки электроэнергии атомными электростанциями в общем объеме производства электроэнергии, %

5,6

10,8

Уровень использования попутного газа, %

68,6

75,7

Глубина переработки нефтяного сырья, %

56,2

57,7

Удельный вес добычи угля открытым способом на разрезах в общей добыче угля, %

Удельный вес в общем объеме производства стали, %:

36,8

41,1

непрерывной разливки стали

11,8

14,4

кислородно-конвертерной и электростали

37,2

42,5

Использование пылеугольного топлива при производстве чугуна, тыс. т

10,3

73,2

Таблица 1.4. Средиегодовые темпы снижения энергоемкости валового национального продукта развитых капиталистических стран, %

Страны

1975—

1980 гг.

1981 —

1985 гг.

США

1,6

2,4

Канада

0,3

2,1

Япония

1,9

4,3

ФРГ

1,4

1,4

Франция

1,7

1,1

Великобритания

2,5

1,2

Италия

1,2

2,0

обеспечения энергетических потребностей народного хозяйства. Сверх того почти такой же вклад может дать замещение органического топлива ядерной энергией и возобновляемыми энергоресурсами. Оба эти направления энергосберегающей политики в сумме дадут больше, чем общий прирост добычи всех видов органического топлива.

В Энергетической программе СССР на длительную перспективу поставлена задача проведения активной энергосберегающей политики во всех звеньях экономики на основе ускорения научно-технического прогресса в целях дальнейшего существенного улучшения использования энергетических ресурсов, всемерной экономии топлива, электрической энергии и теплоты, обеспечения на этой осно-

ве снижения энергоемкости национального дохода.

XXV11 съезд КПСС определил необходимость снизить энергоемкость национального дохода к 2000 г. по сравнению с 1985 г. не менее чем в 1,4 раза, при этом 75—80 % всего прироста потребностей в энергоресурсах должно быть обеспечено за счет их экономии.

Реализация этой крупной народнохозяйственной задачи тесно увязывается с решением других стратегических направлений развития нашего общества. Предусмотрены, в частности, полуторакратное ускорение темпов развития экономики, удвоение к 2000 г. национального дохода и промышленного производства по сравнению с 1985 г., опережающие темпы роста производительности труда на основе интенсификации научнотехнического прогресса, снижение к 2000 г. против 1985 г. на 15 % металлоемкости производства, коренная перестройка структуры экономики в направлении ускоренного развития малоэнергоемких производств при одновременном снижении доли энергоемких ресурсных отраслей. Все это прямо или косвенно связано с решением проблемы энергосбережения.

Одним из важнейших направлений экономии топлива и энергии в ближайшие годы должно стать массовое распространение уже освоенных в СССР и за рубежом энергосберегающих видов оборудования, машин, материалов, технологий, а в дальнейшем.— внедрение принципиально новых технологических решений с массовой заменой ныне имеющихся устаревших основных фондов новыми, существенно более эффективными в энергетическом отношении. .

Для обеспечения экономного расходования и рационального использования энергетических ресурсов необходимы оснащение в требуемых объемах промышленных предприятий, жилого и общественного сектора, сельского хозяйства и транспорта недорогими техническими средствами автоматизированного учета и контроля за расходом топлива, электроэнергии и теплоты, разработка и реализация на практике ряда организационных мер в целях сокращения всех видов непроизводительных потерь топлива и энергии по всей энергетической цепочке — от их добычи и производства до стадии конечного потребления.

Необходимо также осуществлять меры как по снижению выхода в технологических процессах вторичных энергоресурсов, т. е. обеспечению более полного использования в полезных целях подведенной к потребителю энергии, так и по повышению до максимально оправданного по экономическим и тех

ническим соображениям предела утилизации вторичных энергоресурсов.

Определенное влияние на процесс энергосбережения будут оказывать структурные изменения в производстве, преобразовании и использовании энергетических ресурсов, внедрение энерготехнологических процессов.

Основная часть всего необходимого объема экономии и замещения энергоресурсов должна быть обеспечена в самом топливноэнергетическом комплексе, в черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, промышленности строительных материалов, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, сельском и коммунально-бытовом хозяйстве, на транспорте.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМКОМПЛЕКСЕ

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Топливно-энергетический комплекс является крупнейшим потребителем энергетических ресурсов, во много раз превышая по этому показателю все другие народнохозяйственные комплексы. На производство электроэнергии в 1986 г. было израсходовано в общей сложности около 400 млн. т условного топлива, что примерно вдвое больше, чем было потреблено в черной металлургии. На транспортировку природного газа в настоящее время расходуется до 10 % всей его добычи; на передачу электроэнергии — 9 % общего ее производства; много нефти расходуется на ее транспортировку и переработку. Значительное количество энергоресурсов требуется топливодобывающим предприятиям.

Согласно официальной статистике расходы энергоресурсов топливно-энергетическим комплексом именуются термином «потребление внутри страны на преобразование в другие виды энергии (электроэнергию, теплоту, сжатый воздух и доменное дутье)». В этот показатель не включают затраты энергоресурсов на их транспортировку.

В 1986 г. отраслями топливно-энергетического комплекса было израсходовано в сумме 36,6 % всего распределенного количества располагаемых энергоресурсов (табл. 1.5) [7]. В течение последних лет наряду со снижением удельных расходов энергоресурсов в отраслях топливно-энергетического комплекса во многих случаях наблюдается и значительный рост этого показателя (табл. 1.6). Однако ухудшение энергетических показателей в этом, равно

Показатель1970 г.1980 г.1985 г.1986 г.Ресурсы: всего1402,52171,12439,92536,2в том числе: добыча топлива1221,81395,62073,12165,7электроэнергия гидроэлектростанций45,560,1-69,870,3импорт14,117,830,834,9прочие поступления9,128,259,957,1остатки на начало года112,0169,4206,3208,2Распределение: всего1402,52171,12439,92536,2в том числе:потребление внутри страны на преобразование487,2788,9908,2929,1в другие виды энергии (электроэнергию, теплоту, сжатый воздух, доменное дутье)израсходовано на производственно-технологи-631,0884,4971,3981,3ческие и прочие нужды (включая потери при хранении и транспортировке)Показатель1970 г.1980 г.1985 г.1986 г.Ресурсы: всего1402,52171,12439,92536,2в том числе: добыча топлива1221,81395,62073,12165,7электроэнергия гидроэлектростанций45,560,1-69,870,3импорт14,117,830,834,9прочие поступления9,128,259,957,1остатки на начало года112,0169,4206,3208,2Распределение: всего1402,52171,12439,92536,2в том числе:потребление внутри страны на преобразование487,2788,9908,2929,1в другие виды энергии (электроэнергию, теплоту, сжатый воздух, доменное дутье)израсходовано на производственно-технологи-631,0884,4971,3981,3ческие и прочие нужды (включая потери при хранении и транспортировке)Таблица 1.5. Топливно-энергетический баланс СССР, млн. т условного топливаТаблица 1.5. Топливно-энергетический баланс СССР, млн. т условного топливаПримечание. Пересчет электрической и тепловой энергии, выработанной иа базе гидроэнергии, атомной, геотермальной энергии и других нетрадиционных возобновляемых источников, в условное топливо произведен по средним фактическим удельным расходам топлива на их отпуск.Примечание. Пересчет электрической и тепловой энергии, выработанной иа базе гидроэнергии, атомной, геотермальной энергии и других нетрадиционных возобновляемых источников, в условное топливо произведен по средним фактическим удельным расходам топлива на их отпуск.Таблица 1.6. Удельные расходы топлива, электрической энергии и теплоты в топливно-энергетическом комплексе в 1980 г. (Д) и в 1985 г. (В)Показатель1980 г. |1985 г. | Л/В, %Таблица 1.6. Удельные расходы топлива, электрической энергии и теплоты в топливно-энергетическом комплексе в 1980 г. (Д) и в 1985 г. (В)Показатель1980 г. |1985 г. | Л/В, %Электроэнергия, вырабатываемая на тепловых электро-328,6326,399,3станциях и отпускаемая в сеть, г/(кВт-ч) Теплота на электростанциях, кг/ГДж41,641,499,6Теплота на промышленно-производственных и районных котельных, кг/ГДж41,441,499,2Нефтепереработка (включая переработку газового конденсата), кг/тПодготовка нефти на нефтепромыслах, кг/т55,055,1100,25,15,098,0Перекачка газа по магистральным газопроводам, кг/(млн. м3-км)Электроэнергия46,942,590,6Теплоэнергия, отпущенная промышленно-производственными и районными котельными, кВт-ч/ГДж3,54,1117,0Добыча нефти (сырья) всеми способами, кВт-ч/т35,849,5138,3Переработка нефти, кВт-ч/т28,733,1115,3Добыча угля, кВт-ч/т30,933,5108,4Переработка угля, кВт-ч/т7,88,1103,8Переработка газа, кВт-ч/тыс. м352,373,6140,7Перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)15,412,782,5Перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)Теплота16,413,984,8Добыча нефти (всеми способами), МДж/т62,456,991,2Добыча угля (всеми способами), МДж/т113,9107,294,1Переработка нефти, МДж/т772,9779,2100,8Электроэнергия, вырабатываемая на тепловых электро-328,6326,399,3станциях и отпускаемая в сеть, г/(кВт-ч) Теплота на электростанциях, кг/ГДж41,641,499,6Теплота на промышленно-производственных и районных котельных, кг/ГДж41,441,499,2Нефтепереработка (включая переработку газового конденсата), кг/тПодготовка нефти на нефтепромыслах, кг/т55,055,1100,25,15,098,0Перекачка газа по магистральным газопроводам, кг/(млн. м3-км)Электроэнергия46,942,590,6Теплоэнергия, отпущенная промышленно-производственными и районными котельными, кВт-ч/ГДж3,54,1117,0Добыча нефти (сырья) всеми способами, кВт-ч/т35,849,5138,3Переработка нефти, кВт-ч/т28,733,1115,3Добыча угля, кВт-ч/т30,933,5108,4Переработка угля, кВт-ч/т7,88,1103,8Переработка газа, кВт-ч/тыс. м352,373,6140,7Перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)15,412,782,5Перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)Теплота16,413,984,8Добыча нефти (всеми способами), МДж/т62,456,991,2Добыча угля (всеми способами), МДж/т113,9107,294,1Переработка нефти, МДж/т772,9779,2100,8Топливо в условном исчисленииТопливо в условном исчислениикак и в других народнохозяйственных комплексах, в большинстве случаев является оправданным и обусловлено объективными факторами. Например, повышение удельного рас

Показатель

1970 г.

1980 г.

1985 г.

1986 г.

Ресурсы: всего

1402,5

2171,1

2439,9

2536,2

в том числе: добыча топлива

1221,8

1395,6

2073,1

2165,7

электроэнергия гидроэлектростанций

45,5

60,1-

69,8

70,3

импорт

14,1

17,8

30,8

34,9

прочие поступления

9,1

28,2

59,9

57,1

остатки на начало года

112,0

169,4

206,3

208,2

Распределение: всего

1402,5

2171,1

2439,9

2536,2

в том числе:

потребление внутри страны на преобразование

487,2

788,9

908,2

929,1

в другие виды энергии (электроэнергию, теплоту, сжатый воздух, доменное дутье)

израсходовано на производственно-технологи-

631,0

884,4

971,3

981,3

ческие и прочие нужды (включая потери при хранении и транспортировке)

Показатель

1970 г.

1980 г.

1985 г.

1986 г.

Ресурсы: всего

1402,5

2171,1

2439,9

2536,2

в том числе: добыча топлива

1221,8

1395,6

2073,1

2165,7

электроэнергия гидроэлектростанций

45,5

60,1-

69,8

70,3

импорт

14,1

17,8

30,8

34,9

прочие поступления

9,1

28,2

59,9

57,1

остатки на начало года

112,0

169,4

206,3

208,2

Распределение: всего

1402,5

2171,1

2439,9

2536,2

в том числе:

потребление внутри страны на преобразование

487,2

788,9

908,2

929,1

в другие виды энергии (электроэнергию, теплоту, сжатый воздух, доменное дутье)

израсходовано на производственно-технологи-

631,0

884,4

971,3

981,3

ческие и прочие нужды (включая потери при хранении и транспортировке)

Таблица 1.5. Топливно-энергетический баланс СССР, млн. т условного топлива

Таблица 1.5. Топливно-энергетический баланс СССР, млн. т условного топлива

Примечание. Пересчет электрической и тепловой энергии, выработанной иа базе гидроэнергии, атомной, геотермальной энергии и других нетрадиционных возобновляемых источников, в условное топливо произведен по средним фактическим удельным расходам топлива на их отпуск.

Примечание. Пересчет электрической и тепловой энергии, выработанной иа базе гидроэнергии, атомной, геотермальной энергии и других нетрадиционных возобновляемых источников, в условное топливо произведен по средним фактическим удельным расходам топлива на их отпуск.

Таблица 1.6. Удельные расходы топлива, электрической энергии и теплоты в топливно-энергетическом комплексе в 1980 г. (Д) и в 1985 г. (В)

Показатель1980 г. |1985 г. | Л/В, %

Таблица 1.6. Удельные расходы топлива, электрической энергии и теплоты в топливно-энергетическом комплексе в 1980 г. (Д) и в 1985 г. (В)

Показатель1980 г. |1985 г. | Л/В, %

Электроэнергия, вырабатываемая на тепловых электро-

328,6

326,3

99,3

станциях и отпускаемая в сеть, г/(кВт-ч) Теплота на электростанциях, кг/ГДж

41,6

41,4

99,6

Теплота на промышленно-производственных и районных котельных, кг/ГДж

41,4

41,4

99,2

Нефтепереработка (включая переработку газового конденсата), кг/т

Подготовка нефти на нефтепромыслах, кг/т

55,0

55,1

100,2

5,1

5,0

98,0

Перекачка газа по магистральным газопроводам, кг/(млн. м3-км)

Электроэнергия

46,9

42,5

90,6

Теплоэнергия, отпущенная промышленно-производственными и районными котельными, кВт-ч/ГДж

3,5

4,1

117,0

Добыча нефти (сырья) всеми способами, кВт-ч/т

35,8

49,5

138,3

Переработка нефти, кВт-ч/т

28,7

33,1

115,3

Добыча угля, кВт-ч/т

30,9

33,5

108,4

Переработка угля, кВт-ч/т

7,8

8,1

103,8

Переработка газа, кВт-ч/тыс. м3

52,3

73,6

140,7

Перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)

15,4

12,7

82,5

Перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)

Теплота

16,4

13,9

84,8

Добыча нефти (всеми способами), МДж/т

62,4

56,9

91,2

Добыча угля (всеми способами), МДж/т

113,9

107,2

94,1

Переработка нефти, МДж/т

772,9

779,2

100,8

Электроэнергия, вырабатываемая на тепловых электро-

328,6

326,3

99,3

станциях и отпускаемая в сеть, г/(кВт-ч) Теплота на электростанциях, кг/ГДж

41,6

41,4

99,6

Теплота на промышленно-производственных и районных котельных, кг/ГДж

41,4

41,4

99,2

Нефтепереработка (включая переработку газового конденсата), кг/т

Подготовка нефти на нефтепромыслах, кг/т

55,0

55,1

100,2

5,1

5,0

98,0

Перекачка газа по магистральным газопроводам, кг/(млн. м3-км)

Электроэнергия

46,9

42,5

90,6

Теплоэнергия, отпущенная промышленно-производственными и районными котельными, кВт-ч/ГДж

3,5

4,1

117,0

Добыча нефти (сырья) всеми способами, кВт-ч/т

35,8

49,5

138,3

Переработка нефти, кВт-ч/т

28,7

33,1

115,3

Добыча угля, кВт-ч/т

30,9

33,5

108,4

Переработка угля, кВт-ч/т

7,8

8,1

103,8

Переработка газа, кВт-ч/тыс. м3

52,3

73,6

140,7

Перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)

15,4

12,7

82,5

Перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)

Теплота

16,4

13,9

84,8

Добыча нефти (всеми способами), МДж/т

62,4

56,9

91,2

Добыча угля (всеми способами), МДж/т

113,9

107,2

94,1

Переработка нефти, МДж/т

772,9

779,2

100,8

Топливо в условном исчислении

Топливо в условном исчислении

хода топлива, электроэнергии и теплоты на переработку нефти рекомендуется отнести на углубление процесса с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов, так как при

этом повышается эффективность использования нефтяного сырья.

Увеличение удельных показателей по расходу электроэнергии на добычу нефти связано со снижением доли фонтанной добычи при одновременном увеличении доли насосной добычи нефти. Рост удельного расхода электроэнергии на добычу угля связан с увеличением его добычи открытым способом, при котором электрические землеройные механизмы выполняют большой объем вскрышных работ, а также с повышением уровня механизации работ при подземной добыче угля. Увеличение почти иа 2/5 удельного расхода электроэнергии на переработку природного газа вызвано среди ряда других причин и углублением его переработки, т. е. увеличением отбора из него жидких углеводородов, являющихся ценным химическим сырьем и моторным топливом.

Топливно-энергетический комплекс располагает большими возможностями в области энергосбережения, особенно за счет дальнейшего развития теплофикации, демонтажа и модернизации устаревшего оборудования и совершенствования привода компрессоров газопроводов. Только за счет этих направлений должно быть обеспечено около четверти всей намеченной на перспективу экономии энергоресурсов.

Топливно-энергетический комплекс и в первую очередь электроэнергетика должны обеспечить предусмотренное замещение практически всего объема дефицитных видов органического топлива, главным образом за счет развития ядерной энергетики, гидроэнергетики, нетрадиционных возобновляемых источников энергии, более широкого вовлечения в производственный процесс электроэнергии, вырабатываемой на твердом топливе открытой добычи.

Важнейшими направлениями энергосбережения в отраслях ТЭК в рассматриваемой перспективе будут:

увеличение использования прогрессивных промышленно освоенных и внедрение новых технологических процессов и оборудования;

расширение применения используемых, создание и внедрение новых типов маневренных конденсационных и теплофикационных электростанций, в первую очередь на твердом топливе, в том числе парогазовых энергоустановок с внутрицикловой газификацией угля; линий электропередачи высокого н сверхвысокого напряжения повышенной пропускной способности (с пониженными потерями электроэнергии) постоянного и переменного тока с усовершенствованной геометрией расположения проводов, оптимальными токовыми нагрузками и улучшенным электрооборудовани

ем подстанций; тепловых насосов для целей централизованного теплоснабжения, эффективных теплоизоляционных материалов для канальных и бесканальных теплопроводов; более мощных газоперекачивающих агрегатов с электрическим приводом и газовыми турбинами с повышенной степенью регенерации теплоты с использованием парогазового цикла; укрупненных технологических схем переработки газа, газового конденсата и нефти, использующих комбинированные процессы н эффективные схемы химических превращений. Эти мероприятия обеспечат к 2000 г. свыше трети общей экономии энергоресурсов в ТЭК;

совершенствование внутриотраслевой производственной структуры путем дальнейшей централизации электро-, тепло- и газоснабжения потребителей; увеличение использования комбинированных способов производства и преобразования энергетических ресурсов, особенно теплофикации; дальнейшее совершенствование топливо- и энергоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых потребителей; рост уровня электрификации процессов в отраслях ТЭК, особенно за счет внедрения электропривода компрессорных станций газопроводов. Эти мероприятия могут обеспечить к 2000 г. до четверти всей экономии энергоресурсов в отраслях комплекса;

увеличение использования вторичных энергетических ресурсов за счет утилизации теплоты уходящих газов газотурбинных установок нагнетателей магистральных газопроводов и сбрасываемой в конденсаторы турбины теплоты электростанций, работающих на ядерном и органическом топливе; создание систем с использованием теплоты ТЭЦ в летнее время при централизованной выработке холода в системах кондиционирования воздуха в зданиях; использование теплоты, выделяемой при работе силовых трансформаторов, вентиляционных выбросов из помещений предприятий, отходящих газов, мятого пара и горячей воды на нефтеперерабатывающих заводах; использование метано-воздушных смесей вентиляционных выбросов шахт. Эти мероприятия могут дать к 2000 г. около десятой части всей экономии энергетических ресурсов ТЭК;

осуществление организационно-технических мероприятий, в числе которых: обеспечение действенного учета и контроля за расходом энергоресурсов; демонтаж, реконструкция и модернизация физически и морально устаревшего оборудования, в особенности электростанций и котельных; Совершенствование уровня эксплуатации и коренное улучшение технологии и качества ремонтных работ; даль-

неишее развитие сети распределительных линий электропередачи напряжением 220— 330 кВ и ниже с осуществлением мер по снижению потерь и повышению качества электроэнергии, в частности путем установки компенсирующих устройств; реконструкция тепловых сетей с целью уменьшения теплопотерь за счет улучшения теплоизоляционного покрытия, оснащения их средствами автоматического регулирования и учета; совершенствование процессов сбора, хранения, транспортировки и переработки нефти, конденсата и природного газа с целью снижения их потерь за счет внедрения эффективных режимов работы предприятий, герметизации емкостей и трубопроводов, снижения затрат энергии на подготовку топлива к транспортировке. Эти мероприятия обеспечат в течение всего периода от четверти до трети общей экономии энергоресурсов отраслями ТЭК.

Наряду с экономией энергоресурсов вторым важным аспектом энергосберегающей политики в комплексе служит замещение принципиально ограниченных и быстро дорожающих ресурсов органического (прежде всего углеводородного) топлива крупномасштабными и экономически стабильными, а также возобновляемыми энергоресурсами. По своим масштабам замещение органического топлива в период до 2000 г. значительно превысит экономию энергоресурсов отраслями ТЭК и будет вестись с направлениях: использования атомной энергии для производства электрической энергии и теплоты (в том числе в удаленных и труднодоступных районах страны); дальнейшего освоения гидроэнергетических ресурсов; более широкого использования нетрадиционных источников энергии — солнечной, геотермальной, ветровой, биомассы — главным образом для целей локального тепло- и электроснабжения.

Особое место в замещении дефицитных видов органического топлива будет иметь ядерная энергия. Для решения этой крупной народнохозяйственной проблемы в рассматриваемой перспективе необходимо: существенно повысить уровень безопасности атомных станций; обеспечить практическое внедрение новых эффективных методов дальней транспортировки больших количеств теплоты, в том числе, вероятно, в химически связанном виде; осуществить мероприятия по созданию и внедрению высокотемпературных реакторов, предназначенных для энергоснабжения крупных энергоемких промышленных предприятий; провести работы по совершенствованию реакторов на быстрых нейтронах.

Условно к энергосбережению можно отнести совершенствование применяемых, а так

же создание и внедрение новых технологий добычи нефти, конденсата, газа (включая шельф и подледную добычу) и угля с целью повышения уровня их извлечения из недр за счет воздействия на нефтяные и газовые пласты, применения интенсивных методов отбора, внедрения новых, более совершенных угледобывающих комплексов и механизмов; обогащение угля и извлечение его из углесодержащих пород, более полное извлечение жидких углеводородов и других полезных компонентов из природного газа.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Среди отраслей ТЭК электроэнергетика является наиболее энергоемкой. Ею расходуется около 40 % всего потребляемого в стране котельно-печного топлива. Основная продукция отрасли — электрическая энергия — является наиболее ценным, экологически чистым и эффективным энергоносителем. При производстве этого энергоносителя на конденсационных тепловых электростанциях, дающих значительную часть всей электроэнергии, требующейся стране, теряется до 2/3 используемого па эти цели органического топлива. Поэтому экономия на предприятии 1 кВт-ч электроэнергии обеспечивает экономию почти 360 г условного топлива на конденсационной тепловой электростанции. При потреблении в промышленности страны в общей сложности около ЮООТВт-ч электроэнергии (уровень 1988 г.) экономия электроэнергии в промышленности в размере 1 % будет соответствовать высвобождению из топливного баланса электростанций свыше 3 млн. т органического топлива в условном исчислении для других нужд народного хозяйства.

Выполненные на ряде промышленных предприятий анализы энергетических балансов выявили значительно большие возможности экономии. При этом значительная часть указанной экономии электроэнергии может быть достигнута без крупных капитальных затрат, за счет организационных мер, усиления режима контроля за использованием энергии.

Большое практическое значение имеют вопросы экономии электроэнергии в самой электроэнергетике, потребляющей на собственные нужды 5—7 % всей электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС и АЭС, и расходующей на ее транспортировку более 9 %.

Повышение эффективности использования органического топлива в производстве электроэнергии достигается, в частности, при повышении доли ТЭС, работающих на высоких и сверхкритических параметрах пара. За период с 1971 по 1986 г. удельный вес ТЭС,

Показатель1970 г.1980 г,1985 г.1986 г.Тепловые электростанции с давлением пара 12,7 МПа и выше:общая мощность, ГВт50,1139162167удельный вес в общей мощности ТЭС, %37798283в том числе со сверхкритическими параметрами пара:общая мощность, ГВт22,058,87073удельный вес в общей мощности ТЭС тепловых19333536электростанций, %Показатель1970 г.1980 г,1985 г.1986 г.Тепловые электростанции с давлением пара 12,7 МПа и выше:общая мощность, ГВт50,1139162167удельный вес в общей мощности ТЭС, %37798283в том числе со сверхкритическими параметрами пара:общая мощность, ГВт22,058,87073удельный вес в общей мощности ТЭС тепловых19333536электростанций, %Таблица 1.7. Тепловые электростанции с высокими и сверхкритическими параметрами параТаблица 1.7. Тепловые электростанции с высокими и сверхкритическими параметрами параоснащенных крупными блоками с давлением пара 12,7 МПа, в общей установленной мощности ТЭС возрос в 2,2 раза, а электростанций, работающих на сверхкритических параметрах пара,— в 1,9 раза (табл. 1.7).

Показатель

1970 г.

1980 г,

1985 г.

1986 г.

Тепловые электростанции с давлением пара 12,7 МПа и выше:

общая мощность, ГВт

50,1

139

162

167

удельный вес в общей мощности ТЭС, %

37

79

82

83

в том числе со сверхкритическими параметрами пара:

общая мощность, ГВт

22,0

58,8

70

73

удельный вес в общей мощности ТЭС тепловых

19

33

35

36

электростанций, %

Показатель

1970 г.

1980 г,

1985 г.

1986 г.

Тепловые электростанции с давлением пара 12,7 МПа и выше:

общая мощность, ГВт

50,1

139

162

167

удельный вес в общей мощности ТЭС, %

37

79

82

83

в том числе со сверхкритическими параметрами пара:

общая мощность, ГВт

22,0

58,8

70

73

удельный вес в общей мощности ТЭС тепловых

19

33

35

36

электростанций, %

Таблица 1.7. Тепловые электростанции с высокими и сверхкритическими параметрами пара

Таблица 1.7. Тепловые электростанции с высокими и сверхкритическими параметрами пара

Другими направлениями энергосбережения в электроэнергетике являются: замена демонтируемого отслужившего свой ресурс паротурбинного оборудования ТЭС и котельных новым, более прогрессивным; дальнейшее повышение уровня автоматизации технологических процессов; расширение использования теплофикационного энергетического оборудования; модернизация и техническое перевооружение энергоблоков действующих ТЭС; обеспечение широкого строительства парогазовых установок, в том числе с внутрицикло- вой газификацией твердого топлива; снижение потерь электроэнергии при ее передаче и распределении за счет оптимизации работы электрических сетей, повышения степени компенсации реактивной мощности и расширения использования линий электропередачи и распределительных сетей с повышенным уровнем напряжения; создание и внедрение технологии и оборудования, обеспечивающих снижение расхода мазута на подсветку факела в пылсу- гольных котлах большой единичной мощности.

Экономия энергоресурсов в электроэнергетике может быть обеспечена также путем дальнейшего повышения уровня эксплуатации действующего оборудования электростанций, совершенствования структуры их генерирующих мощностей.

Крупномасштабное энергосбережение достигается в ходе дальнейшей централизации теплоснабжения. В настоящее время свыше 2/5 общего теплоснабжения обеспечивается на базе теплофикации, основанной на комбинированном производстве электроэнергии и теплоты на мощных высокоэффективных теплоэлектроцентралях. По состоянию на начало 1989 г. общая установленная электрическая мощность теплофикационных агрегатов, действующих на электростанциях Минэнерго

СССР, составила 83,0 ГВт и была на 31 % больше, чем в 1980 г. Производство электроэнергии теплофикационными агрегатами " 1988 г. составило около 444 ТВт-ч и былг почти на 124 ТВт-ч больше, чем в 1980 г. Болес 62 % всей этой электроэнергии было произведено на тепловом потреблении, т. с. наиболее эффективным с точки зрения расходования топлива методом. Отпуск теплоты ТЭЦ в 1988 г. составил 5500 млн. ГДж и превысил уровень 1980 г. на 25%.

Удельный расход условного топлива на каждый отпущенный ТЭЦ киловатт-час электроэнергии составляет примерно 267 г, или почти на 100 г меньше, чем в среднем по КЭС. Если бы указанные выше 413 ТВт-ч электроэнергии были выработаны не на ТЭЦ, а па КЭС, то понадобилось бы израсходовать дополнительно свыше 40 млн. т условно го топлива.

Экономия топлива достигается также за счет того, что значительное количество теплоты для нужд централизованного теплоснабжения получают путем отбора пара от конденсационных турбин, обеспечивая, как и на ТЭЦ, высокоэффективное комбинированное производство электроэнергии и теплоты. В настоящее время около четверти всей электроэнергии, отпускаемой в сеть, производится по теплофикационному циклу. Необходимо добиваться более полной загрузки действующего оборудования ТЭЦ и КЭС для работы по теплофикационному циклу, что пока еще обеспечивается не в полной мере.

В XI пятилетке коэффициент использования установленной тепловой мощности действующих ТЭЦ был лишь на уровне 50 %. В результате был допущен годовой перерасход условного топлива более чем в 6 млн. т. Причинами этого являлись отставание развития потребителей теплоты, завышение тепловых нагрузок при проектировании, задержка с вводом в эксплуатацию тепловых сетей, относительно низкий технологический уровень эксплуатации, ведомственная раз''^-' -•

В настоящее время более 30 % всей электроэнергии в стране (около 725 ТВт-ч в 1988 г.) вырабатывается на ТЭС, работающих на природном газе. Повышение эффективности работы таких электростанций особенно важно и может быть достигнуто путем модернизации и оптимизации режимов работы их энергетического оборудования. В перспективе на таких электростанциях планируется широкое внедрение парогазовых установок. Первые такие установки уже действуют в нашей стране (см. разд. 4 книги 3). Строятся они и за рубежом. В дальнейшем в СССР предусмотрено сооружение серии парогазовых установок различной мощности, в первую очередь в районах, прилегающих к разрабатываемым газовым месторождениям.

Рассматривается также вопрос об установке на действующих и сооружаемых котельных, работающих на природном газе, пред- включенных газовых турбин, что существенно повысит эффективность использования природного газа. В первую очередь требуется установка предвключенных газовых турбин на промышленных котельных, так как число часов использования их мощности, как правило, существенно больше по сравнению с отопительными городскими котельными.

Для повышения эффективности работы энергетических установок при производстве теплоты для централизованного теплоснабжения необходимо совершенствование вспомогательного оборудования тепловых электростанций (ТЭС), использование ТЭЦ в качестве маневренных электростанций, применение конденсационных тепловых электростанций (КЭС) для целей теплоснабжения. Подсчитано, например, что только создание и внедрение более совершенного вспомогательного оборудования на ТЭС повысит экономичность их работы на 2—3 %.

Использование ТЭЦ в маневренном режиме в условиях быстрых темпов развития базовых электростанций различного типа может обеспечить определенную экономию топлива в результате Достигаемого за этот счет совершенствования структуры генерирующих мощностей в объединенных энергосистемах.

При расположении мощных КЭС на расстоянии до 50 км от крупных населенных пунктов или промышленных узлов незначительная реконструкция турбоагрегатов и тепловой схемы таких станций позволяет без крупных капитальных вложений использовать их для централизованного теплоснабжения и за счет этого на 20—25 % снизить удельный расход топлива на выработку электроэнергии без существенной потери мощности и маневренности. При этом улучшается состояние воздуш

ного бассейна теплофицируемых городов, сокращается отчуждение площадок в зоне городов для котельных, более быстрыми темпами может развиваться теплофикация. Предусмотрено в перспективе использовать для нужд теплофикации КЭС с энергоблоками единичной мощностью 160, 200 и 300 МВт.

Реконструкция устаревших ТЭС с заменой демонтируемого оборудования новым только в период 1981 — 1985 гг. обеспечила достижение годовой экономии топлива в размере 3,1 млн. т в условном исчислении.

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Наибольшая часть энергосберегающего потенциала газовой промышленности сосредоточена на газоперекачивающих станциях, расходующих до десятой части всего добываемого природного газа. В результате относительно низкого КПД газоперекачивающих агрегатов, работающих с газотурбинным приводом, низкого уровня использования на них вторичных энергоресурсов более 2/3 природного газа, потребляемого на его транспортировку, безвозвратно теряется. Значительные потери природного газа имеют место и на стадии его конечного потребления из-за несовершенства газогорелочных устройств и отсутствия контрольно-измерительных приборов.

Во многих случаях, расходование природного газа осуществляется весьма нерационально как в самой газовой промышленности, так и в других отраслях промышленности. Например, на ряде газоперекачивающих станций, расположенных в районах, прилегающих к электрическим сетям, питаемым крупными электростанциями, работающими на дешевых низкосортных углях открытой добычи и ядер- ном топливе, более эффективным с народнохозяйственной точки зрения было бы использование электроприводных газоперекачивающих агрегатов.

Важнейшими направлениями повышения эффективности использования газа в народном хозяйстве и его экономии являются: внедрение оборудования, обеспечивающего утилизацию сбросной теплоты уходящих газов газотурбо- перекачивающих агрегатов для целей теплоснабжения; создание и освоение автоматизированных блочно-комплектных газотурбинных газоперекачивающих агрегатов нового поколения с повышенным КПД и блочно-комплектных газоперекачивающих агрегатов с электроприводом для центробежных нагнетателей; разработка и внедрение регенераторов новой конструкции газотурбокомпрессорных агрегатов типа ГТК-10, теплоутилизационных парогазовых установок для компрессор-

ных станций газопроводов на базе газоперекачивающих агрегатов единичной мощностью от 10 до 25 МВт, газоперекачивающих агрегатов с приводом от отработавших свой ресурс в авиации авиационных двигателей типа ГПА-Ц-10 единичной мощностью 10 МВт.

УГОЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Основные потери топлива и энергии в этой отрасли связаны с недостаточной степенью извлечения угля из пластов, его выдуванием при транспортировке в открытых железнодорожных вагонах, слабой степенью утилизации метана при шахтной добыче топлива, отходами угля вместе с породой при его обогащении. Для снижения или полной ликвидации этих потерь необходимо разработать и внедрить усовершенствованные методы предотвращения выдувания угля из железнодорожных вагонов, в том числе различные пленочные покрытия, технические средства для утилизации в энергетических целях метано-воздушиых смесей, обогатительные установки для извлечения угля из углесодержащих пород вскрыши, технологические процессы получения транспортабельного твердого топлива из канско-ачинского угля.

НЕФТЕДОБЫВАЮЩАЯИ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Потери энергоресурсов в этих отраслях связаны в первую очередь с недостаточно высоким коэффициентом извлечения нефти из пластов, низким уровнем использования действующего фонда скважин, малой энергетической эффективностью технологических процессов нефтепереработки, недостаточным уровнем использования вторичных энергетических ресурсов нефтеперерабатывающих заводов, нефтеперекачивающих станций.

Для повышения энергетической эффективности добычи нефти необходимо разработать и освоить: новые, более прогрессивные методы и технические средства воздействия на нефтяные пласты различными химическими реагентами, а также паром высокого давления, горячей водой, сжатым газом, внутрипла- стовым очагом горения; нефтедобывающее оборудование с погружными диафрагмовыми электронасосами, гидропоршневыми насосами, а также длинноходовыми глубинно-насосными установками; прогрессивные методы и технические средства интенсификации использования действующего фонда нефтяных скважин и использования автоматизирован

ных газлифтных скважин; оборудование и технологии для разработки морских месторождений при большой глубине воды.

В области нефтепереработки основным направлением энергосбережения в перспективе является внедрение более прогрессивных технологических процессов глубокой переработки нефти и высокосернистых мазутов с каталитическим крекингом вакуумных газойлей и нового теплообменного оборудования, обеспечивающего полную утилизацию вторичных тепловых ресурсов.

Внедрение и широкое распространение перечисленных и иных энергосберегающих мероприятий в отраслях топливно-энергетического комплекса по предварительным расчетам может обеспечить к 2000 г. экономию свыше 100 млн. т условного топлива, замещение примерно втрое большего количества дефицитных видов органического топлива.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Промышленность наряду с топливноэнергетическим комплексом является крупнейшим потребителем энергоресурсов — на ее долю приходится свыше 50 % всего энергопотребления в стране. В течение последних лет многие отрасли промышленности добились определенных успехов в снижении удельных затрат топлива, электроэнергии и теплоты на производство продукции (табл. 1.8). Вместе с тем средний коэффициент полезного использования энергоресурсов в промышленности составляет около 30 %, а по отдельным отраслям он в несколько раз меньше.

Наиболее энергоемкой отраслью промышленности является черная металлургия. Общий расход энергоресурсов этой отраслью иа производство основных видов продукции в пересчете на условное топливо в 1985 г. составил свыше 180 млн. т (в целом годовое энергопотребление черной металлургии превышает 220 млн. т) и был всего на 1,1 % больше по сравнению с 1980 г. Производство проката черных металлов за этн же годы возросло с 118,3 до 133,5 млн. т, или на 12,8 %, готового проката — на 5,4 млн. т (на 5,2 %), выплавка чугуна увеличилась на 3 млн. т, стали — на 7 млн. т. Опережение темпов роста производства продукции по отношению к темпам увеличения общего энергопотребления отраслью было обеспечено в значительной мере в результате снижения норм расхода энерго-

Таблица 1.8. Удельные расходы топлива, электрической энергии и теплоты на производство продукции работ в промышленности в 1980 г. (Л) и в 1985 г. (В)

Продукция

1980 г.

1985 г.

А/В, %

Топливо в условном йен Агломерат, кг/т

ислении

67,4

66,7

99,0

Чугун, кг/т

645,0

631,5

97,9

Сталь мартеновская, кг/т

141,7

138,0

97,4

Сталь кислородно-конвертерная, кг/т

12,7

8,4

66,1

Электросталь, кг/т

31,4

29,5

93,9

Литье стальное, кг/т

144,0

108,9

75,6

Литье чугунное, кг/т

239,1

229,8

96,1

Трубы стальные, кг/т

106,7

99,1

92,9

Трубы чугунные, кг/т

187,1

181,4

97,0

Прокат черных металлов, кг/т

133,4

125,5

94,1

Обогрев коксовых батарей (для сухой шихты), кг/т

97,0

95,8

98,8

Каучуки синтетические и латексы, кг/т

1391,5

1319,1

94,8

Калийные удобрения, кг/т•

30,1

28,4

94,3

Кислота серная, кг/т

7,7

6,2

80,5

Сода кальцинированная 100 %-ная, кг/т

129,7

130,4

100,5

Фосфатные удобрения, кг/т

252,1

227,2

90,1

Цемент, кг/т

177,3

176,2

99,4

Кирпич красный, кг/тыс. шт.

245,9

245,4

99,8

Стеклоизделия, кг/т

821,9

805,1

98,0

Хлеб н хлебобулочные изделия, кг/т

123,0

119,6

97,2

Электроэнергия

Агломерат, кВт-ч/т

35,8

37,7

105,3

Руда железная товарная, кВт-ч/т

69,8

82,5

118,2

Кислород, кВт-ч/тыс. м3

467,7

523

111,8

Сжатый воздух, кВт-ч/тыс. м3 (приведенных)

98,6

101,2

102,6

Чугун, кВт-ч/т

13,1

12,9

98,5

Сталь кислородно-конвертерная, кВт-ч/т

29,0

32,3

111,4

Сталь мартеновская и бессемеровская, кВт-ч/т

13,8

14,4

104,3

Электросталь, кВт-ч/т

692,0

723,0

104,5

Прокат черных металлов, кВт-ч/т

112,5

' 115,5

102,7

Трубы стальные, кВт-ч/т

137,3

143,3

104,4

Аммиак синтетический, кВт-ч/т

1004,7

720,5

71,7

Фосфор желтый, кВт-ч/т

16709,9

16333,1

97,7

Смолы синтетические и пластмассы, кВт-ч/т Каучуки синтетические и латексы, кВт-ч/т

1427,8

1386,7

97,1

2930

2905,3

99,2

Калийные удобрения, кВт-ч/т

257,9

249,8

96,6

Кислота серная, кВт-ч/т

130,8

131,7

100,7

Синтетические смолы и пластмассы, кВт.ч/т

1427,8

1386,7

97,1

Фосфор желтый, кВт-ч/т

16709,9

16333,1

97,7

Химические волокна, кВт-ч/т

4382,3

4263,4

97,3

Карбид кальция, кВт-ч/т

3110

3161

101,6

Сода каустическая электролитическая 100 %, кВт-ч/т

3339

3323

99,5

Аммиак синтетический, кВт-ч/т

895

627

70,1

Целлюлоза, кВт-ч/т

648

674

104,0

Бумага, кВт-ч/т

843

856

101,5

Железобетонные конструкции, кВт-ч/м3

753,0

767,9

102,0

Цемент, кВт-ч/т

109,4

111,5

101,9

Кирпич красный, кВт-ч/тыс. шт.

79,4

70,0

88,2

Стекло листовое (готовой продукции), кВт-ч/т

120,7

127,7

105,8

Ткани хлопчатобумажные и штапельные, кВт-ч/тыс. м2

1158,3

1237,1

106,8

Теплота

Коксохимическое производство (для кокса с влаж-

934

942

100,9

ностью 6 %), МДж/т Чугун, МДж/т

250

237

94,8

Кислород, МДж/м3

2020

1778

88,0

Прокат черных металлов, МДж/т

289

287

99,3

Продолжение табл. L8

Продукция

1980 г.

1985 г.

А/В, %

Теплота

Сталь мартеновская, МДж/т

129

128

99,3

Трубы стальные, МДж/т

525,4

547,6

104,2'

Каучуки синтетические, МДж/т

122 347

118 712

97,0

Волокна и нити химические, МДж/т

67 550

62 568

92,6

Аммиак синтетический, МДж/т

5564

4154

74,6

Смолы синтетические и пластмассы, МДж/т

23 237

21 637

93,1

Целлюлоза, МДж/т

17 995

18 568

103,2

Бумага, МДж/т

11 342

11 844

104,4

Конструкции и детали сборные железобетонные,

1964

1892

96,4

МДж/м3

Хлопчатобумажные и штапельные ткани, МДж/тыс.м'2

10 438

10 467

100,3

Сахар (переработка сахарной свеклы), МДж/т

1340

1306

97,5

ресурсов. Снижение в 1985 г. против 1980 г. только на 2,1 % удельного расхода органического топлива на выплавку тонны чугуна дало экономию около 1,8 млн. т условного топлива.

Из приведенных в табл. 1.8 64 показателей по удельному расходу энергоресурсов на выпуск промышленной продукции 41 показатель (или свыше 2/3) в 1985 г. был меньше, чем в 1980 г. Вместе с тем почти 1/3 показателей говорят о росте или стабилизации норм расхода энергоресурсов, что является в значительной мере следствием недостаточно активной работы соответствующих отраслей по повышению энергетической эффективности производства. Увеличение удельного расхода энергоресурсов в ряде случаев вызвано объективными причинами. Например, увеличение расхода электроэнергии на добычу железной руды обусловлено ухудшением горногеологических условий разрабатываемых месторождений. В то же время в черной металлургии, например, заметное снижение удельного расхода топлива сопровождалось по ряду видов продукции некоторым увеличением удельного расхода электроэнергии.

Основными направлениями совершенствования технологических процессов в целях повышения эффективности использования энергетических ресурсов в промышленности являются:

повышение уровня утилизации вторичных энергетических ресурсов;

осуществление комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на коренное улучшение системы учета и контроля за расходом энергоресурсов на всех уровнях производства — от отдельного рабочего места до предприятия или производственного объединения;

расширение использования применяющихся, создание и внедрение новых энергосбе

регающих технологий, оборудования, менее энергоемких конструкционных и строительных материалов;

совершенствование действующих технологических процессов, модернизация и реконструкция основных фондов при непременном улучшении их энерготехнологических характеристик.

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙКОМПЛЕКС

Ежегодные потребности в энергоресурсах машиностроительного комплекса в настоящее время составляют примерно 50—60 млн. т условного топлива; примерно пятая часть этого количества приходится на органическое топли во, по две пятых — на теплоту и электроэнер гию. Примерно треть всего используемого в машиностроении котельно-печного топлива идет на нужды литейного, кузнечно-прессового и термического производств. Па технологические нужды используется около половины всей потребляемой теплоты и немногим менее трети всей электроэнергии. Свыше трети всей электроэнергии идет на механическую обработку. Основными потребителями энергоресурсов в машиностроении являются мартеновские печи, вагранки, плавильные печи, тяге дутьевые машины, нагревательные печи, су шилкн, прокатные станы, гальваническое оборудование, сварочные агрегаты, прессовое хозяйство.

Причинами малой эффективности использования топлива и энергии в отраслях машиностроения являются низкий технический уровень печного хозяйства, высокая металлоемкость изделий и большие отходы металла при его обработке, незначительный уровень реку перации сбросной теплоты, нерациональная структура используемых энергоносителей, значительные потери в тепловых и электрических сетях.

Более половины резервов экономии энергоресурсов может быть реализовано в процессе плавки металлов и литейного производства. Остальная экономия связана с совершенствованием процессов металлообработки, в том числе за счет повышения уровня ее автоматизации, расширения использования менее энергоемких по сравнению с металлом пластмасс и других неметаллических конструкционных материалов.

Другими направлениями энергосбережения в машиностроении являются: более широкое использование электропечей н дуплекс- процесса с использованием вагранок закрытого типа с подогревом дутья; применение металлизованных окатышей; использование внепечного подогрева шихты; применение жидких самотвердеющих смесей; широкое внедрение в процессах нагрева и термообработки автоматизированных печей, оснащенных рекуператорами, совершенными газогорелочными устройствами и футерованными высокоэффективными теплоизоляционными материалами; внедрение высокочастотных установок поверхностной закалки деталей и лазерной техники; замена механической обработки деталей штамповкой и точным литьем в процессах металлообработки; расширение использования методов порошковой металлургии; применение горячей накаткн деталей вместо изготовления на зубофрезерных станках; замена процессов горячей штамповки выдавливанием и холодной штамповкой; внедрение автоматических линий для холодной штамповки деталей из широкорулонной стали и стандартной ленты; применение профнлеги- бочных станков, технологии обработки металла твердосплавными неперетачиваемыми пластинами и алмазным инструментом; применение станков с числовым программным управлением, поточных линий для механической обработки деталей; развитие робототехники и гибких производственных структур; повышение надежности оборудования.

Для увеличения энергетической эффективности машиностроительного производства необходимо также: повысить уровень использования вторичных энергетических ресурсов, включая утилизацию теплоты вентиляционных выбросов; осуществить комплекс мероприятий по совершенствованию энергохозяйства предприятий, в том числе модернизацию заводских ТЭЦ и котельных, компрессорных и кислородных станций, систем электроснабжения и водоснабжения; широко использовать вагранки закрытого типа с подогревом дутья, внепечного подогрева . шихты, автоматизированных плазменно-индукционных печей, комбинированных электродуговых сталеплавильных пе

чей совместно с агрегатами внепечной обработки жидкой стали, жидких самотвердеющих смесей с применением сухих обогащенных формовочных песков.

Машиностроение призвано играть основную роль в решении перспективных задач в области рационального использования и экономного расходования энергоресурсов во всех без исключения сферах экономики путем создания, производства и поставки им прогрессивных энергосберегающих технических средств, в первую очередь энергетического и электротехнического оборудования различного назначения.

' ■ 1.4.3. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Доля затрат на топливо и энергию в общих затратах на производство продукции в этой отрасли составляет около 1 /3. По этому показателю отрасль черной металлургии занимает одно из первых мест. Наиболее крупными потребителями топлива в отрасли являются доменное и прокатное производства, самыми энергоемкими — ферросплавное, горнорудное, прокатное, электросталеплавильное и кислородное производства, самым теплоемким — коксохимическое производство.

Основными направлениями энергосбережения в черной металлургии являются: внедрение прогрессивных технологий в агломерационном производстве и производстве окатышей с рекуперацией теплоты; применение в коксохимическом производстве термической подготовки шихты; увеличение содержания железа в железорудной части шихты; повышение доли окускованности материалов в шихте; увеличение средней температуры и применение комбинированного дутья; вдувание в доменные печи пылеугольного топлива; рециркуляция доменного газа с очисткой его от окислителей; внедрение усовершенствованных компрессорных агрегатов.

В перспективе в черной металлургии предстоит также осуществить комплекс мероприятий по: замене эксплуатируемых и вводу в действие новых теплоутилизационных установок; расширению использования технологии сухого тушения кокса; совершенствованию доменного производства, в том числе за счет повышения давления в рабочем пространстве печей, укрупнения доменных печей, повышения температуры дутья и применения комбинированного дутья с вдуванием газообразных, жидких и твердых восстановителей с подачей кислорода; значительному увеличению доли непрерывной разливки стали в общем объеме ее производства; замене марте-

невского производства кислородно-конвертерным и электросталеплавильным; разработке и освоению технологии термического упрочнения сортового и листового проката в процессе прокатки; совершенствованию технологии прокатного производства с целью сокращения числа циклов нагрева металла; вдуванию в домны горячих восстановительных газов, полученных методом конверсии природного газа с очисткой его от окислителей; совершенствованию технологических процессов производства агломерата и окатышей; расширению использования газовых утилизационных бес- компрессорных турбин; полному использованию в качестве топлива конвертерного газа; реконструкции ферросплавного производства с заменой открытых печей закрытыми с целью утилизации ферросплавного газа в качестве топлива; повышению энергетической эффективности электросталеплавильного производства за счет повышения качества шихты, автоматизации управления технологическими процессами с использованием микропроцессоров, совершенствования электрооборудования.

ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

В цветной металлургии наиболее энергоемкими являются алюминиевое, медное, никелевое, свинцово-цинковое и титано-магние- вое производства. Например, для получения 1 т алюминия (включая производство глинозема) необходимо израсходовать примерно 9 т условного топлива, никеля — 13,4 т, цинка — 2 т, меди — 1,4 т, свинца — 0,9 т.

В последние годы во всем мире интенсивно разрабатываются новые технологии получения цветных металлов из бедных руд. Расширение использования бедных руд с использованием ныне применяемых технологий повлечет за собой увеличение удельных затрат энергоресурсов. В этой связи научно-технический прогресс в цветной металлургии должен быть направлен также на сдерживание нежелательного роста энергоемкости этой продукции.

Важнейшими направлениями энергосбережения в цветной металлургии являются: широкое внедрение автогенных процессов в производстве меди, никеля и других цветных металлов при переработке сульфидных руд, в том числе плавки в жидкой ванне, взвешенной плавки, кислородно-факельной плавки, кислородно-взвешенной циклонно-электротермической плавки; преимущественное развитие комплексных безотходных технологических процессов, позволяющих максимально использовать сырьевые ресурсы за счет одновременного производства различных продуктов, в том

числе комплексной переработки алюминийсодержащего сырья (нефелинов); широкое внедрение агрегатов с высокой эффективностью использования энергоресурсов (печей кипящего слоя, новых типов электроплавильных печей, усовершенствованных схем производства глинозема); укрупнение единичных мощностей энергоемких технологических агрегатов; повышение доли электролизеров с обожженными анодами, оптимизация их технологических параметров и применение литиевых добавок в производстве алюминия; добыча руды с применением энергосберегающей цикличнопоточной технологии; расширение применения предварительного обогащения полиметаллических руд в тяжелых средах; внедрение радиометрической сортировки руд, обеспечивающей сокращение объемов переработки пустой породы; использование микробиологических методов извлечения меди и цинка; разработка вопросов создания единых производственных комплексов по выпуску алюминия и глинозема с использованием ядерной энергии.

В цветной металлургии следует продолжить работу по снижению норм расхода энергоресурсов за счет улучшения использования и совершенствования структуры производственного оборудования, повышения качества сырья, более полного использования вторичных цветных металлов, осуществления других организационно-технических мероприятий.

Как и в черной металлургии, значительная экономия топлива н энергии в цветной металлургии может быть достигнута в результате более полной утилизации вторичных энергоресурсов.

ХИМИЯ И НЕФТЕХИМИЯ

Этим отраслям промышленности свойственно большое разнообразие технологических процессов, при которых потребляется или выделяется большое количество теплоты. Уголь, нефть и газ используются в этих отраслях как в качестве топлива, так и в качестве сырья.

Основными направлениями энергосбережения в химической промышленности являются: совершенствование существующих технологических процессов и оборудования в производствах кальцинированной и каустической соды; внедрение крупных агрегатов по производству метанола; использование газофазного метода полимеризации этилена в производстве полиэтилена; совершенствование и укрупнение единичной мощности агрегатов в производстве химического волокна; развитие мембранной технологии разделения жидких и газообразных сред; разработка и внедрение

производства хлора и каустической соды в мембранных электролизерах; увеличение доли диафрагменного метода в производстве каустической соды; применение высокоактивных катализаторов; производство ацетальдегида прямым окислением этилена кислородом.

В отрасли следует: повысить уровень использования вторичных энергоресурсов, в том числе за счет внедрения установок мгновенного вскипания для утилизации низкопотенциальной теплоты сбросных и циркуляционных жидкостей в производстве кальцинированной соды; расширить применение аппаратов с погружной горелкой для сжигания водорода, образующегося в процессе производства хлора и каустической соды; разработать и внедрить технологический процесс получения полиэтилена низкой плотности на базе использования новых, высокоактивных катализаторов.

В нефтехимической промышленности основную часть энергосбережения предусмотрено достигнуть путем: ввода в действие высокопроизводительных установок по производству этилена; увеличения выпуска дивинила и изопрена на основе новых технологических процессов; расширения применения высокоэффективных катализаторов; внедрения прогрессивных технологий получения синтетического каучука; внедрения энерготехнологических комплексов производства углерода.

Крупным резервом экономии энергоресурсов в нефтехимической промышленности является более полная утилизация вторичных энергетических ресурсов, в том числе за счет внедрения: котлов-утилизаторов на высокие параметры пара, например в процессах переработки нефти, в производстве этилена; установок использования низкопотенциальной теплоты для получения технологического холода; устройств для сжигания многофазных смесей термической переработки органических топлив.

ПРОИЗВОДСТВО МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ .

Среди промышленных производств выпуск минеральных удобрений является одним из наиболее энергоемких. Энергетические затраты в себестоимости отдельных видов продукции этой отрасли составляют примерно третью часть. В течение ряда последних лет темпы прироста производства минеральных удобрений в 1,5—2 раза опережали темпы увеличения энергопотребления.

Дальнейшее повышение энергетической эффективности производства минеральных удобрений связано с необходимостью реализа

ции следующих важнейших энергосберегающих направлений: расширения масштабов внедрения уже освоенных в промышленных условиях крупнотоннажных агрегатов по выпуску аммиака, слабой азотной кислоты; совершенствования существующих и разработки новых технологических схем производства, в том числе установок для получения слабой азотной кислоты плазмохимическим способом; разработки и внедрения крупных агрегатов по производству карбамида, усовершенствованных производств аммиачной селитры, серной кислоты, желтого фосфора; разработки принципиально новых видов оборудования для производства минеральных удобрений, основанных на применении современных физических, физико-химических и физико-механических воздействий (акустических, вибрационных, электромагнитных и др.) на технологические процессы, в том числе тепломассообменных аппаратов, фильтров, перемешивающих устройств, грануляторов и др.; разработки и использования более эффективных катализаторов.

В производстве минеральных удобрений в целях энергосбережения необходимо также обеспечить ввод в действие нового оборудования для утилизации вторичных энергоресурсов, в том числе за счет использования отходящих газов фосфорных производств в качестве топлива в технологических процессах и теплоты технологических газов в производстве аммиака, метанола, агрессивных потоков продуктов для получения горячей воды.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

На нужды этой отрасли идет до одной десятой всего расходуемого в промышленности топлива, примерно 5 % электроэнергии и большое количество теплоты. Производство высококачественных строительных материалов основано на огневых процессах, связанных с расходом значительных количеств мазута, природного газа и кокса, т. е. наиболее ценных топлив. При этом коэффициент полезного использования этих топлив в отрасли не превышает 40 %.

Основными направлениями энергосбережения в этой отрасли являются: уменьшение влажности шлама за счет использования разжижителей; совершенствование теплообменных устройств и повышение жаростойкости конструкций вращающихся печей; внедрение энергосберегающих технологий в производство стекла и извести, экономичных методов тепловой обработки железобетона и силикат-

ного кирпича, керамических стеновых и отделочных материалов; увеличение выпуска пустотелого кирпича; широкое использование отходов других отраслей промышленности: золы и шлака тепловых электростанций, металлургических и термофосфорных шлаков, отходов горнодобывающих предприятий и углеобогатительных фабрик.

Цементная промышленность. Наиболее крупным потребителем энергоресурсов внутри отрасли строительных материалов является производство цемента — свыше 22 млн. т условного топлива в год. Производство цемента в 1988 I'. составило 139 млн. т. До 43 % общей себестоимости производства цемента составляют затраты на энергию. Наиболее энергоемким процессом в производстве цемента является отжиг клинкера — на него расходуется до 95 % всего топлива.

При так называемом мокром способе производства удельный расход энергоресурсов на отжиг клинкера примерно в 1,5 раза выше, чем при сухом способе. В настоящее время лишь примерно седьмая часть всего цемента в стране производится энергетически эффективным сухим способом. Поэтому наиболее важным направлением энергосбережения в цементной промышленности является перевод цементных заводов с мокрого способа производства на сухой.

Другими направлениями энергосбережения в цементной промышленности являются: снижение средней влажности шлама, в том числе с использованием пресс-фильтров для предварительного его обезвоживания; разработка и внедрение низкотемпературной сухой технологии производства цемента; установка эффективных теплообменных устройств во вращающихся печах по производству цемента мокрым способом.

За счет утилизации вторичной теплоты могут быть удовлетворены с избытком все потребности цементной промышленности для собственных нужд в горячей воде, отоплении и вентиляции.

Одно из направлений энергосбережения в цементной промышленности состоит в переходе на электротехнологию, которая позволит высвободить большое количество дефицитных видов органического топлива, существенно снизить потери теплоты с отходящими газами, которых при электротехнологии образуется в 4—5 раз меньше, чем при огневой технологии.

Стекольная промышленность. Годовой расход всех видов энергоресурсов на производство стекла превышает 6 млн. т условного топлива. Производство стекла и изделий из него осуществляется с помощью более

2 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

380 стекловаренных печей, из которых 2/3 отапливаются природным газом и около 1/3 — жидким топливом. Менее 4% всех стекловаренных печей работает на твердом топливе.

Тепловой КПД пламенных стекловаренных печей — основных потребителей топлива (60—80 % общего его расхода) — не превышает 20—25 %. Наибольшие энергетические потери происходят через ограждающие конструкции печей (30—40 %) и с отходящими газами (30—40 %). Главные задачи в области энергосбережения в стекольной промышленности состоят в повышении КПД стекловаренных печей, замещении дефицитных видов органического топлива и в утилизации вторичных тепловых ресурсов.

Замещение дефицитных видов топлива может быть обеспечено расширением использования электроэнергии для дополнительного подогрева, обогрева каналов, протоков и вы- работочных бассейнов и применением электропечей вместо пламенных печей для варки хрусталя.

Энергосбережение в стекольной промышленности может быть достигнуто путем интенсификации процессов стекловарения, совершенствования теплоизоляции стекловаренных печей.

ЛЕСНАЯ,ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНАЯИ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩАЯПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Основными направлениями энергосбережения в этих отраслях промышленности являются: совершенствование структуры целлюлозно-бумажного производства, в том числе за счет вовлечения в переработку лиственных пород древесины, увеличения объемов переработки макулатуры, преимущественного развития менее энергоемких технологических процессов в производстве целлюлозы, бумаги и древесных плит; широкое внедрение непрерывного способа варки целлюлозы в котлах большой мощности; внедрение биметаллических котлов с принудительной циркуляцией и варкой сульфитной целлюлозы на растворимом основании; совершенствование тепловых схем целлюлозно-бумажного производства; совершенствование процессов сушки, в том числе в целлюлозно-бумажном производстве, за счет модернизации мокрой части бумагоделательных машин и повышения их быстроходности; разработка и внедрение новых экономичных способов производства бумажных изделий, включая производство нетканых ма-

териалов и бумаги с синтетическим волокном; внедрение нового размольного оборудования; совершенствование дефибрерного оборудования и повышение выхода годного продукта; увеличение производства мебели менее энергоемкими способами с применением новых видов облицовочных материалов вместо ламинирования; изготовление деталей из древесностружечных плит, пластмасс; внедрение экономических агрегатов для сушки щепы в производство древесностружечных плит; улучшение потребления теплоты в процессах производства целлюлозы, картона и бумаги; утилизация теплоты вентиляционных выбросов и низкопотенциальной теплоты паровоздушных смесей, охлаждающей воды и других вторичных энергоресурсов; внедрение мероприятий по повышению выхода целлюлозы, бумаги, картона.

ЛЕГКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

■ В целях экономии энергетических ресурсов в легкой промышленности необходимо: осуществить комплекс научно-технических и организационно-технических мероприятий по совершенствованию технологических процессов обжига фосфора, обработка тканей, сушки хлопка-сырца; модернизировать паросиловое хозяйство предприятий с заменой малопроизводительных котлов, установкой хим- водоочистки и деаэраторов, автоматизацией котельных и др.; ввести в действие прогрессивное оборудование по утилизации вторичных энергоресурсов, в том числе для использования теплоты вентиляционных выбросов.

МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Значительные резервы экономии топлива и энергии, для различных отраслей промышленности, а также строительства, агропромышленного комплекса связаны: с внедрением более совершенных конструкций газогорелочных устройств, новых, более прогрессивных систем освещения, источников света и осветительных приборов; с оснащением производств системами учета и контроля расхода топлива, электрической энергии и теплоты; с применением новых современных теплоизоляционных, высокопрочных и коррозионностойких конструкционных материалов; с повышением эффективности теплозащиты промышленных зданий и сооружений; с совершенствованием систем электро- и теплоснабжения предприятий.

Важную роль в повышении энергетической эффективности промышленного производства должна играть автоматизация управ

ления технологическими процессами и агрегатами, в том числе с широким использованием микропроцессорной техники.

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙБАЛАНС ПРОМЫШЛЕННЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

Энергетические балансы промышленных предприятий предназначены для решения следующих основных задач:

планирования энергоснабжения предприятия н его подразделений;

отчетности о потреблении и использовании энергоресурсов на предприятии;

оценки фактического состояния энергоиспользования на предприятии, выявления причин возникновения и определения потерь энергоресурсов и энергоносителей;

выявления и оценки резервов экономии топлива и энергии и разработки плана мероприятий, направленных на снижение потерь энергоресурсов;

улучшения режимов работы технологического н энергетического оборудования;

определения рациональных размеров энергопотребления в производственных процессах и установках;

совершенствования методики нормирования и разработки норм расхода топлива и энергии на производство продукции;

определения требований к организации и совершенствованию системы учета и контроля расхода энергоресурсов и энергоносителей;

получения исходной информации для создания нового оборудования и совершенствования технологических процессов с целью экономии энергетических затрат, оптимизации структуры энергетического баланса предприятия путем выбора оптимальных направлений, способов и размеров использования подведенных и вторичных энергоресурсов, совершенствования внутрипроизводственного хозяйственного расчета и системы стимулирования экономии энергоресурсов.

Виды и назначение энергетических балансов. В зависимости от назначения на промышленном предприятии применяются различные виды энергетических балансов, характеризуемых следующими признаками:

временем разработки (отчетные, плановые, перспективные и прогнозные энергобалансы);

стадией энергетического потока (производство, преобразование, распределение, конечное использование энергоресурсов);

объектом разработки (предприятие, про-

изводство, цех, участок, агрегат, установка ит. п.);

целевым назначением (основные и вспомогательные технологические процессы, в том числе различные виды процессов: силовые, высокотемпературные, средне- и низкотемпературные; санитарно-технические нужды — отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, освещение; коммунально-бытовые нужды);

видами и параметрами потребляемых энергоресурсов и энергоносителей (топливо, теплота и электрическая энергия, холод, сжатый воздух и газ под давлением, вода) и видами используемой энергии (механическая, тепловая, химическая и др.);

способом разработки (опытный, расчетный и опытно-расчетный);

качественными признаками, характеризующими уровень энергоиспользования (нормализованный, рациональный и оптимальный энергобалансы);

формой составления (синтетический и аналитический энергобалансы).

Различные виды энергетических балансов должны разрабатываться на промышленном предприятии в определенной последовательности и взаимосвязи.

В качестве основного документа, регламентирующего работу энергохозяйства предприятия, составляется текущий синтетический энергобаланс по видам потребляемой энергии, по объектам энергопотребления с разбивкой по целевому назначению и по стадиям энергетического потока.

После окончания отчетного периода (квартала, года) по данным внутризаводских отчетных документов (журналов учета, ведомостей, справок н т. д.) составляется отчетный (фактический) синтетический энергобаланс (по статистическим и другим формам), показывающий распределение подведенных и произведенных энергоносителей внутри предприятия.

По данным синтетического баланса, а также с учетом других сведений (полученных путем испытаний, расчетов) составляется с той или иной степенью детализации по объектам, целевому назначению, видам энергии и т. п. фактический аналитический энергобаланс, отражающий разделение общего расхода энергоносителей на полезный расход и потери энергии.

На основе проведенного анализа фактического энергобаланса разрабатывается перспективный энергобаланс с учетом проведения работ по нормализации расходов энергоресурсов, мероприятий по рационализации и оптимизации структуры энергобаланса.

При составлении частных энергетических балансов (по видам энергоносителей) количественное измерение энергоресурсов и энергоносителей производится в гигаджоулях, киловатт-часах и тоннах условного топлива. При составлении сводного энергетического баланса (по суммарному энергопотреблению) измерение различных энергоресурсов и энергоносителей производится в тоннах условного топлива. Пересчет различных видов энергоресурсов и энергоносителей в условное топливо производится с учетом средних калорийных эквивалентов.

Первичная информация по разработке и анализу энергетических балансов промышленных предприятий состоит из разделов:

общие сведения о предприятии;

отчетный энергетический баланс предприятия;

технические и энергетические характеристики энергоиспользующего оборудования;

технико-экономические характеристики энергоносителей.

Основу первичной информации по обследованию уровней и эффективности использования энергии в промышленности составляют действующие формы статистической отчетности. Технические и энергетические характеристики оборудования должны отражать:

материальные потоки (материальный баланс);

расходы и параметры сырья, топлива и энергии, количество отходов;

конструктивные особенности установки (габариты, изоляцию, наличие установок по утилизации вторичных энергоресурсов, наличие контрольно-измерительных приборов и автоматики и т. п.);

уровень эксплуатации (периодичность использования, продолжительность нахождения в горячем, резерве и т. п.).

Фактические технические и энергетические характеристики должны быть сопоставлены с проектными или лучшими по данному типу оборудования показателями (эталонами), соответствующими рациональной эксплуатации оборудования и уровню энергоиспользования.

Возможные отклонения должны быть тщательно проанализированы, и на их основе должен быть составлен план мероприятий по экономии топлива и энергии и оценен возможный экономический эффект.

Технико-экономические характеристики энергоносителей служат для выявления причин снижения эффективности энергоиспользования в результате отклонения параметров энергоносителей от допустимого (проектного, эталонного) уровня, а также как исходная

информация при разработке оптимальных энергетических балансов предприятия. Эти характеристики включают:

стоимость энергоносителей;

параметры энергоносителей: для электроэнергии — напряжение, частоту, значение cos а (фактическое); для теплоты—давление, температуру теплоносителя, возврат конденсата; для топлива — низшую теплоту сгорания, зольность, влажность, сернистость (фактические);

график годового и суточного потребления энергоносителей (для летнего н зимнего периодов).

Если имеет место собственное производство энергоносителей и поступление со стороны, то данные по обоим потокам следует давать раздельно.

Анализ энергетических балансов. Анализ проводится с целью качественной и количественной оценки состояния энергетического хозяйства и энергоиспользования в следующих направлениях:

исследования структуры поступления и потребления энергоресурсов и энергоносителей на предприятии;

определения показателей эффективности энергоиспользования;

расчета обобщенных показателей состояния энергетического хозяйства предприятия;

получения исходной информации для постановки и решения в дальнейшем задач оптимизации структуры энергетического баланса предприятия.

Анализ структуры приходной и расходной частей энергетического баланса позволяет установить специфику энергопотребления на предприятии, выявить различие в уровнях энергопотребления и эффективности энергоиспользования по сравнению с аналогичными предприятиями и наметить пути изменения структуры энергетического баланса.

Исследование аналитических энергетических балансов дает возможность определить фактическое состояние энергоиспользовання в отдельных элементах предприятия и на предприятии в целом. При проведении анализа все элементы предприятия или элементы подлежащие специальному обследованию, классифицируются на группы процессов и установок, однородных по виду используемых энергоносителей и сходных по методике анализа энергоиспользования.

Основными показателями эффективности энергоиспользования являются:

коэффициент полезного действия энергетической установки;

коэффициент полезного использования энергоносителя;

коэффициент полезного использования суммарного энергоносителя (приведенных энергетических ресурсов);

удельный (фактический) расход энергетического ресурса или энергоносителя.

Коэффициент полезного действия энергетической установки определяется для различных видов используемой энергии по формуле

*1 ^ГЮЛ //^ПОДВ р

где Э„ОЛ / — количество энергии, полезно использованной в /-й установке; Эпод6 / — количество подведенной энергии к /-й установке, включающее энергию, выделяющуюся внутри установки в результате проведения технологических процессов, т. е.

9=9-4-9

подв / изв / 1 внутр/•

Если рассматриваемая установка является энерготехнологической, вырабатывающей полезную неэнергетическую (Э„ол) и энергетическую (Э,тор) продукцию, то коэффициент полезного действия j-н установки определяется по формуле

*1(*^под /+5втор /)/ЭПОДВ/'

Коэффициент полезного использования энергоносителя на участке (цех, предприятие) определяется для различных видов энергоносителей (топливо, электрическая и тепловая энергия и др.) по формуле

'll 2л ^ПОД!// ^ ПОИВ i j* /=|/=1

где Э„ол i ,, ЭПОдв i ,• — соответственно количества 1-го энергоносителя, полезно использованного в j-й установке и подведенного к этой установке; п — число установок на участке, использующих i-й энергоноситель.

Коэффициент полезного использования суммарного энергоносителя на участке (цех, предприятие) определяется по формуле m пm п

= 2i 2i^юд ^л/2^ 2i 3™№ijki’ / = I / = I/ = I / = I

где /, m — виды и число энергоносителей; j, п — виды и число установок конечного использования (без учета установок преобразования топлива и энергии); kt— калорийный эквивалент i-ro энергоносителя.

В ходе анализа энергоиспользования на предприятии его показатели сопоставляются с аналогичными данными однородных предприятий. Анализ энергетических балансов должен выявить исходную информацию, необходимую для решения отдельных задач оптимизации структуры энергетического баланса

предприятия, касающихся возможности замены в технологических процессах и установках одного энергоносителя другим, использования в качестве замещающего энергоносителя вторичных энергетических ресурсов, имеющихся иа рассматриваемом предприятии и вне его.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НАТРАНСПОРТЕ

Транспорт является важнейшим потребителем наиболее качественных видов жидкого топлива, крупным потребителем электроэнергии. За последние годы транспортная система страны претерпела серьезные количественные и качественные изменения. Отправление грузов всеми видами транспорта в 1988 г. составляло около 13 млрд, т и было на 11 % больше, чем в 1980 г. Наиболее быстрыми темпами развивался речной транспорт и трубопроводный транспорт природного газа — за период с 1981 по 1988 г. он возрос соответственно на 22 и 31 %. Железнодорожным транспортом в 1988 г. было отправлено по сравнению с 1980 г. грузов на 10 % больше, морским на 10 %, автомобильным и воздушным — на 7 %.

Быстрые темпы развития транспорта, несмотря на определенное повышение его энергетической эффективности (табл. 1.9), увеличивают потребности в наиболее квалифицированных и дорогих энергоносителях — в моторных топливах и электроэнергии. В этой связи весьма актуальной является политика энергосбережения, проводимая на всех видах транспорта, совершенствование структуры транспортных средств в целях обеспечения перевозки грузов и пассажиров при минимальных энергетических затратах.

Железнодорожный транспорт, на долю которого приходится примерно 50 % всех перевезенных в стране грузов, ежегодно расходует около 30 млн. т условного топлива, причем 60 % всех затрат приходится на долю тепловозов. Экономия лишь 1 т условного топлива обеспечивает перевозку 3000 т грузов примерно на 100 км.

Основными направлениями энергосбережения на железнодорожном транспорте являются: дальнейшая электрификация железных дорог; ввод в эксплуатацию новых, более совершенных локомотивов, характеризующихся по сравнению с выпускаемыми в настоящее время повышенным КПД двигателей и передач, более совершенной системой охлаждения, меньшими расходами энергии на собственные нужды; снижение сопротивления движению за счет увеличения доли грузовых вагонов на роликовых подшипниках и увеличения доли бесстыкового пути; внедрение рекуперативного торможения на электрифицированных участках железных дорог; увеличение массы поезда за счет повышения степени загрузки вагонов, применения вагонов повышенной грузоподъемности; совершенствование планирования перевозок; осуществление комплекса мероприятий по снижению потерь электроэнергии на тяговых подстанциях, реактивной мощности в системе электротяги и стационарных потребителей; замещение нефтяного моторного топлива сжиженным природным газом; централизация теплоснабжения железнодорожных станций и узлов.

Вид транспорта1980 г.1985 г.А/ВЭлектроэнергияЖелезнодорожный на электротяге, кВт-ч (тыс. т-км)12,712,497,6(брутто)Городской электрифицированный, кВт-ч/(т-км)5253,9103,6(брутто)Трамвай, кВт-ч на приведенный вагоно-кнлометр Трубопроводный:перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)146,4137,794,115,412,782,5перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)16,413,984,5Топливо (в пересчете на Газопроводный: перекачка газа по магистральнымусловия)46,942,590,6газопроводам, кг/(млн. м3-км)Морской: работа пароходов, кг/тыс. тонна-миль11,09,788,2Вид транспорта1980 г.1985 г.А/ВЭлектроэнергияЖелезнодорожный на электротяге, кВт-ч (тыс. т-км)12,712,497,6(брутто)Городской электрифицированный, кВт-ч/(т-км)5253,9103,6(брутто)Трамвай, кВт-ч на приведенный вагоно-кнлометр Трубопроводный:перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)146,4137,794,115,412,782,5перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)16,413,984,5Топливо (в пересчете на Газопроводный: перекачка газа по магистральнымусловия)46,942,590,6газопроводам, кг/(млн. м3-км)Морской: работа пароходов, кг/тыс. тонна-миль11,09,788,2Таблица 1.9. Удельный расход энергоресурсов на транспорт в 1980 г.: (А) по сравнению с 1985 г. (В)Таблица 1.9. Удельный расход энергоресурсов на транспорт в 1980 г.: (А) по сравнению с 1985 г. (В)Автомобильный транспорт расходует более половины общего количества энергоресурсов, потребляемых всеми видами транспорта. Основными направлениями энергосбережения на автомобильном транспорте являются: уве-

Вид транспорта

1980 г.

1985 г.

А/В

Электроэнергия

Железнодорожный на электротяге, кВт-ч (тыс. т-км)

12,7

12,4

97,6

(брутто)

Городской электрифицированный, кВт-ч/(т-км)

52

53,9

103,6

(брутто)

Трамвай, кВт-ч на приведенный вагоно-кнлометр Трубопроводный:

перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)

146,4

137,7

94,1

15,4

12,7

82,5

перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)

16,4

13,9

84,5

Топливо (в пересчете на Газопроводный: перекачка газа по магистральным

условия)

46,9

42,5

90,6

газопроводам, кг/(млн. м3-км)

Морской: работа пароходов, кг/тыс. тонна-миль

11,0

9,7

88,2

Вид транспорта

1980 г.

1985 г.

А/В

Электроэнергия

Железнодорожный на электротяге, кВт-ч (тыс. т-км)

12,7

12,4

97,6

(брутто)

Городской электрифицированный, кВт-ч/(т-км)

52

53,9

103,6

(брутто)

Трамвай, кВт-ч на приведенный вагоно-кнлометр Трубопроводный:

перекачка газа, кВт-ч/(млн. м3-км)

146,4

137,7

94,1

15,4

12,7

82,5

перекачка нефти, кВт-ч/(тыс. т-км)

16,4

13,9

84,5

Топливо (в пересчете на Газопроводный: перекачка газа по магистральным

условия)

46,9

42,5

90,6

газопроводам, кг/(млн. м3-км)

Морской: работа пароходов, кг/тыс. тонна-миль

11,0

9,7

88,2

Таблица 1.9. Удельный расход энергоресурсов на транспорт в 1980 г.: (А) по сравнению с 1985 г. (В)

Таблица 1.9. Удельный расход энергоресурсов на транспорт в 1980 г.: (А) по сравнению с 1985 г. (В)

личение доли грузооборота и пассажирооборо- та, выполняемых автомобилями и автобусами с дизельными двигателями (дизелизация); снижение удельных норм расхода топлива автомобилями за счет повышения КПД двигателей, трансмиссий, снижения собственной массы и аэродинамического сопротивления, увеличения доли радиальных шин; оснащение автомобилей приборами регистрации параметров движения; замещение бензина менее дефицитными видами топлива, в первую очередь сжатым и сжиженным газом.

Водный транспорт. Основными направлениями энергосбережения на водном транспорте являются: пополнение флота новыми судами, оптимизация режимов работы судового оборудования при помощи АСУ и бортовых ЭВМ; внедрение новых систем топливоподго- товки, многофункциональных присадок к топливу, необрастающих покрытий корпусов судов; внедрение систем глубокой утилизации теплоты отходящих газов судовых двигателей и утилизации нефтяных остатков на судах; развитие речных перевозок несамоходным флотом в крупнотоннажных составах; применение на речных судах дизелей с трубонадду- вом; повышение нагрузок на единицу мощности двигателя, тяги, совершенствование эксплуатации энергетических установок и движителей судов; замещение нефтяного моторного топлива сжиженным природным газом.

Воздушный транспорт. Энергосбережение на воздушном транспорте достигается: применением более экономичных самолетов; совершенствованием расстановки и использования парка самолетов в соответствии с пассажиропотоками и дальностью рейсов; разработкой и усовершенствованием методов летной эксплуатации; использованием водорода в качестве топлива; внедрением новых аэродромных машин и механизмов.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕВ АГРОПРОМЫШЛЕННОМКОМПЛЕКСЕ

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Общее энергопотребление в сельском хозяйстве в 1985 г. составило свыше 270 млн. т условного топлива, или 15 % суммарного потребления энергоресурсов. В 1988 г. потребление электроэнергии в сельском хозяйстве, включая коммунально-бытовые нужды, составило 167 ТВт-ч и было на 50 % больше, чем в 1980 г. Из этого количества на производственные цели было израсходовано 74 %. Темпы роста электропотребления

в сельском хозяйстве были примерно вдвое более высокими по сравнению с темпами увеличения общего электропотребления.

В сельском хозяйстве в перспективе сохранится объективная необходимость опережающего роста энергопотребления, связанная с предусмотренным Продовольственной программой ростом механизации и моторизации сельскохозяйственного производства и увеличением в нем производительности труда.

Около половины экономии энергии будет обеспечено в результате внедрения энергосберегающих машин, технологических процессов и оборудования, в том числе промышленно освоенных и новых, подлежащих освоению, и около десятой части — за счет повышения уровня использования вторичных энергетических ресурсов. Большие возможности по экономии энергоресурсов в сельском хозяйстве должны быть реализованы в течение рассматриваемой перспективы за счет малокапиталоемких организационно-технических мероприятий.

Основными направлениями повышения эффективности использования энергетических ресурсов в сельском хозяйстве на период до 2000 г. наряду с совершенствованием техники также являются: разработка и внедрение энергосберегающих технологий в растениеводстве; совершенствование технологии сушки зерна и кормов, методов применения минеральных, органических удобрений и химических мелиорантов; разработка и внедрение систем использования отходов растениеводства и животноводства в энергетических целях, а также для производства удобрений и кормовых добавок; использование теплоты вентиляционных выбросов животноводческих помещений для подогрева воды и обогрева помещений для молодняка (с применением пластинчатых рекуператоров); обеспечение оптимальных температурных режимов и секционирование системы отопления животноводческих помещений в зависимости от возраста животных; применение тепловых насосов в системах теплохладоснабжения и устройств для плавного регулирования работы систем вентиляции; использование сбросной теплоты ТЭС и АЭС, газокомпрессорных станций и геотермальных вод для обогрева парников, теплиц, сушки зерна и кормов; внедрение современных контрольно-измерительных приборов и систем автоматизации; совершенствование учета, нормирования и организации технологических процессов в животноводстве и растениеводстве.

Для осуществления намеченной программы энергосбережения в сельском хозяйстве необходимо: осуществить комплекс мероприя-

тий по внедрению плоскорезной обработки почвы; усовершенствовать технологические процессы в растениеводстве; внедрить химическое консервирование влажного зерна, активное вентилирование, предварительный подогрев сушильного агента для подсушки зерна, предварительное провяливание и подсушивание зеленой массы кормовых культур.

Определенную положительную роль в энергосбережении в сельском хозяйстве будут иметь: более широкая электрификация сельскохозяйственного производства; строительство биогазовых установок; повышение КПД топливопотребляющего оборудования, совершенствование учета и отчетности в энергопотреблении; снижение потерь нефтепродуктов при их транспортировке, хранении и использовании в мобильной сельскохозяйственной технике, электроэнергии — в сельских электрических сетях, трансформаторных подстанциях; внедрение тепловых реле для автоматизации управления электронагревом, автоматических систем регулирования вентиляции.

ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В этой отрасли в 1985 г. было израсходовано свыше 20 ТВт-ч электроэнергии, более 475 млн. ГДж теплоты и большое количество органического топлива.

К числу наиболее энергоемких относится производство сахара. Основная экономия энергоресурсов в сахарном производстве может быть достигнута в результате совершенствования технологических схем и целенаправленного внедрения энергосберегающего оборудования, использования низкопотенциальной теплоты вторичных паров выпарных и вакуум-кристаллизационных установок и конденсатов в тепловых схемах.

Энергоемким является также производство спирта. Основным направлением снижения расхода теплоты при производстве спирта является внедрение ферментативного гидролиза при подготовке крахмала, содержащего сырье к сбраживанию. Значительные возможности энергосбережения имеются и у других производств пищевой промышленности.

Повышение энергетической эффективности производства в пищевой промышленности связано: с усовершенствованием технологических процессов и оборудования в производстве сахара, хлеба, спирта, растительных масел, консервов; с осуществлением комплекса мероприятий по модернизации оборудования для хладоснабжения, расширением использования естественного холода, совершенствованием режимов теплопотребления и тепловых схем;

с внедрением комплекса организационно-технических мероприятий по автоматизации и диспетчеризации производства, улучшением нормирования расходов энергоресурсов; с повышением степени использования вторичных энергетических ресурсов; с внедрением новых энергосберегающих технологических процессов и оборудования.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕВ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОМХОЗЯЙСТВЕ

Этот сектор экономики является одним нз крупнейших потребителей топлива и теплоты. Общее потребление электроэнергии в городском коммунально-бытовом хозяйстве в 1985 г. составило 193 ТВт-ч. Быстрое развитие жилого фонда и фонда общественных зданий приводит к значительному росту потребностей в энергоресурсах, в частности в связи с необходимостью обеспечения комфортных условий для человека, находящегося в помещении.

Основными направлениями повышения эффективности использования и экономии энергетических ресурсов в коммунально-бытовом хозяйстве на период до 2000 г. являются: повышение теплозащиты строящихся и действующих жилых и общественных зданий н теплосетей за счет использования эффективных теплоизоляционных материалов; снижение потерь в городских электросетях; снижение расхода топлива и энергии на отопление н горячее водоснабжение жилых и общественных зданий за счет автоматизации отпуска и расходования теплоты; утилизация теплоты вентиляционных выбросов общественных зданий; централизация теплоснабжения, модернизация и замена устаревшего оборудования и укрупнение котельных, внедрение в сферу личного пользования эффективных индивидуальных отопительных установок и упорядочение их топливоснабжения; широкое применение методов аккумулирования теплоты для ее использования для производственных нужд, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения на базе электрической энергии, вырабатываемой в часы провала графиков электрической нагрузки; создание и внедрение новых, увеличение масштабов использования существующих прогрессивных систем освещения, источников света, осветительных приборов, а также аппаратуры для автоматического управления освещением.

Большие резервы экономии электроэнергии имеются в повышении энергетической эффективности электробытовых приборов.

РОЛЬ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХНАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Научно-технический прогресс в энергосбережении требует наряду с расширением использования уже применяемых и внедрением новых энергоэкономичных технологий, оборудования, машин и материалов выявления и постоянного пополнения связанных с этим научных идей, проведения фундаментальных исследований в целях обеспечения научного задела в этой важной области деятельности.

Фундаментальные исследования необходимы в области перспективного развития экономики для определения путей ее оптимизации с точки зрения снижения удельной энергоемкости национального дохода, существенного роста производительности и улучшения условий труда на базе увеличения его электровооруженности, повышения качества продукции, охраны среды обитания.

В решении задачи энергетического усовершенствования большого числа технологических процессов и оборудования важное значение имеют научные исследования в области тепломассообмена, позволяющие разработать научные основы создания принципиально новых типов теплообменного оборудования и применяемых для его изготовления конструкционных материалов, использования высокотемпературной теплоты в установках различного типа по производству электроэнергии и в технологических процессах. Решение фундаментальных научных проблем в указанных областях будет содействовать снижению непроизводительных тепловых потерь, повышению энергетического КПД энергопреобразующего и энергопотребляющего оборудования, создаст предпосылки для эффективного полезного использования огромных количеств не находящей в настоящее время применении низкопотенциальной сбросной теплоты.

Исследования в области тепломассообмена должны касаться подробного изучения механизма теплопередачи, в частности — турбулентного массообмена через пористые материалы, радиационной теплопередачи. Сюда же относятся исследования жидких сред, инертных к конструкционным материалам при высоких температурах, изучение возможностей применения оксидных пленок для защиты рабочих поверхностей деталей оборудования и машин.

Важной областью фундаментальных исследований в сфере энергосбережения являются тепловые двигатели и циклы: двигатели

внутреннего сгорания, паровые турбины, компрессоры, тепловые насосы, холодильники, кондиционеры и т. д. Эта область исследований включает работы, направленные на повышение или снижение интенсивности теплообмена (в зависимости от типа двигателя или цикла), уменьшение термических деформаций и сил трения, улучшение характеристик горения топлива и теплового режима в камерах сгорания, усовершенствование проточной части тепловых машин, улучшение характеристик конструкционных материалов, идущих на изготовление тепловых двигателей, особенно — на повышение их жаростойкости. Решение этих и других научных проблем позволит создать тепловые двигатели и циклы с повышенным КПД и, следовательно, существенно снизить удельный расход органического топлива и выход вторичных тепловых ресурсов, увеличить степень их последующего полезного использования, повысить надежность и удлинить срок службы двигателей, увеличить продолжительность межремонтной работы, сократить эксплуатационные затраты.

Разработка теоретических основ и создание соответствующих технических средств контроля времени прохождения поршня в цилиндре двигателя может повысить удельную полезную работу. Широкое внедрение конструкционных материалов, основанных на керамике, вгазотурбостроении позволит поднять температуру газов на входе в турбину, повысить удельную выходную мощность в расчете на единицу массы машины, увеличить ее КПД.

Исследования в области тепловых двигателей и циклов охватывают такие проблемы, как улучшение теплообмена в двигателях, работающих по циклу Стирлинга, повышение теплоотдачи с воздушной стороны кондиционеров и компрессоров путем разработки новых геометрий поверхностей, снижения скоростей потока и использования новых материалов, выявление путей снижения турбулентности потока внутри цилиндра теплового двигателя и приближения его к ламинарному.

Для повышения уровня автоматизации технологических процессов и оборудования необходимы: создание новых типов датчиков, способных быстро и надежно работать в энергетическом потоке при экстремальных температурах и давлениях, высоких скоростях в различных агрессивных средах и разработка автоматизированных систем управления на базе современной компьютерной техники. С помощью датчиков температуры, давления и скорости потока, а также автоматизированных систем управления можно добиться повышения энергетической эффективности многих высокотемпературных технологических про-

цессов. К этой же категории научных проблем относятся исследования в области искусственного интеллекта, роботизации, томографии, ультразвука, лазерных пучков и т. д., которые закладывают основы дальнейшей компьютеризации процессов управления и на этой базе должны обеспечить улучшение энергетической эффективности технологических процессов.

Большие возможности экономии энергии имеются в области обработки материалов и создания новых их видов. Помимо традиционных новыми методами обработки материалов являются обработка и упрочение рабочих поверхностей путем нанесения облицовок с помощью порошковой металлургии, радиационного облучения, ускоренного отвердевания метастабильных промышленных материалов, таких как волокна и ленты, синтез материалов из химических элементов, облицовка металлических поверхностей керамикой. Фундаментальные исследования в этой области могут привести к разработке новых, менее энергоемких, в том числе высокотемпературных, технологий обработки материалов, созданию новых материалов с заданными свойствами, применение которых обеспечит экономию энергии.

Необходимы исследования возможностей извлечения металлов и порошкообразных рудных материалов, методов производства металлических изделий нужных конфигураций, не требующих обработки резанием, и химических реакций при повышенных температурах.

К фундаментальным исследованиям в области энергосбережения относятся и работы по созданию специальных материалов, которые могут обеспечить значительную экономию в строительстве и промышленности, таких как специальный цемент, жаростойкая керамика, сплавы с улучшенными свойствами, сверхпроводниковые материалы и т. д. Бетон, изготовленный на основе специального цемента, например, почти в 10 раз прочнее на растяжение по сравнению с бетоном из обычного цемента, а его ударная вязкость сравнима с вязкостью чугуна. Использование этих материалов может обеспечить значительную экономию энергии. Исследования в области специальных материалов включают изучение методов производства с помощью лазеров, радиочастотного плазменного пиролиза керамических порошков, из которых изготавливаются малопористые керамические изделия, выявление путей замены титановых сплавов высокопрочными алюминиевыми сплавами и композиционными материалами в тепловых двигателях.

Научно-технический прогресс является

наиболее крупным, практически неисчерпаемым резервом энергосбережения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бесчинский А. А., Башмаков И. А., Вольфберг Д. Б. Познается в сравнении // Энергия: экономика — техника — экология. 1987. № II. С. 49—52.

Вольфберг Д. Б. Электроэнергетика и проблемы энергосбережения в промышленно развитых капиталистических странах // Итоги науки и техники. Экономика и организация производства тяжелой промышленности. Т. 9 (Энергетические проблемы). М.: ВИНИТИ, 1983.

Вольфберг Д. Б., Макаров А. А. Рациональное использование и экономия топливноэнергетических ресурсов // Современные проблемы энергетики / Под ред. Д. Г. Жимерина. М.: Энергоатомиздат, 1984.

Вольфберг Д. Б., Макаров А. А. Энергосберегающая политика и развитие энергетики СССР. Доклад на симпозиуме Европейской экономической комиссии ООН, 1984, г. Будапешт.

Доброхотов В. И., Вольфберг Д. Б. Основные направления энергосберегающей политики на ближайшую перспективу // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1985. № 6. С. 3—7.

Лалаянц А. М. Топливно-энергетический комплекс в двенадцатой пятилетке // Плановое хозяйство. 1986. № 7.

Народное хозяйство СССР за 70 лет: Юбилейный статистический ежегодник / Госкомстат СССР. М.: Финансы и статистика, 1987. ■

Основные направления энергосберегающей политики / Энергетический комплекс СССР; Под. ред. Л. А. Мелентьева и А. А. Макарова. М.: Экономика, 1983.

Экономия топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве. Материал семинара. Общество «Знание» РСФСР. Московский Дом научно-технической пропаганды имени Ф. Э. Дзержинского. М.: 1986.

Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Опыт и практика СССР, ВНР, ГДР и ЧССР / Под ред. Д. Б. Вольфберга. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Эффективное использование электроэнергии / Под ред. К. Смита: Пер. с англ, под ред. Д. Б. Вольфберга. М.: Энергоиздат, 1981, 400 с.

Energy Terminology. A Multi-lingual Glassary, 2 nd Edition, 1985. The World Energy Conference, London, UK.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕУСТАНОВКИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХУСТАНОВОК

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯИ КЛАССИФИКАЦИЯ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Теплотехнология — совокупность способов преобразования исходных сырья, материалов, полуфабрикатов в заданный товарный продукт на основе изменения их теплового состояния.

Теплотехнологический процесс — элемент теплотехнологии, включающий в себя совокупность элементарных (теплофизических, физических, химических, механических и др.) процессов, обеспечивающих конкретное, технологически регламентированное тепловое воздействие на сырье, материалы, полуфабрикаты на отдельных этапах производственного цикла (например, теплотехнологические процессы, реализуемые в промышленных печах, сушильных установках, выпарных аппаратах и т. д.).

Ступень (стадия) теплотехнологического процесса — часть теплотехнологического процесса, требующая для реализации обеспечения своих, специфических теплотехнических, технологических и организационных условий (переход от одной ступени к другой связан с изменением температурного и теплового режимов, состава газовой атмосферы, источника энергии и т. д.). В общем случае теплотехнологический процесс может быть представлен как последовательная совокупность нескольких ступеней. К числу одноступенчатых относят многие варианты нагрева термотонких тел в нагревательных печах. Двух-, трех- и многоступенчатыми являются процессы нагрева термомассивных тел, термической обработки металла, керамики в различных нагревательных печах.

Теплотехнологическая схема производства — наглядная (графическая) иллюстрация последовательной совокупности теплотехноло

гических и других технологических процессов производства того или иного продукта. В качестве примера на рис. 2.1 приведена теплотехнологическая схема производства меди.

Схема теплотехнологического процесса — наглядная иллюстрация последовательной со-

Рис. 2.1. Теплотехнологическая схема производства меди

НагревНагревПлавление |*| Разделение фазПлавление |*| Разделение фазРис. 2.2. Примеры схем теплотехнологических процессов:/ — нагрев массивных изделий, слитков; // — варка стекла; III — обжиг известняка; IV — обжиг на цементный клинкер; V— плавка медного концентрата на штейн; ИМ — исходные материалы; ТП — технологическая продукцияРис. 2.2. Примеры схем теплотехнологических процессов:/ — нагрев массивных изделий, слитков; // — варка стекла; III — обжиг известняка; IV — обжиг на цементный клинкер; V— плавка медного концентрата на штейн; ИМ — исходные материалы; ТП — технологическая продукциявокупности элементарных процессов теплотехнологического процесса (рис. 2.2).

Нагрев

Нагрев

Плавление |*| Разделение фаз

Плавление |*| Разделение фаз

Рис. 2.2. Примеры схем теплотехнологических процессов:

/ — нагрев массивных изделий, слитков; // — варка стекла; III — обжиг известняка; IV — обжиг на цементный клинкер; V— плавка медного концентрата на штейн; ИМ — исходные материалы; ТП — технологическая продукция

Рис. 2.2. Примеры схем теплотехнологических процессов:

/ — нагрев массивных изделий, слитков; // — варка стекла; III — обжиг известняка; IV — обжиг на цементный клинкер; V— плавка медного концентрата на штейн; ИМ — исходные материалы; ТП — технологическая продукция

Теплотехнологический реактор (аппарат, рабочее пространство теплотехнологической установки) — одно- и многокамерное устройство, в пределах которого осуществляются все стадии данного теплотехнологнческого процесса (например, металлургический конвертер, рабочее пространство доменной печи, методической нагревательной печи, мартеновской печи, вращающаяся печь с холодильником и циклонными теплообменниками производства цементиого клинкера, сушилки, выпарные аппараты, ректификационные колонны, совокупность элементов парового котла и др.).

Теплотехнологическая установка — совокупность теплотехнологического реактора (аппарата, рабочего пространства) и эксплуатационно связанного с ним технологического, теплотехнического, энергетического, транспортного, приемно-распределительного и другого оборудования, непосредственно обеспечивающая реализацию данного теплотехнологического процесса и работающая в едином технологическом ритме (например, совокупность оборудования котельной установки).

Теплотехнологическая установка с элементами внешнего теплоиспользования (теп- лоэнергоиспользования) — теплотехнологическая установка с пристроенными или встроенными в структурную схему установки элементами (устройствами) для использования отходов теплоты (энергии) этой установки с целью получения энергетической или другой технологической продукции (печи с котлами- утилизаторами, испарительным охлаждением и т. д.).

Теплотехнологическая система — совокупность теплотехнологических установок

и эксплуатационно связанного с ними технологического, теплотехнического, энергетического, транспортного, приемно-распределительного и другого оборудования, обеспечивающая в пределах данного предприятия переработку исходных материалов в заданный продукт или полуфабрикат.

Теплотехнологический комплекс — совокупность теплотехнологических систем, производственно связанных с ними технологических, теплотехнических, энергетических, транспортных, приемно-распределительных и других устройств, установок, систем, включая источники технологического сырья, топлива, электроэнергии, обеспечивающая всю последовательность теплотехнологических процессов преобразования исходного сырья в заданную продукцию как в пределах данного предприятия, так и вне его.

Промышленный теплотехнологический комплекс — совокупность отдельных теплотехнологических комплексов, формирующих техническую базу основных производств народного хозяйства.

Комбинированная система (установка) технологического или технологического и энергетического назначения — система (установка), органически связывающая две (или более) разнородные по производимому продукту паритетные технологические или технологические и энергетические системы (установки) с целью достижения наиболее высокой энергетической и общей эффективности выработки одновременно задаваемых видов продукции и уровней их производства и являющаяся альтернативным решением раздельного, выполненного на современном научно-техническом уровне варианта выработки этих видов продукции.

В теплотехнологии и в энергетике комби-

Рис. 2.3. Структура промышленной энергетики

нироваиные установки и системы могут формироваться на основе использования общего источника энергии — топлива, комплексного использования единого сырья, а также топлива и сырья одновременно.

К комбинированным установкам и системам не относятся теплотехнологические установки с внешним теплоиспользованием с пристроенными или встроенными теплоутилизационными или энергоутилизационными элементами, устройствами, установками, у которых вид дополнительной продукции в значительной мере определяется особенностями теплотехнологической установки, производящей лидирующий продукт, а уровень их производства — объемом тепловых (энергетических) отходов лидирующего технологического процесса.

Тепловая схема теплотехнологической установки (оформления теплотехнологического процесса) — наглядная (графическая) иллюстрация состава и размещения источников энергии, состава и последовательности перемещения теплоносителей и рабочего тела (тел) в технологических и других элементах установки.

Теплотехнический принцип (способ) реализации технологического процесса — характерная совокупность тепловых, аэродинамических, механических и других условий организации термической обработки сырьевых материалов, полуфабрикатов, изделий в теплотехнологическом реакторе (аппарате, рабочем пространстве установки).

Термодинамически идеальная теплотехнологическая установка — установка, наделенная некоторыми предельными свойствами, теоретически обеспечивающими минимальный расход топлива (теплоты) на проведение теплотехнологического процесса. К числу этих свойств (принципов) относятся: неограниченные возможности организации теоретического противотока рабочего тела (технологически обрабатываемого материала) и теплоносителя (продуктов сгорания топлива, технологических газов и т. д.) и предельно (принципиально возможного) регенеративного теплоисполь- зования; предельно высокая тепловая герметичность ограждения установки; неограничен

ные возможности интенсификации внешнего теплообмена, следствием чего является завершенность этого вида теплообмена; неограниченные возможности интенсификации процесса горения (окисления) топлива, вследствие чего в уходящих газах установки при коэффициенте расхода окислителя а^1,0 отсутствуют потери от неполноты горения топлива; неограниченные возможности интенсификации внешнего массообмена и переноса массы в теплотехнологических реакторах (аппаратах); предельно низкое самопотребление энергии; теплотехнологический процесс теоретически реализуется наилучшим образом, но в принципиально возможных рамках.

Энергетика теплотехнологии — новая область промышленной энергетики (рис. 2.3) (и новая научная дисциплина), призванная обеспечивать (изучать) условия реализации предельно высокого, экономически обоснованного энергосберегающего эффекта в теплотехнологических установках и системах при строго регламентированных технологических требованиях, при комплексном учете и решении проблемных задач ресурсосбережения, охраны окружающей среды, экономии пресной воды, при наиболее благоприятном производственном комфорте для человека.

При этом основой содержания профессиональной деятельности инженера-энергетика теплотехнологии являются:

разработка концепции интенсивного энергосбережения теплотехнологических комплексов и систем, отдельных технологических установок и производственных линий, включающей:

диагноз и объективную оценку качества и эффективности использования топливноэнергетических ресурсов, материалов и экологической обстановки, основанные на сравнительном анализе характеристик действующих объектов (теплотехнологических установок, систем, комплексов) и их термодинамически идеальных моделей, формируемых на принципах безотходной технологии, энергосберегающих тепловых схем и оборудования;

прогноз возможного уровня энергомате- риалосбережения и радикального улучшения экологической обстановки, основанного на сравнительном анализе характеристик действующих объектов и их практических моделей, формируемых в условиях предельно глубокого научно-технического прогресса;

состав конкретных мероприятий и технических предложений по реализации интенсивного энергосбережения;

создание теплотехнологических установок и систем нового поколения, отличающихся предельно высокими энергоматериало-

Рис. 2.4. Характерные температурные и тепловые графики технологических процессов, реализуемых в высокотемпературных теплотехнологических установках: / — относительная температура Т*/Т*акс; 2 — относительное теплопоглощение исходных материалов (веществ) в процессе Qm/Qt^, где QM, Q™*1" - - соответственно теплопоглощение материалов за время процесса т и общее теплопоглощение материалов, необходимое для доведеиня продуктов (полуфабрикатов) до Г£акс и реализации всего комплекса необходимых физико-химических превращений; 7L, QJ — средняя температура и теплопоглощение материалов перед стадиен процесса, в которой существенную роль играют эндотермические эффекты; Qt, Qi1 — теплопоглон’ение соответственно после первой и второй ступеней технологического процесса; 1а, На, Н1а — варианты с незначительным влиянием эндотермичэских эффектов; /б, //б, НИ — варианты с существенным влиянием эндотермических эффектовРис. 2.4. Характерные температурные и тепловые графики технологических процессов, реализуемых в высокотемпературных теплотехнологических установках: / — относительная температура Т*/Т*акс; 2 — относительное теплопоглощение исходных материалов (веществ) в процессе Qm/Qt^, где QM, Q™*1" - - соответственно теплопоглощение материалов за время процесса т и общее теплопоглощение материалов, необходимое для доведеиня продуктов (полуфабрикатов) до Г£акс и реализации всего комплекса необходимых физико-химических превращений; 7L, QJ — средняя температура и теплопоглощение материалов перед стадиен процесса, в которой существенную роль играют эндотермические эффекты; Qt, Qi1 — теплопоглон’ение соответственно после первой и второй ступеней технологического процесса; 1а, На, Н1а — варианты с незначительным влиянием эндотермичэских эффектов; /б, //б, НИ — варианты с существенным влиянием эндотермических эффектовТехнологические и теплотехнические схемыТехнологические и теплотехнические схемы

Рис. 2.4. Характерные температурные и тепловые графики технологических процессов, реализуемых в высокотемпературных теплотехнологических установках: / — относительная температура Т*/Т*акс; 2 — относительное теплопоглощение исходных материалов (веществ) в процессе Qm/Qt^, где QM, Q™*1" - - соответственно теплопоглощение материалов за время процесса т и общее теплопоглощение материалов, необходимое для доведеиня продуктов (полуфабрикатов) до Г£акс и реализации всего комплекса необходимых физико-химических превращений; 7L, QJ — средняя температура и теплопоглощение материалов перед стадиен процесса, в которой существенную роль играют эндотермические эффекты; Qt, Qi1 — теплопоглон’ение соответственно после первой и второй ступеней технологического процесса; 1а, На, Н1а — варианты с незначительным влиянием эндотермичэских эффектов; /б, //б, НИ — варианты с существенным влиянием эндотермических эффектов

Рис. 2.4. Характерные температурные и тепловые графики технологических процессов, реализуемых в высокотемпературных теплотехнологических установках: / — относительная температура Т*/Т*акс; 2 — относительное теплопоглощение исходных материалов (веществ) в процессе Qm/Qt^, где QM, Q™*1" - - соответственно теплопоглощение материалов за время процесса т и общее теплопоглощение материалов, необходимое для доведеиня продуктов (полуфабрикатов) до Г£акс и реализации всего комплекса необходимых физико-химических превращений; 7L, QJ — средняя температура и теплопоглощение материалов перед стадиен процесса, в которой существенную роль играют эндотермические эффекты; Qt, Qi1 — теплопоглон’ение соответственно после первой и второй ступеней технологического процесса; 1а, На, Н1а — варианты с незначительным влиянием эндотермичэских эффектов; /б, //б, НИ — варианты с существенным влиянием эндотермических эффектов

Технологические и теплотехнические схемы

Технологические и теплотехнические схемы

сберегающими и экологически совершенными характеристиками;

разработка мероприятий и внедрение технических решений, обеспечивающих радикальную энергетическую модернизацию действующих теплотехнологических установок и систем.

В основу классификации теплотехнологических процессов можно положить управляемые средствами теплотехники физические или физико-химические явления, лимитирующие длительность рабочего цикла, производительность установки и качество продукции [15]. Исходя из этого, можно выделить технологические процессы, определяемые:

интенсивностью подвода теплоты к поверхности обрабатываемого материала (интенсивностью внешнего теплообмена);

интенсивностью подвода массы извне к реагирующей поверхности обрабатываемого материала (интенсивностью внешнего массо- обмена);

интенсивностью переноса теплоты внутри обрабатываемого материала;

интенсивностью молекулярного переноса массы внутри обрабатываемого материала;

интенсивностью перемешивания фаз (твердых, жидких) в зоне их термической обработки;

скоростью собственно химического реагирования;

скоростью разделения целевых и сопутствующих продуктов.

Температурные и тепловые графики технологических процессов могут быть сведены в четыре группы А—Г (рис. 2.4), если за основу их формирования приняты [15] соотношение между начальной температурой исходных материалов ТЕ и температурой окружающей среды Го с и соотношение между средней максимальной температурой материала в процессе Т“акс и средней температурой технологического продукта (полуфабриката) Т» ", при которой он используется непосредственно после выдачи из теплотехнологической установки (в общем случае учитываются целевые и сопутствующие продукты).

В каждой из групп (рис. 2.4) выделены несколько подгрупп, отличающихся числом ступеней технологического процесса.

На практике встречаются технологические процессы, имеющие более трех технологических ступеней.

На основе температурных и тепловых графиков, схем и условий проведения технологических процессов может устанавливаться структура камер рабочего пространства и тепловых схем теплотехнологических установок.

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХРЕАКТОРОВ. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ

В зависимости от числа камер, в которых реализуются все ступени (стадии) технологического процесса, выделяют установки с однокамерным и многокамерным реактором (рис. 2.5).

Установки с однокамерным однозонным реактором (рабочим пространством), например топливные печи, характеризуются относительно равномерным температурным полем греющих газов в объеме и, как правило, цикличностью их действия (мартеновские печи, нагревательные колодцы и др.).

При однокамерном, но многозонном реакторе установки отличаются непрерывностью работы и неравномерным полем температур газов в объеме (например, методические нагревательные печи, шахтные печи, вращающиеся печи). Установки с таким реактором (рабочим пространством) более прогрессивны, чем первые.

В многозонном и многокамерном реакторах можно выделить соответственно следующие зоны и камеры [15]:

предварительной тепловой или тепловой и физико-химической обработки исходных материалов (ПТО);

основной технологической обработки материалов (ОТО), где или завершается технологический процесс в целом, или проводится его решающая стадия;

технологической дообработки материалов (ТД);

технологически регламентированного охлаждения технологического продукта (ТРО).

В отличие от этих технологических зон и камер устройства, в которых осуществляется технологически нерегламентированное охлаждение продукта, относятся к теплотехническим элементам установки.

В общем случае теплотехнологическая

Рис. 2.5. Классификация высокотемператур-.

ных теплотехнологических реакторов

Рис. 2.6. Структурные схемы теплотехнических реакторов, схемы размещения источников энергии и перемещения рабочих тел и теплоносителей (на примере топливных печей):ТВ, ТК, ЭЭ — соответственно топливно-воздушный, топлнвно-кнслородный и электрический источники энергии; V — VIII — схемы с одним видом источника энергии; IX— XI — схемы с комбинированным источником энергии; Т, О, ДГ — соответственно топливо, его окислитель, дымовые газы; ИМ, М, ТП — соответственно исходный материал, технологическая продукцияРис. 2.6. Структурные схемы теплотехнических реакторов, схемы размещения источников энергии и перемещения рабочих тел и теплоносителей (на примере топливных печей):ТВ, ТК, ЭЭ — соответственно топливно-воздушный, топлнвно-кнслородный и электрический источники энергии; V — VIII — схемы с одним видом источника энергии; IX— XI — схемы с комбинированным источником энергии; Т, О, ДГ — соответственно топливо, его окислитель, дымовые газы; ИМ, М, ТП — соответственно исходный материал, технологическая продукцияустановка содержит от одной до нескольких эои или камер реактора. В установках с многозонным реактором н нечетким конструктивным делением на эоны выделение зоны ОТО может быть проведено, исходя, например, из условия, что температура отходящих из этой зоны газов, как и в однокамерном однозонном реакторе, равна максимальной температуре обрабатываемого материала в этой зоне или несколько больше ее.

Рис. 2.6. Структурные схемы теплотехнических реакторов, схемы размещения источников энергии и перемещения рабочих тел и теплоносителей (на примере топливных печей):

ТВ, ТК, ЭЭ — соответственно топливно-воздушный, топлнвно-кнслородный и электрический источники энергии; V — VIII — схемы с одним видом источника энергии; IX— XI — схемы с комбинированным источником энергии; Т, О, ДГ — соответственно топливо, его окислитель, дымовые газы; ИМ, М, ТП — соответственно исходный материал, технологическая продукция

Рис. 2.6. Структурные схемы теплотехнических реакторов, схемы размещения источников энергии и перемещения рабочих тел и теплоносителей (на примере топливных печей):

ТВ, ТК, ЭЭ — соответственно топливно-воздушный, топлнвно-кнслородный и электрический источники энергии; V — VIII — схемы с одним видом источника энергии; IX— XI — схемы с комбинированным источником энергии; Т, О, ДГ — соответственно топливо, его окислитель, дымовые газы; ИМ, М, ТП — соответственно исходный материал, технологическая продукция

В высокотемпературных теплотехнологических установках используются следующие

источники энергии (см. разд. 7 кн. 2 настоящей серии):

топливо с воздушным окислителем (ТВ);

топливо с обогащенным кислородом воздухом (ТОВ);

топливо с технологическим кислородом (ТК);

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

неполного сжигания топлива);

электроэнергия, способы реализации которой могут быть различными, в том числе и через низкотемпературную плазму;

высокотемпературные теплоносители от атомных реакторов (в перспективе);

комбинированные источники энергии, к числу которых относятся совместное использование в печи источников ТВ и ТК; совместное использование ТВ (ТК) и электроэнергии (ЭЭ); совместное использование ТВ и ПГ и другие варианты сочетания источников энергии.

На рис. 2.6 приведены структурные схемы теплотехнологических реакторов (на примере топливных печей) с различными вариантами размещения источников энергии и схемами перемещения рабочих тел и теплоносителей. Применительно к топливным печам, как правило, зоны (камеры) основной технологической обработки в качестве преимущественного источника энергии имеют непосредственно топливо, зоны (камеры) предварительной тепловой обработки — дымовые газы от ОТО; зоны (камеры) дополнительной технологической обработки могут иметь различные источники энергии (ТВ, ЭЭ, ПГ, ТК).

ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Обобщенная структурная схема высокотемпературной теплотехнологической установки (ВТУ), показанная на рис. 2.7, используется при построении тепловых схем технологических установок (рис. 2.8).

Элементарная тепловая схема — это тепловая схема теплотехнологической установки с однокамерным однозонным реактором. Тепловые отходы здесь не используются (печн прямого нагрева, кузнечный горн, некоторые конвертеры). Установки с такой тепловой схемой характеризуются наиболее высоким уровнем удельного расхода топлива, т. е. предельно низким энергетическим совершенством.

Тепловые отходы установки с элементарной тепловой схемой складываются из теплоты отходящих газов, потока теплоты через ограждения технологической камеры, теплоты технологической продукции, когда температура его использования (после выдачи из камеры) IV меньше температуры продукта на выдаче Т™1, теплоты сопутствующих технологических продуктов и полуфабрикатов (П"< Г""1').

Различают регенеративное и внешнее использование тепловых отходов с соответствующими тепловыми схемами.

При давлении рабочего тела или теплоносителя, превышающем атмосферное, его отходы рассматриваются как энергетические.

Тепловые схемы, качественно отражающие совершенство общей организации использования теплоты источника энергии, характеризуются большим многообразием (рис. 2.9). На рис. 2.10 приведены тепловые схемы промышленных топливных печей с регенеративным теплоиспользованием. Последнее реализуется наилучшим образом только при малых значениях отношения потока теплоты Q0.d через ограждения технологических камер (в первую очередь камеры ОТО) к потоку теплоты, поглощаемой обрабатываемым материалом в этих камерах, QMi (т. е. Qo.ci/Q«i ->- О').

Схемы / — IV, характерные соответственно для вращающихся печей цементного производства, многозонных нагревательных методических печей, шахтных обжиговых печей и двухзонных нагревательных методических печей, обладают большими потенциальными возможностями организации глубокого регенеративного теплоиспользования и снижения видимого удельного расхода топлива на процесс.

Схемы V — VIII, характерные соответственно для газовых мартеновских печей и регенеративных нагревательных колодцев, некоторых шахтных плавильных печей, камерных и нагревательных печей, также располагают значительными возможностями глубокого регенеративного теплоиспользования.

Тепловые схемы ВТУ с внешним тепло-

э

(ПКГ)0.Г

к(з)

пт о

к(з)

ото

к(з)

ГД

К(3) ТРО

3 (пкг)м

3

(ПКГ)0 с

Рис. 2.7. Обобщенная структурная схема теплотехнологической установки:

(ПКГ) „ г — элементы для подогрева (включая и термическую обработку топлива) компонентов горенияна отходящих газах реактора (аппарата, камер рабочего пространства) теплотсхнологнческон установки;(ПКГ)м — элементы для подогрева компонентов горения иа отходах теплоты технологических продуктови полуфабрикатов; (ПКГ)ОС— элементы для подогрева компонентов горения потоками теплоты черезограждения; К(3) — камеры (зоны); Э элементы

Рис. 2.8. Примеры тепловых схем:/ — тепловая схема мартеновской печи без котла- утнлизатора; II— то же с котлом-утилнзатором; III— элементарная тепловая схема; ВЭ—водяной экономайзер; ИП — испарительная поверхность; IIП — пароперегреватель, перегретый пар; ХВ — холодный воздух (окислитель); О — окислитель топлива (воздух или воздух, обогащенный кислородом, кислород); ДГ — дымовые газы; УГ -- уходящие газы; ИМ — исходный материал (шихта); М — материал (после неполной обработки исходного материала); III -- технологический продукт (нлн полупродукт); ПВ— питательная вода; Т — топливоРис. 2.8. Примеры тепловых схем:/ — тепловая схема мартеновской печи без котла- утнлизатора; II— то же с котлом-утилнзатором; III— элементарная тепловая схема; ВЭ—водяной экономайзер; ИП — испарительная поверхность; IIП — пароперегреватель, перегретый пар; ХВ — холодный воздух (окислитель); О — окислитель топлива (воздух или воздух, обогащенный кислородом, кислород); ДГ — дымовые газы; УГ -- уходящие газы; ИМ — исходный материал (шихта); М — материал (после неполной обработки исходного материала); III -- технологический продукт (нлн полупродукт); ПВ— питательная вода; Т — топливоиспользованием (рис. 2.11) представляют интерес как один из путей экономии топлива. По отношению к ВТУ (например, печи) этот путь является косвенным, так как внешнее тепло- использование не изменяет видимого (регистрируемого приборами) расхода топлива в ВТУ, однако оно снижает расход топлива в других самостоятельных автономных установках, производящих ту же продукцию, что и дополнительная продукция ВТУ на внешнем теплоиспользовании. Эти самостоятельные установки называют замещаемыми, а экономию топлива — экономией топлива по замещаемой установке.

Рис. 2.8. Примеры тепловых схем:

/ — тепловая схема мартеновской печи без котла- утнлизатора; II— то же с котлом-утилнзатором; III— элементарная тепловая схема; ВЭ—водяной экономайзер; ИП — испарительная поверхность; IIП — пароперегреватель, перегретый пар; ХВ — холодный воздух (окислитель); О — окислитель топлива (воздух или воздух, обогащенный кислородом, кислород); ДГ — дымовые газы; УГ -- уходящие газы; ИМ — исходный материал (шихта); М — материал (после неполной обработки исходного материала); III -- технологический продукт (нлн полупродукт); ПВ— питательная вода; Т — топливо

Рис. 2.8. Примеры тепловых схем:

/ — тепловая схема мартеновской печи без котла- утнлизатора; II— то же с котлом-утилнзатором; III— элементарная тепловая схема; ВЭ—водяной экономайзер; ИП — испарительная поверхность; IIП — пароперегреватель, перегретый пар; ХВ — холодный воздух (окислитель); О — окислитель топлива (воздух или воздух, обогащенный кислородом, кислород); ДГ — дымовые газы; УГ -- уходящие газы; ИМ — исходный материал (шихта); М — материал (после неполной обработки исходного материала); III -- технологический продукт (нлн полупродукт); ПВ— питательная вода; Т — топливо

Схема / на рис. 2.11 соответствует варианту ВТУ с внешним энергетическим тепло- использованием, например печам с котлами- утилизаторами (КУ)- Характерным для подобных схем является следующее: установки внешнего энергетического теплоиспользовании (КУ) пристраиваются к дымовому тракту уже сформировавшихся в технологическом и конструктивном отношении установок, практически не изменяя их технологических характеристик; при наличии обводных дымоходов выход из строя КУ практически не отражается на надежности и длительности работы ВТУ; КУ, подключенные к дымовому тракту после элементов регенеративного теплоиспользования, обладают высокой металлоемкостью и произ-

Рис. 2.9. Классификация тепловых схем высокотемпературных теплотехнологических установок с топливным источником энергии

Рис. 2.10. Тепловые схемы высокотемпературных теплотехнологических установок без внешнего теплоиспользования при топливном источнике энергии:

XT — холодное топливо; ИМ + Т — исходный материал совместно с топливом; М + Т — материал совместно с топливом (остальные обозначения те же, что и на рис. 2.8)

Рис. 2.11. Тепловые схемы ВТУ с внешним теплоиспользованием при топливном источнике энергии (обозначения те же, что и на рис. 2.8)

водством пара относительно низких параметров [28]. Выработку энергетической продукции в ВТУ с рассматриваемыми тепловыми схемами можно считать бестопливной, т. е. производящейся без дополнительного расходования топлива (кроме случаев, когда выработка пара в КУ снижает отборы пара в турбинах ТЭЦ); при жестком графике потребления теплоты (пара, горячей воды) ориентация на КУ вызывает повышенную потребность в резерве их производительности.

Схема //, предусматривающая при внешнем энергетическом теплоиспользовании включение элементов пароводяного тракта КУ в рассечку между высокотемпературной зоной ВТУ и подогревателями компонентов горения, имеет некоторые преимущества перед схемой / (меньше металлоемкость КУ при относительном росте выработки пара повышенных параметров, возможность улучшения эксплуатационных условий работы подогревателей компонентов горения и более глубокого использования отходов теплоты ВТУ). Однако органичная связь технологических и теплотехнических элементов ВТУ с установкой внешнего энергетического теплоиспользования конструктивно в едином агрегате повышает вероятность вы-

нужденных остановов ВТУ и перерывов в выдаче как технологической, так и энергетической продукции, практически исключает возможность регулирования производительности пара и ограничивает возможности регулирования его параметров. При жестком и резко переменном графике потребности в теплоте эта схема не исключает необходимости в автономных котельных.

Схема /// с параллельным (вместо последовательного) включением установок регенеративного и внешнего теплоиспользования в тракт дымового газа, выходящего из высокотемпературных технологических зон ВТУ, снижает частоту простоев ВТУ, однако по глубине внешнего использования тепловых отходов принципиальные возможности схемы /// ниже возможностей схемы //, определяемых в ней хвостовым включением подогревателей компонентов горения (ПКГ).

Схема IV в значительной мере отражает тепловую схему доменной печи, отходящие горючие газы которой (доменные газы) используют как для собственных нужд нагрева и сжатия дутья, так и для внешних технологических (отопление других печей) и для внешних энергетических (сжигание в топках промышленных ТЭЦ) целей.

Схема V относится к проектным разработкам новых ВТУ. Для схем IV и V характерны следующие особенности: повышенный температурный уровень дымовых газов перед установками как внешнего, так и регенеративного теплоиспользования; возможность независимой работы как ВТУ, так и установок внешнего теплоиспользования, располагающих собственными топливными источниками энергии; возможность независимого регулирования паропроизводительности и параметров пара энергетической установки; резерв по паропроизводительности, а также длительность эксплуатационного периода таких котлов могут находиться на уровне типовых котлов промышленных ТЭЦ и котельных.

Тепловые схемы на рис. 2.11 отражают варианты не только внешнего энергетического, но и внешнего технологического теплоиспользования, когда в элементах и установках внешнего теплоиспользования вырабатывается не энергетическая, а технологическая (отличная в общем случае от вырабатываемой в ВТУ) продукция.

Достижение наиболее высокой эффективности теплотехнологических установок с внешним теплоиспользованием связано с необходимостью, во-первых, реализации особо низких значений отношения Qo.ti/Q», и, во-вторых, как можно более глубокого регенеративного теплоиспользования.

В случае электрического источника энергии и при отсутствии выделения технологических газов на тепловых схемах указываются расположение источника энергии и направление перемещения рабочего тела по зонам или камерам реактора теплотехнологической установки.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ И СХЕМЫ КАМЕРОСНОВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙОБРАБОТКИ

В ВТУ с газовым теплоносителем наиболее широко используются следующие теплотехнические принципы:

плотного фильтруемого слоя (тепловая обработка свободной засыпки дробленых материалов, мелких изделий и других тел);

кипящего слоя (тепловая обработка зернистых или грубо измельченных материалов в условиях газового псевдоожижения);

взвешенного слоя (тепловая обработка измельченных материалов в условиях газо- взвеси);

пересыпающегося слоя (тепловая обработка сыпучего материала, перемещаемого различными способами);

уложенных загрузок (тепловая обработка укладки изделий или полуфабрикатов);

излучающего факела или излучающего газового потока;

поверхностного излучателя;

погруженного факела (тепловая обработка материала в ванне расплава, продуваемой газовым теплоносителем);

комбинированный (тепловая обработка материалов в условиях последовательного применения двух или нескольких теплотехнических способов).

В соответствии с этими принципами выделяют 9 типов ВТУ с газовым теплоносителем, имеющим аналогичное название (например, установка с кипящим слоем, установка с погруженным факелом и т. д.).

Применение комбинированных теплотехнических принципов является характерной особенностью многих новых и радикально модернизируемых действующих теплотехнологических установок.

По способу электрического нагрева выделяют следующие типы теплотехнологических установок с электрическим источником энергии (см. разд. 4 кн. 4 настоящей серии):

косвенного нагрева (например, печи сопротивления);

прямого (контактного) нагрева;

индукционного нагрева; электродугового нагрева; электронно-лучевого нагрева; плазменного нагрева.

На рис. 2.12 приведены схемы камер ОТО ВТУ применительно к некоторым теплотехническим принципам организации технологического процесса, а также значения (ориентировочные) важных характеристик теплотехнических принципов и конструктивных схем соответствующих камер ОТО.

Фактор Ко, выражающий отношение свободного, не занятого обрабатываемым материалом объема камеры ОТО к объему, занятому материалом, характеризует степень полезного использования объема технологической камеры, относительное развитие ее поверхности ограждения. Фактор пг характеризует пороз- ность в зоне, занятой обрабатываемым материалом. Фактор К8 выражает отношение фактической массы обрабатываемого материала, одновременно находящегося в технологической камере, к теоретической массе этого материала, определяемой исходя из строго одинаковых условий обработки однородных частиц (элементов) материала.

Рис. 2.12. Схемы некоторых камер ОТО высокотемпературных теплотехнологических установок: К, „, Те, — соответственно объем камеры, занятый материалом и свободный от него; М, П, Г — соответственно материал, продукт, газовый теплоноситель; цт, р„ — соответственно концентрация материала и его плотность; D, d, Н, 6 — соответственно диаметры камеры и цилиндрической заготовки, высота камеры, толщина плитыРис. 2.12. Схемы некоторых камер ОТО высокотемпературных теплотехнологических установок: К, „, Те, — соответственно объем камеры, занятый материалом и свободный от него; М, П, Г — соответственно материал, продукт, газовый теплоноситель; цт, р„ — соответственно концентрация материала и его плотность; D, d, Н, 6 — соответственно диаметры камеры и цилиндрической заготовки, высота камеры, толщина плитыМЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫРЕАЛИЗАЦИИЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХУСТАНОВОК

Рис. 2.12. Схемы некоторых камер ОТО высокотемпературных теплотехнологических установок: К, „, Те, — соответственно объем камеры, занятый материалом и свободный от него; М, П, Г — соответственно материал, продукт, газовый теплоноситель; цт, р„ — соответственно концентрация материала и его плотность; D, d, Н, 6 — соответственно диаметры камеры и цилиндрической заготовки, высота камеры, толщина плиты

Рис. 2.12. Схемы некоторых камер ОТО высокотемпературных теплотехнологических установок: К, „, Те, — соответственно объем камеры, занятый материалом и свободный от него; М, П, Г — соответственно материал, продукт, газовый теплоноситель; цт, р„ — соответственно концентрация материала и его плотность; D, d, Н, 6 — соответственно диаметры камеры и цилиндрической заготовки, высота камеры, толщина плиты

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ И КАЧЕСТВОЭНЕРГОИСПОЛЬЗОВАНИЯВ ПРОМЫШЛЕННОЙТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ

Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов страны (табл. 2.1). Вместе с тем теплотехнологические установки этих систем характеризуются низким коэффициентом полезного топ- ливоиспользования (часто не превышающим 15—35 %).

Основными причинами низкого качества энергоиспользования в теплотехнологических системах являются:

высокая энергоемкость технологий, что определяется во многих случаях многоопера- ционностью технологий с большим числом прямых и длительных контактов полупродуктов с окружающей средой, потерями теплоты в окружающую среду технологическими продуктами, глубокой предварительной механиче

ской обработкой сырьевых материалов и значительных товарно неиспользуемых технологических отходов;

несовершенство тепловых схем и применение малоэффективных теплотехнических принципов и источников энергии;

низкий уровень тепловой герметичности ограждения технологических камер;

Таблица 2.1. Ориентировочное относительное топливопотребление в некоторых производствах, основанных на высокотемпературной теплотехнологии

Продукт производства

Потребление топлива (% от расходуемого на производство электроэнергии)

Электроэнергия

100,0

Чугун

30,0—35,0

Нефтепереработка

9,5

Цемент

8,5

Прокат, стальные трубы,

7,5

поковки, штамповка

Мартеновская сталь

5,0

Красный кирпич, шамот-

3,5

ные и другие изделия

Цветные металлы

3,5

Оконное стекло

0,5

отсутствие, как правило, органической увязки технологического, энергетического, эксплуатационного аспектов теплотехнологических систем с задачами охраны окружающей среды.

ТРЕБОВАНИЯ

К ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМУСТАНОВКАМ

Совокупность общих современных требований может быть сформулирована на базе важнейших технологических, эксплуатационных, экономических, экологических и научнотехнических проблем.

Высокая устойчивость новых теплотехнологических установок от быстрого морального старения обеспечивается:

возможностью реализации перспективной производительности в сочетании с высокой удельной производительностью;

возможностью реализации в данной установке или системе большого числа технологических процессов;

возможностью оптимизации теплотехнологических принципов работы отдельных зон (камер) установок (систем).

Требования, удовлетворение которых формирует соответствующий технологический комфорт в установках и системах, включают:

возможность достижения высокого уровня температур процесса и обеспечение широкого диапазона их регулирования;

возможность достижения высокой термической, физической и химической однородности готового продукта и наличие средств управления процессами, определяющими эти виды однородности;

возможность обеспечения высокой степени удержания в готовом продукте заданных компонентов исходных материалов, полуфабрикатов, шихт.

Основные требования, удовлетворение которых формирует соответствующий эксплуатационный комфорт обслуживания теплотехнологических установок и систем, включают:

непрерывность технологического процесса, что открывает путь к наиболее совершенным схемам комплексной автоматизации и механизации, к прогрессивным схемам управления и созданию крупнотоннажных поточных линий производства;

наличие относительно небольшой массы обрабатываемого материала, одновременно находящегося в рабочей камере теплотехнологической установки, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность ее к изменениям определяющих параметров, снизить дли

тельность пусковых и остановочных периодов и уменьшить расход материалов на «промывку» технологических зон установки, системы;

органическое сочетание технологических зон (камер) установки без технически и теплотехнически сложных транспортных переходов между ними, а также органическое сочетание технологических зон и теплотехно- логическнх элементов, что в итоге приводит не только к компактности установок и систем, но и к повышению надежности их работы;

высокую герметичность технологических камер и теплотехнических элементов технологической установки.

Основные требования, реализация которых способствует достижению высоких энергоэкономических показателей теплотехнологических установок и малых общих издержек производства и природы, включают:

возможность эффективной переработки исходных материалов, полуфабрикатов шихт при минимальной предварительной их подготовке, что во многих случаях существенно снижает их потери, загрязнение территории, затраты на подготовительные операции;

наиболее низкие потери технологического сырья и продуктов в рабочих зонах установок и систем;

длительную и непрерывную рабочую кампанию технологических установок и систем;

высокую тепловую герметичность ограждения, особенно высокотемпературных технологических камер и зон;

возможность организации глубокого регенеративного использования тепловых отходов технологических зон (камер) установок для обеспечения наиболее низкого уровня видимого расхода топлива и возможность организации в необходимых случаях глубокого внешнего теплоиспользования, которым реализуются дополнительные косвенные пути снижения расхода топлива (энергии).

Конкретный алгоритм общей методологии поиска путей достижения высоких энергоэкономических показателей ВТУ, получившей название метода предельного энергосбережения [16], иллюстрируется рис. 2.13.

При постановке практических задач глубокой энергетической модернизации действующих теплотехнологических установок эффективные направления ее реализации выявляются из анализа отношения Q0.c/Qm (табл. 2.2).

Хотя наибольшими здесь являются потери теплоты с отходящими газами (70 %), однако даже полное их регенеративное использование (например, посредством предварительного нагрева материалов и нагрева компонентов горения) может оказаться при Qo.c/Qm5>0 совер-

Рис. 2.13. Конкретный алгоритм системного подхода к решению задач предельного энергосбережения в теплотехнологии

Таблица 2.2. Пример расчетного изменения КПД и экономии топлива в нагревательной печи при снижении отношения Q0.c/Qm и применении регенерации теплоты Q0.r

Параметр, %

Вариант

1

2

3

4

5

6

Теплопоглощение материала QM

30

25

20

15

10

5

Поток теплоты через ограждения Qoc

0

5

10

15

20

25

Поток теплоты с отходящими газами Qo г

70

70

70

70

70

70

Сумма расходов теплоты

100

100

100

100

100

100

Отношение Qoc/Qm

0

0,2

0,5

1

2,0

5

КПД нагревательной печи

30

25

20

15

10

5

Экономия топлива при полной регенерации теплоты

70

70

70

70

70

70

Qor (при неизменном значении Qoc) Прн этом КПД печи

100

83,3

66,5

50

33,3

16,6

Экономия топлива при снижении Qo c/Qm до нуля (реге-

0,0

16,6

33,3

50

66,6

83,3

нерация теплоты Qor отсутствует) При этом КПД печи

30

30

30

30

30

30

Экономия топлива при полной регенерации теплоты

70

75

80

85

90

95

Qor и при снижении Qoc/Qm до нуля При этом КПД печи

100

100

100

100

100

100

шенно недостаточным средством наиболее высокой экономии топлива и подъема КПД. Снижение QOc/Q» в этом случае может дать результат по экономии топлива, соизмеримый с результатом от весьма глубокой регенерации Qo.r или равный ему. Наивысший результат по экономии топлива и подъему КПД может иметь место только при одновременном глубоком снижении Qoc/Qm и наиболее полной регенерации Qo.r. Поэтому разработку и освоение методов и технических решений, обеспечивающих радикальное снижение относительного потока теплоты через ограждения технологических камер, следует включить в разряд проблемных задач энергетики теплотехнологии.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИСОВЕРШЕНСТВА

ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХУСТАНОВОК

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИОЦЕНКИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ УСТАНОВОК

ПРИ РЕГЕНЕРАТИВНОМТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИИ

Для оценки энергетического совершенства тепловых схем высокотемпературных теплотехнологических установок с регенеративным теплоиспользованием можно воспользоваться при топливно-воздушном источнике энергии критериями

. О.0. о.

Од On Or Op

(21)

6А °Б "В "Г

Эти критерии характеризуют соотношения между теоретическим и фактическим расходом топлива на технологические процессы с температурными и тепловыми графиками соответственно групп А — Г (см. рис. 2.4).

Теоретический расход топлива (6д, 6g, 6g, 6®) — это принципиально достижимый минимальный расход топлива на технологический процесс с соответствующими температурным и тепловым графиками, расчетно определяемый в условиях термодинамически идеальной теплотехнологической установки.

■ Применительно к технологическим процессам с температурными и тепловыми графиками подгруппы 1а групп А — Г (см. рис. 2.4) значения 6®, 6g, 6g и 6° определяются из выражений

/^максХг/ макс \ г

,0 к^Т.П М\'Т.П М

Од '

PQK QS

при т™^г;°

о «Рб-^-^0).

'Б QS ’

при гпми>7Т

О (ОН*^).

’Б QS ’

»т.п

Ув QS ’

при Гми<гг

о (СТ"М°)) —,

при Р>Т"0

J^P'-A")

Здесь (<7”®кс)' — максимальное удельное теплопоглощение вещества в технологическом процессе при подъеме температуры до Г”акс, обеспечиваемое внешним источником энергии в условиях предельно возможного регенеративного использования теплоты технологических газовыделений; И», Н« — соответственно удельные энтальпии технологического продукта при Тмакс и Т™; 6м° — удельная энтальпия технологического продукта после его охлаждения в условиях предельного регенеративного теплоиспользования; Q8 — теплота сгорания топлива (см. разд. 2 кн. 3 настоящей серии).

Приведенные выражения для 6д, 6g, 6g и 6° при замкнутом регенеративном использовании отходящих газов справедливы для широкого круга технологических процессов, температурные и тепловые графики которых могут отличаться от подгруппы 1а.

Для сложных технологических процессов и при конкретных разработках целесообразно 6°определять непосредственно на основе материальных и тепловых балансов идеальной теплотехнологической установки (<— индексы А, Б, В или Г).

Значения 6? могут рассматриваться как эталон высокой тепловой экономичности теплотехнологических установок, к которому можно в той или иной мере приблизиться при

организации глубокого регенеративного теп- лоиспользования.

Соотношение b?/bi численно равно топливному КПД теплотехнологического процесса [15].

Фактический расход топлива в высокотемпературных теплотехнологических установках 6, во много раз превышает теоретические значения Ь° если имеют место высокое значение отношения Q0.ci/Q«i, низкий уровень регенеративного теплоиспользования, отступление от теоретического противотока теплоносителя и рабочего тела, сравнительно низкая интенсивность процессов тепло- и массообмена.

При топливно-кислородном источнике энергии критерии (2.1) имеют вид

lOklOklOk«_0к

° AI .°Б£ .

lK *lK ’lK *£,K

°AI°Б£°Г1

Здесь b°£ и b^ (< - индексы А, Б, В, Г): b^ = b°K + M®K;

b^bf + ^f,где Ь?к, bi — соответственно расходы топливав идеальной и в реальной теплотехнологиче-ских установках с топливно-кислороднымисточником энергии; Аб? к, Аб? — расходы топ-лива, связанные с производством израсходо-ванного в идеальной и реальной установкахкислорода; значение Аб? (аналогично и ДЬ°к)определяется из выражения'

QVTдб^х^7-—•Qp

где ик — удельный (на единицу технологической продукции) расход кислорода; вэ — удельный расход электроэнергии на производство кислорода; bV — удельный расход условного топлива на производство электроэнергии.

В общем случае при комбинировании топ- ливпо-кислородного и электрического источника энергии используются критерии

l0k.3lOk.3l0k.9lOk.3

lK.3 *1.К.Э ’LK.3’lK.3'

*AS*Бэ6Вэ6Гэ

где

6°.КЭ = 6°К + Д6°К + Д6°ЭИ;

б^^б^ + Дб^ + Дб®".

Значение Д6Э *1 (аналогично и А6° ’■ ",) определяется из выражения

Чэи=^,„ьэут^

где е, и - удельный (на единицу технологической продукции) расход электроэнергии, используемой в качестве источника теплоты.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИОЦЕНКИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ УСТАНОВОКПРИ ВНЕШНЕМТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИИ

Критерии энергетического совершенства тепловых схем высокотемпературных теплотехнологических установок с внешним тепло- использованием при топливно-воздушном источнике энергии имеют вид

. о пр Ао пр

»АР ’ Ь^ ’

5°пр б"'1'b'g’ ’ ь^

(2.2)(2.2)Они характеризуют соотношения между теоретическим и фактическим приведенным расходом топлива на технологические процессы с температурными и тепловыми графиками соответственно групп А — Г (см. рис. 2.4).

(2.2)

(2.2)

Приведенный расход топлива определяется как разница между видимым расходом топлива на технологический процесс В и экономией топлива от внешнего теплоиспользования ДВЭК:

Впр = В-ДВэк. ■

Величина ДВЗК определяется из выражения

А5ЭКА5ЭКQT отт1т' от ^ВН >испQT отт1т' от ^ВН >испСХамСХамгде QgH0T — тепловые отходы, которые могут быть использованы для выработки дополнительно внешней (отличающейся от вырабатываемой установкой) технологической или энергетической продукции; 7^7 — коэффициент полезного использования тепловых отходов QgH0T; Лзам — топливный КПД выработки внешней энергетической или технологической продукции в замещаемых установках или агрегатах.

А5ЭК

А5ЭК

QT отт1т' от ^ВН >исп

QT отт1т' от ^ВН >исп

СХам

СХам

При выработке на тепловых отходах одновременно нескольких видов внешней продукции выражение для экономии топлива примет вид

Л5эк=> —■

^н^зам/

Удельный приведенный расход топлива, отнесенный к единице основной технологической продукции, характеризует результативные затраты топлива на заданный технологический процесс при организации внешнего теплоиспользован ия.

Для идеальной теплотехнологической установки с внешним теплоиспользованием, если принять идеальными и заметаемые установки (агрегаты), значения удельного приведенного расхода топлива применительно к технологическим процессам с температурными и тепловыми графиками подгруппы 1а определяется из выражений

A"MAanKC)A/Q„p;

бГ=(9тмТ)в/<2р;

Эти выражения справедливы для широкого круга технологических процессов. Но при конкретных разработках значения 6°пр целесообразно определять непосредственно на основе материальных и тепловых балансов идеальной установки.

При использовании топливно-кислородного или комбинированного (с электрическим) источника энергии приведенный расход топлива должен определяться с учетом первичных расходов топлива на производство кислорода и электроэнергии.

Оценка энергетического совершенства высокотемпературных теплотехпологических установок с внешним теплоиспользованием отличается от оценки энергетического совершенства тепловых схем дополнительным учетом затрат энергии на собственные нужды в реальной установке.

В отличие от соотношений b°i/bi при регенеративном теплоиспользовании отношения ^пр/6"р могут быть не только меньше, но и больше единицы. Последнее может иметь место при ЛисгГ/Лзам > ^ что характерно в случае внешнего технологического теялоис- пользования в реальных условиях.

Для сравнительной оценки энергетической эффективности тепловых схем технологических установок с внешним технологическим и внешним энергетическим теплоиспользованием применяется критерий

№^Ml^i,o. (2.3)

(^“Д (ПзамК

Здесь индексы «т» и «э» относятся соответственно к вариантам с внешним технологическим и внешним энергетическим тепло- использованием.

При соотношении (2.3), большем единицы, вариант с внешним технологическим теплоиспользованием энергетически эффективнее (обеспечивает больший уровень экономии топлива) варианта с внешним энергетическим теплоиспользованием.

Оценка энергетической эффективности тепловых схем тенлотехнологических установок с пристроенными элементами установок внешнего теплоиспользовапия (с теплоутилизационными установками) проводится по соотношению

snp _ ] А■Пт. п \В \/snp _ ] А■Пт. п \В \/^зам^т^зам^тгде 5лр, В— среднечасовые приведенный и видимый расходы топлива в теплотехнологической установке; тТ1 тпэ —числа часов работы в году соответственно технологической установки и пристроенных элементов установки внешнего теплоиспользовании; тр п =Q“. „/ (BQS) — топливный КПД теплотехнологиче ской установки при выработке основной техно логической продукции; t]s=(Q" „ + Q" ,,)/ (BQK) —топливный КПД теплотехнологиче- скойустановкис внешним теплоиспользованием при учете основной и дополнительной продукции; Q"„, Q".„ — теоретически необходимые затраты теплоты на технологический процесс (теплопотребление технологического процесса) при выработке соответственно основной и дополнительной технологической продукции.

snp _ ] А■Пт. п \

В \/

snp _ ] А■Пт. п \

В \/

^зам^т

^зам^т

Для теплотехнологических процессов с температурными и тепловыми графиками групп А и В Q" п=№анГ)' и Q“. „ = =«?mz-

Для процессов с температурными и тепловыми графиками групп Б и Г

QVu^Q^'-^-^p.

где Р - производительность установки.

В качестве сравнительного критерия оценки энергетической эффективности тепловых схем технологических установок с органически встроенными элементами установок внешнего теплоиснользования, а также агрегатов комбинированного назначения служит соотношение (при тв,,=#т?„#=тзам; топливновоздушный источник энергии)

। । ^0 ам60 “о ам^т। । ^0 ам60 “о ам^тKfKf

। । ^0 ам

60 “о ам^т

। । ^0 ам

60 “о ам^т

Kf

Kf

где твэ, т£ „ — числа часов работы в году соответственно технологической установки со встроенными элементами и технологической установки с регенеративным теплоиспользова- нием в случае раздельной выработки основной и дополнительной продукции; (Ввэ)г, (В^), — соответственно годовой видимый расход топлива в установке со встроенными элементами (а также в агрегате комбинированного назначения) и годовой суммарный расход топлива в раздельном варианте выработки основной и дополнительной продукции; т]2 — топливный КПД технологической установки со встроенными элементами внешнего теплоис- пользования при учете основной и дополнительной продукции; т]Р п — топливный КПД технологической установки выработки основной технологической продукции в раздельном варианте.

При (Bs.s)r/(Bj)r< 1,0 тепловая схема установки со встроенными элементами внешнего замыкающего теплоиспользования (а также агрегата комбинированного назначения) энергетически (по топливу) более совершенна, чем тепловая схема варианта раздельной выработки основной и дополнительной продукции.

При тв. э=т?. л = т3ам критерием оценки энергетической эффективности тепловых схем установок со встроенными элементами внешнего теплоиспользования (в сопоставлении с вариантом раздельной выработки) является соотношение

где г]?: „ —топливный КПД установки со встроенными элементами внешнего теплоиспользования при учете выработки только одной основной продукции.

При значении т]р „/ч^, меньшем правой части приведенного соотношения, тепловая схема установки со встроенными элементами внешнего теплоиспользования энергетически эффективнее варианта раздельной выработки основной и дополнительной продукции.

Для сравнительной оценки энергетической эффективности тепловых схем технологи

ческих установок смежно связанного и раздельного вариантов выработки основной и смежной продукции используется соотношение

5^

вр

О" прпр

' СМ I„смУ.т.от 'т.п

Чт. п/Чт. n+V Чт.„)Чтр

'Т. П Нс, п *'т. п l+Qe„4?.n/(Q"n<„)

Это уравнение справедливо при следующем ограничении:

Здесь обозначено: В^1 — суммарный расход топлива в варианте смежно связанных установок; т]™п, т]™п — топливные КПД выработки соответственно основной технологической и смежной продукции в варианте смежно связанных установок; Чс п—топливный КПД выработки смежной продукции в установке раздельного варианта.

При использовании топливно-кислородного источника энергии полученные соотношения (йв.э) г/(й^)г и В2 / В^ должны быть скорректированы на основе учета первичного расхода топлива на производство кислорода.

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЕИ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИОЦЕНКИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

Энергоэкономический критерий вариантной оценки эффективности тепловых схем технологических установок с регенеративным теп- лоиспользованием в наиболее общем виде приведен в [16]. Когда т, = т0, S**y = S“y, Е* = Ео, этот критерий имеет вид

и/р\"Оэ. ииз/ |ei Э. И\и/р\"Оэ. ииз/ |ei Э. И\"о к^п / птЦк \"о к^п / птЦк \(2.4)(2.4)

и/р\

"Оэ. ииз/ |ei Э. И\

и/р\

"Оэ. ииз/ |ei Э. И\

"о к^п / птЦк \

"о к^п / птЦк \

(2.4)

(2.4)

^т^э\еО 3. и/

где 6о, bi — удельные расходы натурального топлива соответственно заменяемого и заменяющего вариантов; т0, т,- — удельные расходы сырья на единицу технологической продукции; S*‘y, S,”y — удельные эксплуатационные затраты, определяемые за вычетом затрат на топливо, электроэнергию, сырье, кислород, амортизацию и текущий ремонт; Кд, К^ — удельные капитальные затраты соответственно заменяемого и заменяющего вариан

те э. и ^э

цена; по» „ = —-—:отношение электро-

6о^т

энергетической составляющей себестоимости технологической продукции к топливной; во 3. «, ei з. „ — удельные расходы электроэнергии, используемой в качестве источника ТеПЛО- ^О

ты; и» к=—;——отношение кислородной

^О^т

составляющей себестоимости технологической продукции к топливной; Оок, и™ — удельные (на единицу технологической продукции) расходы кислорода, Сп — удельные приведенные (расчетные) затраты на производство и транспорт кислорода; Ц, — цена потребляемого кислорода. При удовлетворении неравенства (2.4) заменяющий вариант является предпочтительным.

Экономические границы эффективных тепловых схем технологических установок с пристроенными элементами внешнего тепло- использования определяют из соотношения

тов; f^fo + ao ам + ао т.р и £,'= £, + а,-ам + + а<т.р— суммарные коэффициенты соответственно при Кд и Кр Е — нормативный коэффициент эффективности; а0 ам, а; ам — амортизационные отчисления в долях капитальных затрат Кд и Кр «от.р, а;т.р — расходы на текущий ремонт в долях Кд и Кр, пОам = ^“о ам.

= —-g-цотношение амортизационной

составляющей себестоимости технологической продукции к топливной составляющей; Цт — цена натурального топлива; nT = CpTQa/ /UTQy т = Срт/Црт — соотношение между замыкающими затратами на топливо и его ценой; QJ, Qy.T — теплоты сгорания натураль- е0 эс^э ного и условного топлива; п0,.,=—-—-— *о^т

— отношение электроэнергетической составляющей себестоимости технологической продукции к топливной составляющей себестоимости; ео э.с, е, э.с — удельные расходы электроэнергии, используемой для привода вентиляторов, дымососов и др.; С^, Ц, — замыкающие затраты на потребляемую электроэнергию и ее

где Крн — удельные капитальные затраты в заменяющем варианте (теплотехнологическая установка с пристроенными элементами внешнего теплоиспользования) на выработку дополнительной продукции при номинальной годовой производительности пристроенных элементов; Кда— удельные капитальные затраты в заменяемом варианте (теплотехнологическая установка без внешнего теплоиспользования при выработке дополнительной продукции в отдельной установке) на производство дополнительной продукции; n*gs = S^a/(b^UpT^ — отношение бестоплив- ной составляющей себестоимости дополнительной продукции к ее топливной составляющей для заменяемого варианта; ЩЛ = Ц^)Л/ /Q5 — цена единицы условного топлива; по ам = КУдйадам/ЬраЦрт— отношение амортизационной составляющей себестоимости дополнительной продукции к ее топливной составляющей для заменяемого варианта; S^1 — себестоимость дополнительной продукции в заменяющем варианте при номинальной годовой производительности пристроенных элементов установки внешнего теплоиспользова-

ния; 5цУд — бестопливная (без учета затрат на топливо) составляющая себестоимости дополнительной продукции в заменяемом варианте; тт — число часов работы технологической установки, имеющей пристроенные элементы внешнего теплоиспользования; т„ э число часов работы в году пристроенных элементов внешнего теплоиспользования в расчете на номинальную производительность; ЛЬТТ — возможный дополнительный расход топлива, связанный с выработкой дополнительной продукции в пристроенных элементах установок внешнего теплоиспользования (например, перерасход топлива на ТЭЦ при замещении отборного пара турбин паром от установок внешнего теплоиспользования).

При значениях ^д"/^од> удовлетворяющих (2.5), теплотехнологические установки с пристроенными элементами внешнего теплоиспользования являются экономически целесообразными.

Энергоэкономические критерии оценки эффективности тепловых схем технологических установок с органически встроенными элементами внешнего теплоиспользования (и агрегатов комбинированного назначения), а также установок, смежно связанных с другими автономными установками, приведены в [15].

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И КРИТЕРИИ

ОЦЕНКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРЕДПОСЫЛКИ ЭФФЕКТИВНОГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТОПЛИВНО-КИСЛОРОДНОГОИ ТОПЛИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГОИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

К числу прогрессивных в настоящее время источников энергии теплотехнологии относят топливно-кислородный, а также комбинированный топливно-электрический и электрический (в разных формах реализации).

Топливно-кислородный источник энергии обладает широкими возможностями резкого снижения удельного (на единицу технологической продукции) выхода продуктов сгорания топлива, одновременно открывая практические возможности и для снижения расхода топлива в теплотехнологии, снижения выноса технологических материалов и загрязненности окружающей среды, снижения общих строительных габаритов и во многих случаях — упрощения конструктивных схем теплотехно

логических установок, существенного повышения их удельной производительности и единичной мощности, существенного снижения затрат на извлечение полезных компонентов из газовой фазы. Одной из предпосылок реализации этих возможностей является обеспечение наиболее высокого темпа снижения удельного расхода топлива при переходе от топливновоздушного к топливно-кислородному источнику энергии, достигаемого:

в условиях высокого температурного уровня технологического процесса и относительно низкого уровня регенеративного тепло- использования при топливно-воздушном источнике энергии;

при реализации теплотехнологических систем большой единичной мощности;

при наличии в условиях топливновоздушного источника энергии высоких значений Qo. c/Qm с одновременным обеспечением резкого снижения этой величины при переходе к топливно-кислородному источнику энергии;

при организации глубокого регенеративного теплоиспользования.

Топливно-электрический источник энергии обладает широкими техническими и экономическими возможностями для повышения качества технологической продукции в топливоэнергоемких производствах, если исходить из положения, что начальные наиболее теплоемкие стадии технологического процесса реализуются на топливно-воздушном или топливно-кислородном источнике энергии, а заключительные («чистовые», рафинировочные) и обычно наименее теплоемкие технологические стадии могут проводиться на высококачественном источнике энергии -- электрическом.

Важнейшим условием эффективного использования комбинированного топливноэлектрического источника энергии в высокотемпературных теплотехнологических установках кроме повышения качества технологической продукции является, как и при использовании топливно-кислородного источника энергии, существенное снижение удельного расхода органического топлива.

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЕКРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ТОПЛИВНО-КИСЛОРОДНОГОИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

Экономический критерий (обобщенная разность приведенных затрат Л3) оценки эффективности перехода в теплотехнологической установке с регенеративным теплоиспользова- нием от топливно-воздушного источника энергии или от топливного с окислителем — воз-

духом, обогащенным кислородом (заменяемый вариант), к топливно-кислородному (заменяющий вариант) в общем виде изложен в [15].

При Дэ>0 предпочтительным является топливно-кислородный источник энергии.

При топливно-воздушном источнике энергии в заменяемом варианте и для случая, когда можно принять m;«mo, e».c~eo3.c, Е*« «Е$, т, = то (одинаковая длительность рабочей кампании) и S‘‘y «S‘*y, энергоэкономический критерий имеет вид

"0ам£5 /СЛ

1U а М U 11I 1

^“Оам \^ /

cros

(2.6) где о® к — удельный (на единицу топлива) расход кислорода в заменяющем варианте с учетом коэффициента расхода а.

Переход от топливно-воздушного к топливно-кислородному источнику энергии в новых установках без внешнего теплоиспользо- вания может привести к условию К-Г<Кц. Тогда при т, — то соотношение (2.6) примет простой вид:

ь£ут1

——<!.(2.7)

Этот энергоэкономический критерий может быть использован для начальной оценки условий эффективного использования кислорода в установках без внешнего теплоисполь- зования. Так, например, при С* = 0,б4- 1,4 коп/м3 и СГТ = 2 коп/кг при использовании природного газа экономичный переход от воздуха (окислителя) к кислороду в теплотехнологической установке без внешнего теп- лоиспользования требует, чтобы соотношение удельных расходов топлива в этих вариантах примерно удовлетворяло условию bi/bo< <0,454-0,65.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕИ ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИЭЛЕКТРИЧЕСКОГОИ ТОПЛИВНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГОИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Экономический критерий оценки эффективности перехода от топливно-воздушного

и топливно-кислородного источника энергии к электрическому в теплотехнологической установке без внешнего теплоиспользования при m,~m0, е,-э.се0 э.с, S,"y«S',*y, т,~т0, ео э. и = 0, о,к = 0, 6, = 0 имеет вид

п , , ит. к О^п^у. т ez э. и^з^у. т ,

"оам^О

/ к^еА

П а0 ( 1);(2.8)

т иам Iу 1\/

здесь е1э и — удельный (на единицу технологической продукции) расход электроэнергии в заменяющем варианте, кДж/кг.

При топливно-воздушном источнике энергии заменяемого (исходного) варианта принимается от к = 0.■

При П,>0 предпочтительным является вариант с электрическим источником энергии. В этом случае соотношение капитальных затрат в вариантах должно удовлетворять условию

К^Е?

< 1 -|-

К^Е*

I ит. к О^п^у. т е|'э. и^з^у. т

C3yTQHp doq TQP

+-—-—™—-——■ (2 9>

"Оан^О

^“о ам

Соотношение е1з И/Ьо можно представить в следующем виде:

где Qo с0, Qo с( — потоки теплоты через ограждения технологических камер (ОТО, ТД) установок соответственно с топливным и электрическим источником энергии; т]?— КПД электрооборудования вне технологической камеры;

л;=1+^_^

различных значениях По ам£о//7тао амразличных значениях По ам£о//7тао амНа рис. 2.14 приведена зависимость (2.9) при 0 = 0,65 коп/м3, 0=1,2 коп/(кВт*ч) = = 3,3*10-4 коп/кДж, Сут = 2,2 коп/кг (топливо—природный газ) в условиях равной экономичности заменяемого и заменяющего вариантов. Электрический источник энергии теплотехнологических установок может конку- рироватьстопливно-кислороднымприПо с<С 1, если принять более высокими капиталовложения в установки с электрическим источником энергии (рис. 2.14). Качественно этот вывод справедлив и для топливно-воздушного источника энергии.

различных значениях По ам£о//7тао ам

различных значениях По ам£о//7тао ам

Экономический критерий оценки эффективности перехода от топливно-воздушного или топливно-кислородного источника энергии к комбинированному топливно-электрическому в теплотехнологической установке без внешнего теплоиспользования при m,~m0, с1Э с~ «ео а. с, S**y«So*y; т/ = т0, /о э. и = 0 имеет вид

Лз=1 +Лз=1 +и пСк0 ■

Лз=1 +

Лз=1 +

Т. К O n'V. т

Сз TQh

XXC^Q^C^Q^е/э. A Oy. т \

X

X

C^Q^

C^Q^

6,CyTQP /

^Оам^оА №\

Т U ЗМ \q /

При Л3>0 предпочтительным является комбинированный топливно-электрический источник энергии. В частном случае при К,^« « KL От. к о= ит. к/= 0, приняв Лз>0, получаем энергоэкономический критерий оценки эффективности перехода от топливно-воздушного к комбинированному топливно-электрическому источнику энергии:

1

6°1 I е».иСз^у.т

КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИИ ОПТИМИЗАЦИЯ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ

ОБЩИЕ И ЧАСТНЫЕ КРИТЕРИИОЦЕНКИ СОВЕРШЕНСТВАТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВИ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ

К числу общих критериев, используемых для сравнительной оценки совершенства теплотехнических принципов и конструктивных схем конкурирующих вариантов, относятся:

возможность реализации высокой (прогнозной) производительности технологической камеры (камер);

малое значение отношения потока теплоты через ограждения к потоку теплоты, поглощаемому обрабатываемым материалом в технологических, особенно в высокотемпературных, камерах или зонах (Qo"c/Q^H-*0);

высокое значение удельной (на единицу объема) производительности технологической камеры Р„, равное оптимальному его значению для данной камеры (Р„ = Р™Т) или соизмеримое с ним; высокое значение удельной (на единицу поверхности) производительности PF;

стабильное или возрастающее значение Р„ с ростом производительности Р;

резкое повышение Р„ при переходе от топливно-воздушного к топлнвно-кислородно- му источнику энергии;

повышение Р„ с ростом глубины регенеративного теплоиспользования;

широкий диапазон возможного регулирования температуры и концентрационной однородности технологической продукции;

эффективная переработка исходных материалов без трудоемкой предварительной их подготовки;

минимальные отходы технологических сырья и продуктов в камере (камерах) рабочего пространства;

относительно малый объем одновременно находящегося в реакторе обрабатываемого материала.

Частные критерии выявляются из общих выражений, полученных для Р„, PF и Qo"c/Q™ [16]:

Рм(*-т) .\.„^(l+ZQ ’

PA^AmV^L-

Q

с'зн уЗН6?о. e^Fс'зн уЗН6?о. e^FQQгде Р, — удельная производительность камеры, зоны или их совокупности, кг/(м3-с); Рр — удельная производительность камеры, зоны или их совокупности, отнесенная к единице характерной поверхности РП (площади пода; площади, занятой обрабатываемым материалом; площади, занятой установкой или камерой в цехе, и т. д.), кг/(м2-с); тТ0 — время технологической или тепловой обработки материала в камере (камерах), зоне (зонах), с; д™с — среднее значение регенеративно не

с'зн уЗН

6?о. e^F

с'зн уЗН

6?о. e^F

Q

Q

используемых потоков теплоты через единицу площади ограждения зоны (зон) или камеры (камер), кВт/м2; q™ — теплопоглощение единицы массы обрабатываемого материала в зоне (зонах), камере (камерах), кДж/кг; Р— производительность камеры (камер), зоны (зон), кг/с; Кт=Рзн/Рш — коэффициент формы зоны (зон), камеры (камер); здесь Рм, Рш — площади поверхностей ограждения зоны (зон), камеры (камер) и шара, равновеликого по объему данной зоне (зонам), камере (камерам), м2; обозначения m, Kg, Кс приведены ранее (см. рис. 2.12).

Значения Р„ и Q^ JQ™ относятся к категории универсальных критериев оценки совершенства теплотехнического оформления технологических камер, так как они комплексно отражают:

интенсивность обработки материала W;

Рис. 2.15. Значения коэффициента формы Кр для различных вариантов плавильных камер: а — коаксиальные цилиндры (аналог кольцевых циклонов с верхним выводом дымовых газов); 6 — цилиндр (аналог циклонной плавильной камеры с совместным выводом расплава и дымовых газов; аналог. батареи из N циклонов); в — прямоточно-вихревая плавильная камера; г — параллелепипед (аналог прямоточного канала взвешенной плавки, ванной плавильной камеры)Рис. 2.15. Значения коэффициента формы Кр для различных вариантов плавильных камер: а — коаксиальные цилиндры (аналог кольцевых циклонов с верхним выводом дымовых газов); 6 — цилиндр (аналог циклонной плавильной камеры с совместным выводом расплава и дымовых газов; аналог. батареи из N циклонов); в — прямоточно-вихревая плавильная камера; г — параллелепипед (аналог прямоточного канала взвешенной плавки, ванной плавильной камеры)специфические особенности теплотехнических принципов через значение (1 — — m)/Kg, характеризующее предельно минимальную долю объема, занятого обрабатывае-

Рис. 2.15. Значения коэффициента формы Кр для различных вариантов плавильных камер: а — коаксиальные цилиндры (аналог кольцевых циклонов с верхним выводом дымовых газов); 6 — цилиндр (аналог циклонной плавильной камеры с совместным выводом расплава и дымовых газов; аналог. батареи из N циклонов); в — прямоточно-вихревая плавильная камера; г — параллелепипед (аналог прямоточного канала взвешенной плавки, ванной плавильной камеры)

Рис. 2.15. Значения коэффициента формы Кр для различных вариантов плавильных камер: а — коаксиальные цилиндры (аналог кольцевых циклонов с верхним выводом дымовых газов); 6 — цилиндр (аналог циклонной плавильной камеры с совместным выводом расплава и дымовых газов; аналог. батареи из N циклонов); в — прямоточно-вихревая плавильная камера; г — параллелепипед (аналог прямоточного канала взвешенной плавки, ванной плавильной камеры)

мым материалом (V3 м), непосредственно и полезно используемую в процессе;

конструктивные особенности технологической камеры через значение (1+КД;

возможный относительный уровень потока теплоты через ограждения камеры.

К числу частных критериев оценки высокого уровня совершенства теплотехнических принципов и конструктивных схем можно отнести:

низкое значение длительности тепловой (технологической) обработки материала тт 0;

малое значение порозности слоя обрабатываемого материала (/п-»-0);

Ag->l,0;

K„ = VtB/V3 ^0;

относительно высокое (V, „ + V„„VF'

К3/->1.

Минимальное значение Af определяется на основе геометрической оптимизации [16]. Для камеры рабочего пространства

Численные значения и характер изменения Kf для некоторых геометрических форм плавильных камер приведены на рис. 2.15.

На основе соотношений Ро и PF может быть проведена сравнительная оценка эффективности использования отдельных теплотехнических принципов при организации данного технологического процесса. Приняв в качестве масштаба сравнения показатели Р* и РР, соответствующие одному из вариантов теплотехнических принципов, получим

Рш К*8т*т.о^+К%Х1-т)

р\ ^gi\.oi^+Kv^-m*) 1

PFi__ ^3.^^ _

P*F p^V3.M + VCBrFni

=^k=ILPF«

Эти соотношения предусматривают тождественность температурных характеристик рабочего тела. Входящие сюда величины рассчитываются или принимаются по практическим данным. Ориентировочные значения или диапазон значений m, Kg и К» приведены на рис. 2.12.■

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКАЯОПТИМИЗАЦИЯ УДЕЛЬНОЙПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ ПРИТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОМ ИСТОЧНИКЕ

ЭНЕРГИИ

Такая оценка может быть проведена на основе прямого роста Р„ при повышении средней скорости газов в технологической камере, если принять другие факторы нелимитирующими. Полученные таким образом численные значения оптимума Р„ используются как ориентиры при выборе теплотехнических путей и средств повышения удельной производительности.

Далее учитываются и принимаются следующие положения:

расчетные оптимальные значения Р„ находятся далеко за пределами практически достигнутых значений Р„;

капитальные вложения в установку, связанные с изменением (ростом) Р„ технологической камеры, принимаются постоянными (часто они с ростом Р„ снижаются).

Оптимальное значение Р„ определяется по минимуму следующего выражения:

З'^Ь^СГ + е,^

где 3'р = 3р —S„ —5“ —£'КУ; здесь Зр — удельные приведенные затраты, руб/кг; Зм — затраты на исходное сырье, руб/кг; S” — прочие эксплуатационные затраты (без затрат на топливо, электроэнергию, исходное сырье, амортизацию, текущий ремонт), руб/кг; Ку — удельные капитальные затраты, руб/кг; Е* = = £-|-аам + ат. Р; £ — нормативный коэффициент эффективности, 1 /год; аам — коэффициент амортизации, 1/год; ат р — коэффициент затрат на текущий ремонт, 1/год.

Приняв постоянными при изменении Р„ значения Ку, S„, S” и удельный поток теплоты через ограждения рабочего пространства, после соответствующих преобразований получим [24]

/ 1+/7₽ У

П*=1 + Пр+Пк<Х+Пр),

\ Ри /

(2JJ)

где /7э = ЗрОУ. тК//(^т. пС1т) — безразмерный параметр удельных расчетных затрат;

безразмерный параметр удельной производительности;

Пк =

273 ■ 273QP • 1 ^МОД ■ 2С* т

а — коэффициент расхода воздуха; VU — удельный теоретический расход воздуха, м3/м3; Св — теплоемкость воздуха, кДж/(м3-К); (в — температура подогрева, °C; VT — удельный выход продуктов сгорания, м3/м3; Со — теплоемкость отходящих газов, кДж/(м3-К); tQ г —температура отходящих газов, °C; q- г — удельное теплопоглощение в технологическом процессе, кДж/кг; С^ т — замыкающие затраты на условное топливо, руб/кг; 9о * - удельный поток теплоты через ограждения рабочего пространства, Вт/м2; Гх в — температура воздуха на входе в воздуходувку, К; Тг — температура продуктов горения, К; р°г— плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м3; Кгопр— коэффициент сопротивления технологической камеры; Сээ— замыкающие затраты на электроэнергию, руб/(кВт-ч); Кс к — коэффициент, представляющий собой отношение площади расчетного (выходного) сечения к поверхности равновеликого по объему рабочей камеры шара; т]^ — суммарный КПД дутьевой машины, электродвигателя и регулирующих устройств.

Значение коэффициента Ксопр определяется по известному сопротивлению базовой (исходной) установки с заданными геометрическими размерами из выражения

к _^мАсОПро )

Рг® г

где (Д р)б — сопротивление базовой установки, Па; рг - плотность продуктов сгора-

из уравнения, полученного из (2.11) после соответствующего преобразования:

При Пк< 0,005 Л™т

По известному /7™т определяется опти

мальная удельная производительность

При изменении q%. “ от Р„, например, в со

ответствии с соотношением [19]

где т = 0-т-2, уравнение для П. примет вид

/73=1+Про + //Д1+Л^)Х

(1 +/7pf

1 Ч— /7 yjl2/(6 + m) д

Здесь х — показатель адиабаты;

з, АКс

пр=^3+2т 6+„ ;

Ю'Ч V 9 р„ 9

х-11

с; а и" г, в-293

СУ T-103-273nsQP

2m12

6 4- m ( л v \ 6 + m „,2 m 09т. Г (АМ Уг 7гРг ^опр

12

Р6 + т (д^6л)6 + т (Qb)2-273K2 Кк^ Р^Ъ-10006 + '

ния, кг/м3; wr — скорость газов в расчетном сечении, м/с.

Оптимальное значение /7°пт определяется

Значение А. определяется из выражения 2m m

A=qVc4P^(P*^.

3 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

Рис 2.16. Зависимость /7°пт от Л* и /7Д: — zn = 0;m= 1,0

Рис. 2.17. Зависимость /7°пт от FU и П3 при т = 2

Используется природный газ с Q« = = 36 090 кДж/м3. При температуре подогрева воздуха /в = 500 °C, температуре отходящих из камеры газов t0. г= 1600 °C, коэффициенте расхода воздуха а= 1 /0 = 0,407. Для указанной камеры Кр= 1,28 (рис. 2.15). По определению Кс. к = лб/вых/(лОц,), где г/вых — диаметр выпускных окон камеры. После подстановки соответствующих значений Кс. , = 0,109.

Значение Ксолр определяется расчетом или принимается на основе имеющихся результатов исследования аэродинамического сопротивления камеры. Численное значение Ксопр для рассматриваемой камеры может быть принято равным 30.

Приняв соотношение замыкающих затрат на топливо и электроэнергию равным 0,5 кг/(кВт-ч) и qp'^= 1,16- 10s Вт/м2, определяем 77s = 0,0001732.

Из (2.12) определяем Л™т = 0,070217 и Р2"т= 10,839/Vp. Для установки производительностью Р = 25 кг/с Р°"т= = 2,17 кг/(м3-с).

akfЮ3<7тл/7°птakfЮ3<7тл/7°пт96 + m96 + m

akf

Ю3<7тл/7°пт

akf

Ю3<7тл/7°пт

9

6 + m

9

6 + m

Безразмерный параметр удельной производительности /7°пт при m= 1 и т = 2 определяется по графикам на рис. 2.16 и 2.17. По графикам на рис. 2.16 можно определить /7°"т и при qp “ = idem (m = 0). По найденному значению /7°пт значение Р°пт определяется из выражения

з

Р°пт = (36л)6 + т —^ X

'р 6+ т

Пример. Требуется определить оптимальную удельную производительность Р'У1Т прямоточно-вихревой плавильной камеры (см. рис. 2.15, в) для случая постоянства удельных потоков теплоты через ограждения. Для этого должны быть определены все показатели, входящие в безразмерные параметры выражения (2.12). Часть из них диктуется заранее технологическими требованиями, остальные можно найти из предварительного расчета теплотехнической схемы плавильного агрегата.

КОМБИНИРОВАНИЕТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ

Возможные варианты комбинирования теплотехнических принципов (и варианты конструктивных схем) при организации двухступенчатой тепловой обработки исходного материала показаны на рис. 2.18.

Удельная объемная производительность комбинированных камер варианта 7

+1/(^)а+‘/(^)б

Величина (Р^ зависит от соотношения доли начальной тепловой обработки в камере А (Др)д и доли последующей дообработки в камере 5 (ДрБ=1—ДрА).

Варианты /7 — IV на рис. 2.18 иллюстрируют принципиальные пути и возможности дальнейшего повышения удельной производительности при комбинировании теплотехнических принципов.

Наиболее высокий результат по подъему Р„ и PF при комбинировании теплотехнических принципов может быть достигнут в том случае, когда эти принципы обеспечивают:

высокий темп изменения Р„ и PF в зависимости от ДрА и ДрБ;

стабильность уровня Р„ с ростом общей производительности Р. Невыполнение

ЛМ^У №ЛМ^У №Рис. 2.18. Варианты комбинирования теплотехнических принципов при двухступенчатой организации тепловой обработки материалаРис. 2.18. Варианты комбинирования теплотехнических принципов при двухступенчатой организации тепловой обработки материала

ЛМ^У №

ЛМ^У №

Рис. 2.18. Варианты комбинирования теплотехнических принципов при двухступенчатой организации тепловой обработки материала

Рис. 2.18. Варианты комбинирования теплотехнических принципов при двухступенчатой организации тепловой обработки материала

этого условия может существенно сдерживать рост (Р^ и (PF^;'

существенное снижение значения свободного объема И™ комбинированных камер.

Один из примеров реализации эффективного комбинирования теплотехнических принципов при организации процесса плавки приведен на рис. 2.19. Уровень (.Р^ варианта В (прямоточно-вихревая плавильная камера с поверхностно погруженным факелом [15] — одно из технических решений комбинирования указанных теплотехнических принципов) находится между значениями (P^)s и (^УУ' Задача повышения удельной производительности может рассматриваться на базе комбинирования ряда (более двух) теплотехнических принципов.

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХГЕОМЕТРИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТОРАТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХУСТАНОВОК

РАСЧЕТЫ КАМЕР ОСНОВНОЙТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИИСПОЛЬЗОВАНИИ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ИЗЛУЧАЮЩЕГО ФАКЕЛА •

Масса материала, одновременно находящегося в камере ОТО

М„ = Ртт 0.

По значению М„, кг, с учетом особенности размещения обрабатываемого • материала (тел) в камере определяется площадь Fn. Применительно к варианту V на рис. 2.12 Fn = = DL ^L— длина камеры). В вариантах VI и VII Рп равно площади горизонтального сечения камеры ОТО.

Объем камеры ОТО (и, следовательно, ее линейные характеристики) целесообразно определять на основе оптимизации камеры по значению Р„ (см. п. 2.5.4). К этому значению Ро надо стремиться на основе интенсификации процессов внешнего и внутреннего теплообмена, горения топлива, рациональной организации движения газов, учитывая при этом особенности технологического процесса, эксплуатационные и другие условия работы теплотехнологической установки.

Рис. 2.19. Пример комбинирования теплотехнических принципов взвешенного слоя (Л) и погруженного в расплав факела (Б)

Тт.о = 2 Ат; =Тт.о = 2 Ат; =

Тт.о = 2 Ат; =

Тт.о = 2 Ат; =

Ниже рассматривается один из приемов расчета тт. „, который (в общем случае) достаточно хорошо адаптируется к условиям применения ЭВМ для расчетов промышленных печей.

При заданной (или предварительной полученной расчетом) связи между температурой источника теплоты tc (температурой газов, излучающих стенок, лучистой температурой) и температурой поверхности тела Л«» время тт. о может быть определено согласно методу тепловой диаграммы из уравнения

^м ^повI

(2.13)

Средняя температура тела массой М„ в начале выделенного интервала времени Ат, (Л,), или в конце его (Г"), или в начале и конце выделенного участка пути движения нагреваемого материала (для печей непрерывного действия) определяется соответственно для пластины, цилиндра и шара по общим формулам:

/м = Ло.-уЛ/ = Л+уДЛ

2 зЛ ^ Лов — А/ : tц--| — ДЛ

где Лов — температура поверхности (x/S = = ± 1,0; r/R = ± 1,0) °C; здесь S, В — характерный линейный размер при расчетах внутреннего теплообмена, м (табл. 2.3); Л — температура тела на поверхности, на оси, с координатами x/S = 0 или r/R = 0, °C; Д/= = Лов — Л — разность температур в нагреваемом теле, °C.

Эскиз расположения нагреваемых телвеличинаЭскиз расположения нагреваемых телвеличина1 ат№ алосторонний нагрев тнных заготовок)S =а(Гр-расчетная поверхность теплообмена)Ж.(нагрев длинного полуцилиндра или полушара на поду)S=R* атIKS SiRiS 98 $6 688$Улs=7З-^в^илиндр) 8=3^2в(шар)t^TTTTTTT^' - (двусторонний равномерный нагрев)77^^^7^77(нагрев длинного цилиндра или шара на поду)*।tRhТепловой поток ^>с[25=0, Ч^ЧгIs я hs_J^ab V atсторонний неравно ныи нагрев)мер-аТ 7*7 (нагрев дл сечениемЖJHH0U призмы axb на поду)(четырехсторонний равномерный нагрев длинной призмы сечением а*Ь)Г atЬ-(нагрев парс х соизмеримМё'Вдпйдедал ыми гранями)„ J3abc(одн длисторонний ндгрев иных заготовок)12R(п- число заготовок)1 Н^ И(нагревзаг женных с зWM^MimoooK^ располр- осзором%на поду)nab(двусторонниы^вномв!^2R)ный5=0,785R =(нагрев заготовок, располо - женных с зазором,на поду)natR2S~ 5(всесторонний равномерный нагреб олинноголилинара или сиаоау8 =RЭскиз расположения нагреваемых телвеличинаЭскиз расположения нагреваемых телвеличина1 ат№ алосторонний нагрев тнных заготовок)S =а(Гр-расчетная поверхность теплообмена)Ж.(нагрев длинного полуцилиндра или полушара на поду)S=R* атIKS SiRiS 98 $6 688$Улs=7З-^в^илиндр) 8=3^2в(шар)t^TTTTTTT^' - (двусторонний равномерный нагрев)77^^^7^77(нагрев длинного цилиндра или шара на поду)*।tRhТепловой поток ^>с[25=0, Ч^ЧгIs я hs_J^ab V atсторонний неравно ныи нагрев)мер-аТ 7*7 (нагрев дл сечениемЖJHH0U призмы axb на поду)(четырехсторонний равномерный нагрев длинной призмы сечением а*Ь)Г atЬ-(нагрев парс х соизмеримМё'Вдпйдедал ыми гранями)„ J3abc(одн длисторонний ндгрев иных заготовок)12R(п- число заготовок)1 Н^ И(нагревзаг женных с зWM^MimoooK^ располр- осзором%на поду)nab(двусторонниы^вномв!^2R)ный5=0,785R =(нагрев заготовок, располо - женных с зазором,на поду)natR2S~ 5(всесторонний равномерный нагреб олинноголилинара или сиаоау8 =R21^М ~ Лов д" А/ Л + “^ АЛ21^М ~ Лов д" А/ Л + “^ АЛа 2.3. Значения S Эля различных вариантов расположения нагреваемых тела 2.3. Значения S Эля различных вариантов расположения нагреваемых телЗначения ДЛ и ДЛ' (в начале и в конце выделенного интервала времени Дт,) определяются соответственно для пластины, цилиндра, шара по формулам (при подстановке соответственно значений q'n0B < и qB0B,)

Эскиз расположения нагреваемых тел

величина

Эскиз расположения нагреваемых тел

величина

1 ат

№ ал

осторонний нагрев тнных заготовок)

S =а

(Гр-расчетная поверхность теплообмена)

Ж.

(нагрев длинного полуцилиндра или полушара на поду)

S=R

* ат

IKS SiRiS 98 $6 688$

Ул

s=7

З-^в^илиндр) 8=3^2в(шар)

t^TTTTTTT^' - (двусторонний равномерный нагрев)

77^^^7^77

(нагрев длинного цилиндра или шара на поду)

*

।tRh

Тепловой поток ^>с[2

5=0, Ч^Чг

Is я h

s_J^ab V at

сторонний неравно ныи нагрев)

мер-

аТ 7*7 (нагрев дл сечением

Ж

JHH0U призмы axb на поду)

(четырехсторонний равномерный нагрев длинной призмы сечением а*Ь)

Г at

Ь-

(нагрев парс х соизмерим

Мё'Вдпйдедал ыми гранями)

„ J3abc

(одн дли

сторонний ндгрев иных заготовок)

12R

(п- число заготовок)

1 Н^ И

(нагревзаг женных с з

WM^M

imoooK^ располр- осзором%на поду)

nab

(дву

сторонниы^вномв!

^2R

)ный

5=0,785R =

(нагрев заготовок, располо - женных с зазором,на поду)

natR2

S~ 5

(всесторонний равномерный нагреб олинноголилинара или сиаоау

8 =R

Эскиз расположения нагреваемых тел

величина

Эскиз расположения нагреваемых тел

величина

1 ат

№ ал

осторонний нагрев тнных заготовок)

S =а

(Гр-расчетная поверхность теплообмена)

Ж.

(нагрев длинного полуцилиндра или полушара на поду)

S=R

* ат

IKS SiRiS 98 $6 688$

Ул

s=7

З-^в^илиндр) 8=3^2в(шар)

t^TTTTTTT^' - (двусторонний равномерный нагрев)

77^^^7^77

(нагрев длинного цилиндра или шара на поду)

*

।tRh

Тепловой поток ^>с[2

5=0, Ч^Чг

Is я h

s_J^ab V at

сторонний неравно ныи нагрев)

мер-

аТ 7*7 (нагрев дл сечением

Ж

JHH0U призмы axb на поду)

(четырехсторонний равномерный нагрев длинной призмы сечением а*Ь)

Г at

Ь-

(нагрев парс х соизмерим

Мё'Вдпйдедал ыми гранями)

„ J3abc

(одн дли

сторонний ндгрев иных заготовок)

12R

(п- число заготовок)

1 Н^ И

(нагревзаг женных с з

WM^M

imoooK^ располр- осзором%на поду)

nab

(дву

сторонниы^вномв!

^2R

)ный

5=0,785R =

(нагрев заготовок, располо - женных с зазором,на поду)

natR2

S~ 5

(всесторонний равномерный нагреб олинноголилинара или сиаоау

8 =R

21

^М ~ Лов д" А/ Л + “^ АЛ

21

^М ~ Лов д" А/ Л + “^ АЛ

а 2.3. Значения S Эля различных вариантов расположения нагреваемых тел

а 2.3. Значения S Эля различных вариантов расположения нагреваемых тел

kt

фпов£

2Х„ ’

м=

QnoaR

2Х„

м

^HObR

2ХМ

где qBoe — удельный тепловой поток через поверхность тела, Вт/м2; Хм — теплопроводность материала нагреваемого тела, Вт/(м-К) (см. разд. 3 кн. 2 настоящей серии).

Средний удельный тепловой поток

^нов i ^iiob i(^НОВ (/^ПОВ j

(2.14)

При <7ПО|1 i/qUQn,-^ 2

^ПОВ/ (?ПОВ + <7пОв)/2.(2.15)

Средние удельные теплоемкости материала тела с'„ j и с" н Дж/(кг-К), принимаются соответственно в пределах температур от /м = = 0°С до /^ и от /м=0°С до t".

Длительность первого интервала Ат, в уравнении (2.13) должна удовлетворять соответственно для пластины, цилиндра и шара условиям

Рис. 2.20. К теплопередаче излучением между газовой средой и стенкой:

FM •- поверхность нагрева; / -• стенка радиационного теплообменника, стенка циклона; 2 — трубы, расположенные впритык; 3 неровная поверхность жидкой пленки, стекающей по стенкам капала; 4 — трубы, расположенные с зазором у стенки с малой теплопроводностью; Fa - расчетная поверхность лучистого теплообмена (штриховая линия) — мнимая поверхность, огибающая поверхность FM без вогнутостей в сторону газового объема

Го =

а Ат,S2

0,3;

Fo =

аДт,R2

0,25;

0,2,0,2,

0,2,

0,2,

аДт,Fo = —'R2

где Fo — число Фурье; а - температуропроводность, м2/с.

Аналогично тт. „ может быть определено и в случае, когда задается связь между тепловым потоком q„0B и температурой („ов или связь между /с и средней температурой нагреваемого тела („ (например, нагрев в условиях прямотока, противотока). Температура источника теплоты Л, удельный поток теплоты qn0B, расход топлива, электроэнергии определяются из анализа условий внешнего теплообмена, теплового баланса (позонного или общего для рабочего пространства) и в общем случае на базе материального баланса технологического процесса.

При нагреве термотонких тел, высокотеп- лопроводпых жидкостей расчет тт. о проводится также по (2.13), при /м = /„ = /,„„ = (ц и определении qnoB i •- по соотношениям (2.14), (2.15).

Теплопередачу излучением от изотермической в объеме газовой среды к изотермической стенке или от изотермической в поперечном сечении пламенной печи газовой среды к изотермической (в том же сечении) стенке (рис.

определяют из уравнений [17] (см. также разд. 3 кп. 2 настоящей серии):

при селективно-сером излучении газовой среды и сером излучении стенки

при сером излучении среды и стенки

незапыленных топочных газов, содержащих газы НгО и СОг, от температуры газов

сорлсорлQp мQp м

сорл

сорл

Qp м

Qp м

для варианта 4 площадь Рл принимается равной площади мнимой (штриховая линия на рис. 2.20) поверхности, касающейся труб без выпуклостей в сторону газового объема:

елел1111 — (1 — фл. м)211 — (1 — фл. м)2

ел

ел

1

1

1

1 — (1 — фл. м)2

1

1 — (1 — фл. м)2

где С0 = 5,67 Вт/(м2-К4) —коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; ТГ, Тм — температура соответственно газовой среды и поверхности теплообмена, К; qp „ — результирующее излучение поверхиости нагрева, Вт/м2; е” — предельная степень черноты газов (при толщине слоя газов 5^,), определяемая по графику на рис. 2.21; е“м — предельная степень черноты газов при температуре поверхности Тм; ег, в? — степени черноты соответственно незапыленных и запыленных газов.

Значения Рл (рис. 2.20) и е., считают в зависимости от варианта газ — стенка:

для варианта 1

F л=2 F^t Ел=:8м,

где ем — степень черноты поверхности нагреваемого тела;

для вариантов 2 и 3 площадь F, принимается равной площади мнимой (штриховая линия на рис. 2.20) поверхности, огибающей поверхности F„ без выпуклостей в сторону газового объема:

(2.17) где угловой коэффициент фл. „ определяется из уравнения

dФлм = 1+уХ

Данные для определения угловых коэффициентов см. в разд. 3 кн. 2 настоящей серии.

Теплопередачу излучением от изотермической в объеме газовой среды к изотермическим поверхностям нагрева и обмуровки (кладки, ограждения) или от изотермической в данном поперечном сечении пламенной печи газовой среды к изотермическим в сечении поверхностям нагрева и обмуровки (рис. 2.22) можно определить из нижеприведенных систем уравнений [17].

При незапыленной топочной среде (излучение газов принимается селективно-серым)

(2.19)(2.19)

(2.19)

(2.19)

, [р-егм^Ом^-^кл^ОклК

F кд

QP. м + ОР.кл + ОР. г=°-

Величина Ф'Г определяется из выражения

Выше обозначено: е“кл — предельная (при 3,ф=оо) степень черноты газов при температуре поверхности (7«л); Лл = (—1 ),

\ ел /

Ркл = (1)— относительная рефлектив-

\ е«л /

ность; Гл — расчетная площадь поверхности лучистого теплообмена нагреваемых изделий, м2; ел — расчетная степень черноты; Qp. кл, QP. г — результирующие излучения соответственно поверхности обмуровки и газовой среды, Вт.

При незапыленной топочной среде, в частном случае Qp. кл = 0, когда потери теплоты через кладку (обмуровку) печи компенсируются теплоотдачей от газов посредством конвекции, вначале определяют £0 *л, задаваясь значением е“кл:

Рис. 2.22. К теплопередаче излучением в рабочей камере пламенных нагревательных печей:

Г„—поверхность нагрева; 1—плоская поверхность изделий; 2—крупные изделия в камерной печи; 3— заготовки в секционных печах; 4 — цилиндрические заготовки, расположенные на поду впритык; 5, 6— изделия с неровной поверхностью; 7, 8 — цилиндрические н прямоугольные заготовки, расположенные на поду с зазорами; Гк„ — поверхность обмуровки (ограждения); Гп — поверхность пода

и далее по уравнению (2.18) определяют Qp. „. По известному значению Ео м находят температуру поверхности Р^. Через ф и Z( в (2.20) обозначено:

ip= 1+^л+ ^кл ——;

7/э=\+Кл +

+ R: РклФ'г-+ R: РклФ'г-

+ R: РклФ'г-

+ R: РклФ'г-

При запыленной топочной среде (излучение среды принимается серым)

ег l+(l_Er)(l-EjA

LJ

F

0~ Er) 1Л+ E (1 — e )]-^—Нвг

В приведенных уравнениях используются значения Ел и е,ъ предварительно подсчитываемые в зависимости от варианта системы газ — кладка -- поверхность нагрева:

п К^о г —^о м) (Ег + ^клФ^ + ^о кл — Ео м) (1 — ег)] Рл ,

VP м—гF 1’

Qp. м + Qp. o + Qp. r=0-

Значение Фг определяется из выражения ф|=Е,Г1+(1_Ег)^_

для вариантов 1—3 (рис. 2.22) F» = F. и Е., = Е„;

При запыленной топочной среде в частном случае Qp кл = 0, когда потери теплоты через кладку печи компенсируются теплоотдачей от газов посредством конвекции, используется уравнение

• =С р. м г. к. м

для вариантов 4—5 площадь F, принимается равной площади проекции изделий на под;

для варианта 6 F, равно площади мнимой (штриховая линия) поверхности, огибающей F„. Значение е., определяется по (2.16);

для вариантов 7 и 8 (S/d> 1,0, под малотеплопроводный) площадь Рл принимается равной площади пода, занятой изделиями; значение ел для варианта 7 определяется по (2.17), а для варианта 8 — по формуле

где

С0 Ел 8Г

С

Ел =е,

(S'+a) +

^ (S'+d)

(1 - Ег) [ел + er (1 - вл)] ~- + вг

Температура поверхности кладки в этом случае определяется из уравнения

Угловой коэффициент фл. п при а^>1 определяют по выражению

/ Ткл У \ 100 // Ткл У \ 100 /

/ Ткл У \ 100 /

/ Ткл У \ 100 /

V1 +(g/S")- 1a/S"

Удельный тепловой поток

^ПОВ ^М ^р. М “Ь^М*

где q« = aj (Тг — Т„) - - плотность конвективного теплового потока для поверхности F„, Вт/м2.

Учет конвективной теплоотдачи в приведенных выше формулах теплопередачи излучением может быть проведен путем подстановки в формулы вместо Qp „, Qp кл и Qp г соответственно

(О _qk)=Q •V'M Чм/ Чр. м»

■(^кл Фкл) = Qp. КЛ *

(Qr-Q“-Q^)=Qp.r-

где QM, Q,„ — количества теплоты, получаемой соответственно поверхностью нагреваемого тела и внутренней поверхностью кладки (ограждения) посредством излучения и конвекции, Вт; Qr — количество теплоты, передаваемой газовой средой излучением и конвекцией, Вт; Qi, — количество теплоты, передаваемой поверхностью кладки (ограждения), Вт.

Среднее значение дпов = дм для поверхности нагрева, расположенной между двумя соседними поперечными сечениями рабочей камеры печи, определяется различными методами. Выбор конкретного способа усреднения проводят на основе предварительного анализа возможного характера распределения q„m по поверхности нагрева, используя для этого наиболее полные физические модели и совершенные математические методы.

РАСЧЕТ ЗОНЫ РЕАКТОРА,ЗАНЯТОЙ МАТЕРИАЛОМ, ПРИИСПОЛЬЗОВАНИИ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ПРИНЦИПАплотного слоя

Высоту камеры объемом V3M можно представить в виде суммы /7 = 2Д/7. Поверхность нагреваемого в слое А// (рис. 2.23) материала определяется из уравнения

^Fm=Pcm Ум-У/Члов-

где ?„, 1'4 — средние температуры кусков (частиц) в верхнем и нижнем сечениях А//, определяемые по методу тепловой диаграммы, °C (см. п. 2.6.1 данного параграфа); ^„в— среднее значение удельного теплового потока для слоя А//, определяемое но (q*™,,,.)' и (</),„«)", Вт/м2; Р—производительность, кг/(м3-с); с» — теплоемкость материала, Дж/(кг-К).

Средний удельный тепловой поток поверхности частиц (кусков) однородного материа-

Рис. 2.23. Схема плотного фильтруемого слоя высотой NH

ла в данном сечении слоя </„ов можно подсчитать, принимая температуру кусков в сечении одинаковой, по уравнению (шихта многофракционная с однородным разложением в слое, распределение скорости газов по сечению слоя равномерное)

i = N

«г-<по») I ^^к1

с .

^ПОВ/ —»

£ ДЦ/а,.-

где /„„в — средний удельный тепловой поток, Вт/м2; N — число фракций в шихте; АД, - относительная массовая доля данной фракции в шихте; dKi — средний размер частиц (кусков) данной фракции, м; а, — коэффициент конвективной теплоотдачи, подсчитанный для частицы с размером dKi, Вт/(м2-К).

Коэффициент а можно определить но формулам (см. табл. 3.25 в кн. 2 данной серии):

при Re = 204-200 Nu = 0,106Re;

при Re>200 4-1700 Nu = 0,61 Re2/3, .

где Nu = adK/Xr— число Нуссельта; здесь Хг — теплопроводность газов, Вт/(м- К); Re = = WodK/vr —число Рейнольдса; и»о скорость газов, отнесенная к полному сечению слоя (шахты), м/с; vr — коэффициент кинематической вязкости газов, м2/с.

Масса частиц (кусков) в слое высотой А//

i = NZ\D-

p»d"i

где рм — плотность материала кусков, кг/м3.

При известном значении ДМ„ определяется объем шахты плотного слоя высотой ДЯ:

Д^с = ДМм/[Рм(1-тпс)],

где тп. с — порозность плотного слоя.

Расчетная высота ДЯ прямой шахты плотного слоя

ДЯ^ДУ^/^,

где Рш — площадь поперечного сечения прямой шахты плотного слоя, м2, определяемая по известному расходу газов (теплоносителя) н допустимой скорости газов. Эта скорость газов принимается равной 0,6—0,9 предельной скорости а^, равной первой предельной скорости кипящего слоя юС с.

Предельная скорость ш^рс, отнесенная к полному сечению шахты плотного слоя, определяется из соотношения

до ДЯ«С)2

Fm 6сл 2 d^ Рг’

где £ — коэффициент сопротивления плотного слоя [4]; d«p — средний размер куска (частиц) в слое, м; рг — плотность газов в слое, кг/м3; ДС„ — вес частиц (кусков) в слое высотой Д//, Н.

Рабочая высота слоя Д//р вследствие возможной значительной неравномерности распределения скорости газов по сечению шахты, неравномерности схода отдельных слоев Шихты, значительного различия кусков может в несколько раз отличаться от расчетной Д/Г.

Сопротивление плотного слоя высотой ДЯ движению газов можно определить из уравнения [33]

переходящего в кипящий слой, м; тк. с— порозность кипящего слоя, которую можно оценить по формуле [11]

тк с = Аг " °'21 (1,8Re + O,36Re2)0’21;

д ^К / Рк Рг \д

здесь Аг=—— I I — число Архиме- V? \ рг /

да; g— ускорение свободного падения, м/с2; рк, рг — соответственно плотности частиц материала и газа, кг/м3; Re = m>gacdK/vr — число Рейнольдса; шра® — рабочая скорость газов, отнесенная к полному сечению камеры кипящего слоя, м/с.

Рабочая скорость газов шра® принимается в пределах ш(. с<ш?ас<ш". с. Часто шК принимается равной 2--3 ш( с

Масса материала, одновременно находящегося в объеме камеры У3 , определяется выражением

М„ = РтТ 0Kg,

где Kg = M„/M\=M„/VP тт 0) = тср/тТ 0 —коэффициент, характеризующий соотношение между фактическим количеством материала, находящегося в кипящем слое, и теоретическим, определяемым для условий модели кипящего слоя с идеальным вытеснением.

Коэффициент Ке одновременно характеризует и соотношение между средним временем пребывания частиц в слое и временем тт о.

Время тепловой (технологической) обработки частиц в высокотемпературном кипящем слое, например в процессе нагрева [11],■

£*См(1 +-=—)-г т/

5 'эф ' "

(2.22)(2.22)/ка2 П Тзф — Т"

(2.22)

(2.22)

где шг — скорость газов, отнесенная к полному сечению шахты плотного слоя, м/с.

РАСЧЕТ ЗОНЫ РЕАКТОРА,ЗАНЯТОЙ МАТЕРИАЛОМ, ПРИИСПОЛЬЗОВАНИИТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ПРИНЦИПАКИПЯЩЕГО СЛОЯ

Высота кипящего слоя зернистого материала в прямой вертикальной камере

НКС = Н 11^),(2.21)

\ wk. с /

где Нп. с — высота плотного слоя материала,

где gK, /к — масса частицы и площадь ее поверхности; а£ = (ак + а.п) — суммарный коэффициент теплоотдачи; ак -- коэффициент теплоотдачи конвекцией; ал — средний для периода нагрева коэффициент теплоотдачи излучением [33]; В1 = а2ак/(2Л„) —число Био; ТЭф= (алП' + акТг)/(ал + «к) — эффективная температура, К; Т» — начальная температура частиц, К; Т» — конечная температура нагрева частиц, К; Гг — температура газов на выходе из кипящего слоя, К.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией ак можно определить по следующим формулам, принимая за относительную скорость газов скорость витания частиц щ„„т:

при Re<35 Nu = 2 + 0,16Re2/3, при Re>35 Nu = 0,62Rel/2.

Температуру газов Тт в (2.22) можно ОТО при нагреве полидисперсного материала определить на основе совместного решения во взвешенном слое в условиях Tr = const (наследующих уравнений: грев в факеле) и Nu = 2 (относительная ско-

₽ = ехр (-1 /Kg) +^Z~ [' - exp (- 1 /К^Д^^Х ' м ' м' м ' м

Г Т3ф т„ . । v .1 /. Тэф тм. \

X ф —exp (—1/К ) И К 1п ф -.„+11

L 1 аф — ' м* J»Ф — ' "/

Величина ^> = q5/q'4, представляющая собой отношение среднего количества теплоты, переданной частицам в кипящем слое, к количеству теплоты частиц при Т», характеризует однородность (степень завершенности) тепловой обработки частиц материала в кипящем слое.

Для обеспечения высокой однородности нагрева частиц (р>0,98) расчетный Kg = =204-50. При известном значении М„ определяется объем шахты, занятый плотным слоем материала, переходящим в кипящий слой:

рхП. С Мм

Ш P"(l-mn.e)'

Высота прямой шахты

Площадь поперечного сечения прямой шахты кипящего слоя Рш определяется по известному расходу газов (теплоносителя) и рабочей скорости газов zw£a®. Высота Нк определяется после этого из (2.21). Сопротивление кипящего слоя (без учета сопротивления решетки)

АРК с =(GM — /вх + /вых)/Fш, где /„, /вык — количества движения теплоносителя соответственно на входе в кипящий слой и на выходе из него, Н; С„ — фактический вес материала, находящегося в кипящем слое, Н.

РАСЧЕТ КАМЕРЫ ОСНОВНОЙТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРИИСПОЛЬЗОВАНИИ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ПРИНЦИПАВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ

Общий объем камеры ОТО (см. рис. 2.12, вариант///) при заданной производительности уОТОр J рОТО

Удельная производительность камеры

рость частиц равна нулю)

рОТО =С"г(Гх-Гг).273

"(^-^K.oC+^Xi+^r/

где Т/, Гг — соответственно калориметрическая температура газов и температура газов на выходе из слоя, К; <7^—<7“ — общее удельное количество теплоты, получаемой полидис- персным материалом в камере ОТО за время Оото

„, ОТО с

тт о, Дж/кг; Т1О с =——отношение реге-

неративно неиспользуемого потока теплоты через ограждения камеры ОТО к теплопоглоще- нию нагреваемого материала в камере ОТО.

Время тт 0 в указанных выше условиях может быть определено по графикам иа рис. 2.24, на которых обозначено:

dMaKC

/у—S!1_; П*= —;

'2^.0

C„p„(d м)2 (// d)2 ^1

где qT" — q» = c»klx — Д);

^«акс — максимальный размер частиц во взвешенном слое, м; d« — характерный размер частиц полидисперсного материала, м; Хг, Хм — соответственно теплопроводности газов и нагреваемого материала, Вт/(м-К).

Графики на рис. 2.24 справедливы для полидисперсных шихт, отвечающих модифицированному уравнению Розина — Раммлера [15]

£>р=1-ехр [-(dM/<)"],(2.23)

где Dp — массовая доля частиц полидисперсного материала с размером частиц d« и менее; d*я— размер частиц, соответствующий Dp =

= 0,632; п — коэффициент, учитывающий дисперсную структуру измельченного материала.

Обрабатываемый измельченный материал обычно имеет гранулометрический состав, строго не отвечающий уравнению (2.23). В этом случае подбирается аналитическая зависимость Dp от dM в форме уравнения (2.23), наиболее точно аппроксимирующая гранулометрический состав рабочей шихты, особенно на участке от d„ = 0 до d« = d^.

Графики на рис. 2.24 могут быть использованы и для расчетов процесса нагрева поли- дисперсной шихты при относительной скорости частиц, отличной от нуля. Для этого осуществляется расчетный переход от шихты с фактическим гранулометрическим составом к шихте с приведенным гранулометрическим составом. Последняя отличается от исходной шихты размером частиц, определяемым по формуле

= Л^ДС^С^у

ношение, учитывающее разницу в значениях числа Био при а2 и а0; Са = а^/ао — соотношение между средним суммарным (конвективным и лучистым) коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплоотдачи, подсчитанным

из условия Nu = aodM/^r = 2; Ст = Тф/тт. о - - соотношение между фактическим временем пребывания частицы в зоне тепловой обработки и временем пребывания в ней частицы газа.

Для шихт с приведенным гранулометрическим составом также подбирается аналитическая зависимость Dp от d'„ в форме уравнения (2.23). Время пребывания частиц в камере ОТО, относительная скорость движения частиц во взвешенном слое могут быть определены по методам, рассмотренным в [5, 20, 23].

УСТАНОВКИ И ЭЛЕМЕНТЫРЕГЕНЕРАТИВНОГО И ВНЕШНЕГОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДЯЩИХГАЗОВ

КЛАССИФИКАЦИЯЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛЬНЫХОТХОДОВ. НАПРАВЛЕНИЯИ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Энергетические (тепловые) и материальные отходы технологических систем. Энергетические отходы могут быть направлены для внутреннего регенеративного использования,

ОтходыВид отходовПотенциал энергоносителяНосители энергетических или материальных ресурсовЭнергетическиеГорючиеНизшая теплота сгорания QB, кДж/кг (кДж/м3)Химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырьяТепловыеПерепад энтальпий Д/г, кДж/кг (кДж/м3)Физическая теплота отходящих газов Физическая теплота основной (промежуточной) продукцииФизическая теплота отходов основного производстваТеплота рабочих тел систем принудительного охлаждения элементов технологических камерТеплота пара и горячей воды, отработавших в технологических и силовых установкахИзбыточного давленияРабота изоэнтропного расширения А, кДж/кг (кДж/ /м3)Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлениемМатериальныеГазообразные, твердые, жидкиеГазообразные, твердые или жидкие отходы, образующиеся в процессе производства основной продукции, которые целиком или в виде отдельных компонентов могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья для переработкиОтходыВид отходовПотенциал энергоносителяНосители энергетических или материальных ресурсовЭнергетическиеГорючиеНизшая теплота сгорания QB, кДж/кг (кДж/м3)Химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырьяТепловыеПерепад энтальпий Д/г, кДж/кг (кДж/м3)Физическая теплота отходящих газов Физическая теплота основной (промежуточной) продукцииФизическая теплота отходов основного производстваТеплота рабочих тел систем принудительного охлаждения элементов технологических камерТеплота пара и горячей воды, отработавших в технологических и силовых установкахИзбыточного давленияРабота изоэнтропного расширения А, кДж/кг (кДж/ /м3)Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлениемМатериальныеГазообразные, твердые, жидкиеГазообразные, твердые или жидкие отходы, образующиеся в процессе производства основной продукции, которые целиком или в виде отдельных компонентов могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья для переработкиТаблица 2.4. Классификация энергетических и материальных отходов технологических системТаблица 2.4. Классификация энергетических и материальных отходов технологических системчто обеспечивает сокращение расхода первичного топлива на технологический процесс и его интенсификацию, и для дополнительного внешнего энергетического (технологического) использования, что приводит к экономии топлива на предприятии в связи с замещением соответствующей энергетической (технологической) установки. Классификация энергетических и материальных отходов технологических систем приведена в табл. 2.4.

Отходы

Вид отходов

Потенциал энергоносителя

Носители энергетических или материальных ресурсов

Энергетические

Горючие

Низшая теплота сгорания QB, кДж/кг (кДж/м3)

Химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья

Тепловые

Перепад энтальпий Д/г, кДж/кг (кДж/м3)

Физическая теплота отходящих газов Физическая теплота основной (промежуточной) продукции

Физическая теплота отходов основного производства

Теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения элементов технологических камер

Теплота пара и горячей воды, отработавших в технологических и силовых установках

Избыточного давления

Работа изоэнтропного расширения А, кДж/кг (кДж/ /м3)

Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлением

Материальные

Газообразные, твердые, жидкие

Газообразные, твердые или жидкие отходы, образующиеся в процессе производства основной продукции, которые целиком или в виде отдельных компонентов могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья для переработки

Отходы

Вид отходов

Потенциал энергоносителя

Носители энергетических или материальных ресурсов

Энергетические

Горючие

Низшая теплота сгорания QB, кДж/кг (кДж/м3)

Химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья

Тепловые

Перепад энтальпий Д/г, кДж/кг (кДж/м3)

Физическая теплота отходящих газов Физическая теплота основной (промежуточной) продукции

Физическая теплота отходов основного производства

Теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения элементов технологических камер

Теплота пара и горячей воды, отработавших в технологических и силовых установках

Избыточного давления

Работа изоэнтропного расширения А, кДж/кг (кДж/ /м3)

Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлением

Материальные

Газообразные, твердые, жидкие

Газообразные, твердые или жидкие отходы, образующиеся в процессе производства основной продукции, которые целиком или в виде отдельных компонентов могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья для переработки

Таблица 2.4. Классификация энергетических и материальных отходов технологических систем

Таблица 2.4. Классификация энергетических и материальных отходов технологических систем

Вторичные . (побочные) энергоресурсы (ВЭР) - энергетический потенциал отходов, продукции, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических установках (системах), который не используется в самой установке, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других установок.

Вторичные материальные ресурсы (BMP) — материальные отходы технологических камер, которые могут быть использованы в народном хозяйстве.

Энергетический потенциал отходов и продукции — запас энергии в виде химически связанной теплоты, физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления [23].

Значения энергетического потенциала энергоносителей даны в табл. 2.4.

Для ряда технологических процессов характеристика тепловых и материальных отходов приведена в табл. 2.5.

Внешнее использование энергетических отходов должно рассматриваться после возможно полной реализации варианта их регенеративного теплоиспользовапия.

Направления и эффективность внутреннего регенеративного теплоиспользования рассмотрены в п. 2.3.1.

Направления внешнего энергетического использования тепловых отходов (использование ВЭР) [23,29]: топливное - непосредственное использование горючих ВЭР в качестве топлива; тепловое — использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве ВЭР или вырабатываемой за счет ВЭР в теплоутилизационных установках; силовое — использование механической и электрической энергии, вырабатываемой в утилизационных установках за счет ВЭР; комбинированное — использование теплоты и электрической (или механической) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР в утилизацион-

Технологический процессОтходящие газыШлакиСредний объемный расход на агрегат, (м3/ч). 103Температура, °CСодержание в газах, %, SO2, SO3, СО, НЕЗапыленность газа, г/м3Средний массовый расход на агрегат, т/чТемпература, °CДоменная плавка (печь объемом 5000 м3)600—800150—200СО=27, Н2 = 53-15125—2001450—1500Мартеновская плавка (печь вместимостью 900 т)120-150500-600СО=0,03 4-0,55-30151500—1600Плавка стали в конвертере (вместимостью 400 т)36—381600—1800СО = 85 4-90Н2 = 0,5 4-2,5100—30020 -231600Плавка чугуна в вагранке4—15300-500СО = 12 4-21До 300,07-1,51350—1450Нагрев металла в методических печах черной металлургии16—20600—900СО - до 1 %———Сухое тушение кокса80—120800СО = 0,1 4-0,26-8——Шахтная медная плавка40—80300—700SO2 = 1 4-12СО —64- 1510—10015—251150—1250Шахтная никелевая плавка60—80400SO2 = 0,54-lСО = 1540—200241200—1300Шахтная плавка свинцового агломерата12—20400SO2 — до 1СО -- до 160—70301120—1250Отражательная медная плавка70-1501200—1300SO2 = 0,5 4-2 СО=120—3030—501200Обжиг в кипящем слое сульфидных материалов20—50850—1000SO2= 12SO3 = 0,0l300—500—6001000Конвертирование медных штейнов20-501100—1200SO2 = 64-12SO3 = 0,l 4-0,225—30—1200—1250Кислородно-взвешенная плавка12-2013001400SO2 = 754-855Оз = 0,2 4-1300—35040—501300Плавка в жидкой ванне351450SO2 = 27 4-5050—601400Фьюмннгование шлаков40—601100—1300СО + Н2=15100—15025—301100—1200Обжиг флотационного колчедана в кипящем слое20—45850-920SO2=13,54-14200—3008—18 (огарок)750-800Сжигание жидкой серы в циклонных печахГидротермическая переработка фосфатов:18—1561150—1460SO2= 104-15S03 = 0,03во вращающихся печах381000НЕ=0,3 4-0,6106250в циклонных печахОгневое циклонное обезвреживание сточных вод: производство капролактама351600980—1000СО<0,2105—77 (продукт)1600860—870производство волокна анйд—950—960СО <0,1———Сжигание черного щелока66—3001400—1500—18—20——Технологический процессОтходящие газыШлакиСредний объемный расход на агрегат, (м3/ч). 103Температура, °CСодержание в газах, %, SO2, SO3, СО, НЕЗапыленность газа, г/м3Средний массовый расход на агрегат, т/чТемпература, °CДоменная плавка (печь объемом 5000 м3)600—800150—200СО=27, Н2 = 53-15125—2001450—1500Мартеновская плавка (печь вместимостью 900 т)120-150500-600СО=0,03 4-0,55-30151500—1600Плавка стали в конвертере (вместимостью 400 т)36—381600—1800СО = 85 4-90Н2 = 0,5 4-2,5100—30020 -231600Плавка чугуна в вагранке4—15300-500СО = 12 4-21До 300,07-1,51350—1450Нагрев металла в методических печах черной металлургии16—20600—900СО - до 1 %———Сухое тушение кокса80—120800СО = 0,1 4-0,26-8——Шахтная медная плавка40—80300—700SO2 = 1 4-12СО —64- 1510—10015—251150—1250Шахтная никелевая плавка60—80400SO2 = 0,54-lСО = 1540—200241200—1300Шахтная плавка свинцового агломерата12—20400SO2 — до 1СО -- до 160—70301120—1250Отражательная медная плавка70-1501200—1300SO2 = 0,5 4-2 СО=120—3030—501200Обжиг в кипящем слое сульфидных материалов20—50850—1000SO2= 12SO3 = 0,0l300—500—6001000Конвертирование медных штейнов20-501100—1200SO2 = 64-12SO3 = 0,l 4-0,225—30—1200—1250Кислородно-взвешенная плавка12-2013001400SO2 = 754-855Оз = 0,2 4-1300—35040—501300Плавка в жидкой ванне351450SO2 = 27 4-5050—601400Фьюмннгование шлаков40—601100—1300СО + Н2=15100—15025—301100—1200Обжиг флотационного колчедана в кипящем слое20—45850-920SO2=13,54-14200—3008—18 (огарок)750-800Сжигание жидкой серы в циклонных печахГидротермическая переработка фосфатов:18—1561150—1460SO2= 104-15S03 = 0,03во вращающихся печах381000НЕ=0,3 4-0,6106250в циклонных печахОгневое циклонное обезвреживание сточных вод: производство капролактама351600980—1000СО<0,2105—77 (продукт)1600860—870производство волокна анйд—950—960СО <0,1———Сжигание черного щелока66—3001400—1500—18—20——Таблица 2.5. Характеристика тепловых и материальных отходов теплотехнологических процессовТаблица 2.5. Характеристика тепловых и материальных отходов теплотехнологических процессовных установках (утилизационных ТЭЦ) по теплофикационному циклу.

Технологический процесс

Отходящие газы

Шлаки

Средний объемный расход на агрегат, (м3/ч). 103

Температура, °C

Содержание в газах, %, SO2, SO3, СО, НЕ

Запыленность газа, г/м3

Средний массовый расход на агрегат, т/ч

Температура, °C

Доменная плавка (печь объемом 5000 м3)

600—800

150—200

СО=27, Н2 = 5

3-15

125—200

1450—

1500

Мартеновская плавка (печь вместимостью 900 т)

120-150

500-600

СО=0,03 4-0,5

5-30

15

1500—

1600

Плавка стали в конвертере (вместимостью 400 т)

36—38

1600—

1800

СО = 85 4-90

Н2 = 0,5 4-2,5

100—300

20 -23

1600

Плавка чугуна в вагранке

4—15

300-500

СО = 12 4-21

До 30

0,07-1,5

1350—

1450

Нагрев металла в методических печах черной металлургии

16—20

600—900

СО - до 1 %

—

—

—

Сухое тушение кокса

80—120

800

СО = 0,1 4-0,2

6-8

—

—

Шахтная медная плавка

40—80

300—700

SO2 = 1 4-12

СО —64- 15

10—100

15—25

1150—

1250

Шахтная никелевая плавка

60—80

400

SO2 = 0,54-l

СО = 15

40—200

24

1200—

1300

Шахтная плавка свинцового агломерата

12—20

400

SO2 — до 1

СО -- до 1

60—70

30

1120—

1250

Отражательная медная плавка

70-150

1200—

1300

SO2 = 0,5 4-2 СО=1

20—30

30—50

1200

Обжиг в кипящем слое сульфидных материалов

20—50

850—

1000

SO2= 12

SO3 = 0,0l

300—500

—

600

1000

Конвертирование медных штейнов

20-50

1100—

1200

SO2 = 64-12

SO3 = 0,l 4-0,2

25—30

—

1200—

1250

Кислородно-взвешенная плавка

12-20

1300

1400

SO2 = 754-85

5Оз = 0,2 4-1

300—350

40—50

1300

Плавка в жидкой ванне

35

1450

SO2 = 27 4-50

50—60

1400

Фьюмннгование шлаков

40—60

1100—

1300

СО + Н2=15

100—150

25—30

1100—

1200

Обжиг флотационного колчедана в кипящем слое

20—45

850-920

SO2=13,54-14

200—300

8—18 (огарок)

750-800

Сжигание жидкой серы в циклонных печах

Гидротермическая переработка фосфатов:

18—156

1150—

1460

SO2= 104-15

S03 = 0,03

во вращающихся печах

38

1000

НЕ=0,3 4-0,6

10

6

250

в циклонных печах

Огневое циклонное обезвреживание сточных вод: производство капролактама

35

1600

980—

1000

СО<0,2

10

5—7

7 (продукт)

1600

860—870

производство волокна анйд

—

950—960

СО <0,1

—

—

—

Сжигание черного щелока

66—300

1400—

1500

—

18—20

—

—

Технологический процесс

Отходящие газы

Шлаки

Средний объемный расход на агрегат, (м3/ч). 103

Температура, °C

Содержание в газах, %, SO2, SO3, СО, НЕ

Запыленность газа, г/м3

Средний массовый расход на агрегат, т/ч

Температура, °C

Доменная плавка (печь объемом 5000 м3)

600—800

150—200

СО=27, Н2 = 5

3-15

125—200

1450—

1500

Мартеновская плавка (печь вместимостью 900 т)

120-150

500-600

СО=0,03 4-0,5

5-30

15

1500—

1600

Плавка стали в конвертере (вместимостью 400 т)

36—38

1600—

1800

СО = 85 4-90

Н2 = 0,5 4-2,5

100—300

20 -23

1600

Плавка чугуна в вагранке

4—15

300-500

СО = 12 4-21

До 30

0,07-1,5

1350—

1450

Нагрев металла в методических печах черной металлургии

16—20

600—900

СО - до 1 %

—

—

—

Сухое тушение кокса

80—120

800

СО = 0,1 4-0,2

6-8

—

—

Шахтная медная плавка

40—80

300—700

SO2 = 1 4-12

СО —64- 15

10—100

15—25

1150—

1250

Шахтная никелевая плавка

60—80

400

SO2 = 0,54-l

СО = 15

40—200

24

1200—

1300

Шахтная плавка свинцового агломерата

12—20

400

SO2 — до 1

СО -- до 1

60—70

30

1120—

1250

Отражательная медная плавка

70-150

1200—

1300

SO2 = 0,5 4-2 СО=1

20—30

30—50

1200

Обжиг в кипящем слое сульфидных материалов

20—50

850—

1000

SO2= 12

SO3 = 0,0l

300—500

—

600

1000

Конвертирование медных штейнов

20-50

1100—

1200

SO2 = 64-12

SO3 = 0,l 4-0,2

25—30

—

1200—

1250

Кислородно-взвешенная плавка

12-20

1300

1400

SO2 = 754-85

5Оз = 0,2 4-1

300—350

40—50

1300

Плавка в жидкой ванне

35

1450

SO2 = 27 4-50

50—60

1400

Фьюмннгование шлаков

40—60

1100—

1300

СО + Н2=15

100—150

25—30

1100—

1200

Обжиг флотационного колчедана в кипящем слое

20—45

850-920

SO2=13,54-14

200—300

8—18 (огарок)

750-800

Сжигание жидкой серы в циклонных печах

Гидротермическая переработка фосфатов:

18—156

1150—

1460

SO2= 104-15

S03 = 0,03

во вращающихся печах

38

1000

НЕ=0,3 4-0,6

10

6

250

в циклонных печах

Огневое циклонное обезвреживание сточных вод: производство капролактама

35

1600

980—

1000

СО<0,2

10

5—7

7 (продукт)

1600

860—870

производство волокна анйд

—

950—960

СО <0,1

—

—

—

Сжигание черного щелока

66—300

1400—

1500

—

18—20

—

—

Таблица 2.5. Характеристика тепловых и материальных отходов теплотехнологических процессов

Таблица 2.5. Характеристика тепловых и материальных отходов теплотехнологических процессов

Определение удельного и общего выхода ВЭР:

удельный выход горючих ВЭР

удельный выход тепловых ВЭР q^,„ = m (с><| — С2/2) = mkh;

удельный выход ВЭР избыточного

давления

общий объем выхода ВЭР

Qmlix == q^M,

или

Qbhx == С^часТ,

где пг — удельное количество энергоносителя (твердого, жидкого или газообразного), кг или м3 на единицу продукции или на единицу времени работы установки — источника ВЭР (определяется из материального баланса процесса); Qp„—теплота сгорания горючих ВЭР, кДж/кг или кДж/м3; Д/г — перепад энтальпий; /] и с, — температура, °C, и теплоемкость, кДж/(кг-°С) или кДж/(м3-°С), энергоносителя на выходе из установки — источника ВЭР; /2 и Сг — температура и теплоемкость энергоносителя при поступлении его на следующую стадию технологического процесса или температура окружающей среды и соответствующая ей теплоемкость; qs„ — удельный выход ВЭР, кДж на единицу продукции, сырья или топлива; Q,MX — общий объем выхода ВЭР, кДж, за рассматриваемый период (месяц, год и др.); М — выпуск основной продукции или расход сырья, топлива за рассматриваемый период; q4ac — часовой выход ВЭР; т — число часов работы установки — источника ВЭР в рассматриваемый период; А — работа изоэнтропного расширения газообразного или жидкого энергоносителя, кДж/кг (см. § 2.5 кн. 2 настоящей серии).

Различают возможную, фактическую и планируемую выработку энергии (теплоты) за счет ВЭР.

Возможная выработка теплоты в виде пара или горячей воды в теплоутилизационной установке за счет ВЭР за рассматриваемый период времени, кДж,

Qi = Mm (h,-hi) р (1-6);(2.24)

возможная выработка холода

Q^QtE,(2.25)

где /ii и hi — энтальпии энергоносителя соответственно на входе и на выходе теплоутилизационной установки; р — коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы утилизационной установки и установки — источника ВЭР (р = 0,74-1); 6 — коэффициент потерь теплоты теплоутилизационной установкой в окружающую среду (6 = 0,024-0,05); е — холодильный коэффициент, равный отношению количества выработанного холода к количеству затраченной теплоты.

Использование потребителем выработанной теплоты может быть возможным, фактическим и планируемым. Коэффициент использо

вания выработанной теплоты a = Q„/QT,

где QT — выработка теплоты в теплоутилиза- цинной установке за счет ВЭР; Q« — использование тепловых ВЭР (о = 0,54-0,9).

Возможная выработка электроэнергии на конденсационной турбине при использовании пара высоких параметров, полученного в утилизационной установке за счет ВЭР, кВт-ч, за рассматриваемый период

W = Q1/q«. ' (2.26) где q, — удельный расход теплоты на производство электроэнергии в конденсационной турбине (г/к = 9500 4-10 500 кДж/(кВт-ч) (см. § 6.1) ]. .

Возможная комбинированная выработка теплоты и электроэнергии в теплофикационных турбинах:

отпуск теплоты

QO=QT/(1+3<7T); (2.27)

выработка электроэнергии

^ = 3^/(1 + эут), (2.28)

где qT — удельный расход теплоты на производство электроэнергии на тепловом потреблении (q, = 4000 4- 4500 кДж/(кВт-ч), (см. § 6.1)]; э — удельная выработка электроэнергии на единицу отпущенной теплоты, кВт-ч/кДж; QT— количество теплоты, поступающей на конденсационную турбину.

Возможная выработка электрической энергии в утилизационной турбине за счет избыточного давления

1Г = Л1тЛт1о,.ЛмЛг, (2.29)

где Л — работа изоэнтропного расширения газового или жидкого энергоносителя; л01- — относительный внутренний КПД турбины (т]ог = = 0,87 — для газа; т]о, = 0,9 — для жидкости); т]„ — механический КПД турбины (т|м = 0,99); т]г — КПД электрогенератора (т]г = 0,98).

Экономия топлива за счет использования ВЭР, т условного топлива за рассматриваемый период (год, месяц и др.):

при топливном направлении использования горючих ВЭР ■

. ДВ = 0,0342Оит1вэр/пт, (2.30) где Q„ — использованные горючие ВЭР, ГДж, за рассматриваемый период; 0,0342 — коэффициент эквивалентного перевода 1 ГДж в тонну условного топлива; т]вэр и Лт — КПД нетто топливоиспользующей установки соответственно при работе на горючих ВЭР и при работе на первичном топливе (т]т = 0,84-0,9);

при тепловом направлении использования ВЭР

kB = b,Q„;(2.31)

при выработке холода

bB = b3Qx/e,(2.32)

где Q„ - использование тепловых ВЭР; Qx выработка холода за счет ВЭР; е — холодильный коэффициент; 63 = 0,0342/т]за„ — удельный расход условного топлива, т/кДж, на выработку теплоты в замещаемой котельной установке; т]эам — КПД энергетической установки (промышленная котельная, котельная ТЭЦ), с показателями которой сопоставляется эффективность использования ВЭР (т]зам = = 0,844-0,86).

При энергоснабжении предприятий от ТЭЦ и за счет использования ВЭР с учетом снижения при этом экономичности работы ТЭЦ

ДВ= Q„-^^2-[1 — э(</к —<?т)],(2.33)

Лтэц

где т]тзп - КПД котельной ТЭЦ.

При силовом направлении использования ВЭР

AB = 63U7,(2.34)

где W — выработка электроэнергии или механической работы за счет ВЭР.

При комбинированном направлении использования ВЭР

AS =_°1231221 1+э»т-»«(э-Эу)

ЧтэцЧ-Мт.у

где QT - количество теплоты пара теплоути

лизационных установок, поступающего на утилизационную турбину; эу и q^ у, э и q, — соответственно удельная выработка электроэнергии и удельный расход теплоты на выработку электроэнергии на ТЭЦ, использующей ВЭР, и на замещаемой ТЭЦ (см. § 6.1).

Установки для регенеративногоиспользования теплоты отходящих газов

Регенерация теплоты отходящих газов в технологическом процессе достигается подогревом отходящими газами компонентов горения, подогревом технологического сырья, а также предварительным термохимическим эндотермическим разложением используемого топлива.

Подогреватели компонентов горения. Классификация подогревателей компонентов горения приведена на рис. 2.25.

Регенераторы с неподвижной насадкой (рис. 2.26) выполняются из огнеупорных материалов и состоят из двух частей, которые попеременно омываются греющими газами и нагреваемой средой. В подогревателях этого типа достижим наивысший уровень нагрева компонентов горения (до 1700 °C против 700—800 °C у металлических рекуператоров). Однако подогреватель имеет громоздкую насадку и сложные переключающие устройства. Из-за периодического характера работы насадки температура нагреваемой среды понижается на 10—15 % и более за цикл. На печах, оснащенных подобными подогревателями, возникают затруднения при попытке осуществить сжигание топлива с малыми избытками окислителя.

Рис. 2.25. Классификационная схема основных типов подогревателей компонентов горения

Рис. 2.26. Конструктивная схема регенератора с неподвижной насадкой:

/ — насадка; 2 — переключатель (перекидной клапан); ► — нагреваемая среда и► —

греющая среда

При наличии в отходящих газах жидкого технологического уноса со временем происходит разрушение и зашлаковывание насадки.

Из регенераторов с подвижной насадкой широко применяются в промышленности вращающиеся подогреватели (см. п. 1.2.2 кн. 3 настоящей серии). Их набивка состоит из профилированных металлических листов, керамических шариков или перфорированных блоков и отличается высокой удельной поверхностью нагрева (200— 450 м2/м3), что определяет компактность этих подогревателей и эффективность их использования при небольших температурных напорах. Однако в них имеют место перетоки нагреваемой среды в греющую (до 25 % и выше), а при работе на запыленных газах они нуждаются в периодической очистке.

К достоинствам радиационных рекуператоров (рис. 2.27, 2.28) относятся присущая всем стальным рекуператорам высокая газо-

плотность, незначительное аэродинамическое сопротивление на стороне греющих газов и возможность работы при наличии в них жидкого технологического уноса, причем если температура стенки рекуператора на 40 — 50 °C Ниже температуры начала шлакования [12], сцепление частиц уноса с поверхностью будет непрочным, что обеспечит периодическое самоочищение рекуператора. К недостаткам радиационных рекуператоров относятся увеличенный в 3—5 раз занимаемый объем по сравнению с конвективными рекуператорами и снижение эффективности работы при температуре греющей среды ниже 600—700 °C и диаметре газохода менее 0,5 м. В технологических установках циклического действия периодическое уменьшение расходов сред в рекуператоре приводит к снижению теплоотдачи к нагреваемому теплоносителю в большей степени, чем от греющего, что вызывает рост температуры теплообменной поверхности.

В трубчатых радиационных рекуператорах (рис. 2.27, а, б) нагреваемая среда движется внутри труб, вваренных в коллекторы и размещенных по периферии газохода. Использование U-образных труб, приводящее к двухрядной их компоновке, обеспечивает компенсацию температурных удлинений, но снижает тепловую эффективность рекуператора из-за уменьшения теплоотдачи к наружному ряду труб.

Кольцевые рекуператоры одностороннего обогрева (рис. 2.27, в) изготавливают из концентрических цилиндрических обечаек, подсоединенных к коллекторам. По сравнению с трубчатыми рекуператорами эта конструкция предоставляет большую свободу в выборе компоновки рекуператора и имеет меньшие

Рис. 2.27. Радиационные кольцевые и трубчатые рекуператоры:

а — трубчатый однорядный; б — трубчатый двухрядный; в — кольцевой с односторонним обогревом; г' — кольцевой с двусторонним обогревом н двойной циркуляцией нагреваемой среды; / — поверхности нагрева (обечайки и трубы); 2 кожух; 3— тепловая изоляция; 4— огнеупорная кладка

Рис. 2.29. Конвективные воздухотрубные рекуператоры:а — из прямых труб; б — петлевой из U-образных труб; в — петлевой из П-образных труб; / — поверхности нагрева (трубы); 2— направляющие перегородки; 3 — защитная решеткаРис. 2.29. Конвективные воздухотрубные рекуператоры:а — из прямых труб; б — петлевой из U-образных труб; в — петлевой из П-образных труб; / — поверхности нагрева (трубы); 2— направляющие перегородки; 3 — защитная решетка

Рис. 2.29. Конвективные воздухотрубные рекуператоры:

а — из прямых труб; б — петлевой из U-образных труб; в — петлевой из П-образных труб; / — поверхности нагрева (трубы); 2— направляющие перегородки; 3 — защитная решетка

Рис. 2.29. Конвективные воздухотрубные рекуператоры:

а — из прямых труб; б — петлевой из U-образных труб; в — петлевой из П-образных труб; / — поверхности нагрева (трубы); 2— направляющие перегородки; 3 — защитная решетка

Рис. 2.28. Радиационный струйный рекуператор:

/ — поверхность теплообмена; 2 — перфорированная поверхность; 3 — огнеупорная кладка

тепловые потери в окружающую среду, а отсутствие кладки облегчает замену рекуператора. Однако их металлоемкость в 3—5 раз выше, чем трубчатых, а с увеличением диаметра обечаек понижается их надежность при высокотемпературном подогреве н давлении нагреваемой среды выше 5—6 кПа. У кольцевых рекуператоров с двусторонним обогревом (рис. 2.27, г) металлоемкость ниже, чем при одностороннем обогреве, но максимальная температура стенки при прочих равных условиях выше.

Кольцевые и трубчатые рекуператоры с двойной циркуляцией нагреваемой среды (рис. 2.27, г) хотя и более металлоемкие, но обладают повышенной надежностью вследствие интенсификации внутреннего теплообмена за счет переизлучения с теплообменной поверхности на разделительную стенку и хорошей компенсации температурных удлинений.

Радиационные струйные рекуператоры (рис. 2.28) имеют повышенную тепловую эффективность за счет замены продольного обтекания теплообменной поверхности нагреваемой средой струйным, однако это преимущество уменьшается, если рекуператор компонуется из нескольких последовательно соединенных

по нагреваемой среде секций, что неизбежно при высокотемпературном подогреве.

Конвективные чугунные рекуператоры собирают из литых труб с иглами иа внутренней и ребрами на наружной стороне [31], что обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи и компактность, но одновременно исключает их использование на запыленных газах и при высоких температурах греющей среды (из-за обгорания ребер). Кроме того, фланцевые соединения труб понижают нх га- зоплотность (до 20—30 % утечек).

Термоблоки представляют собой пучок стальных труб, по которым движется нагреваемая среда, залитых чугуном с образованием каналов для прохода греющей среды [31]. Бронирование труб чугуном обеспечивает термоблокам высокую надежность, а сварные соединения труб — газоплотность, но термоблоки отличаются громоздкостью и большой металлоемкостью. Применение термоблоков, как и всех конвективных рекуператоров, исключено при температуре греющей среды, превышающей температуру начала размягчения технологического уноса.

Стальные воздухотрубные рекуператоры. представляют собой пучок труб, присоединенных к коллекторам. Их применение благодаря поперечному обтеканию труб греющей средой, энергетически более выгодному, чем продольное, позволяет осуществить работу печи без принудительной тяги. Однако по сравнению с газотрубными рекуператорами они более подвержены абразивному износу и загрязнению при работе на запыленных газах. Рекуператор из прямых труб (рис. 2.29, а) прост по конструкции, но неодинаковые температурные удлинения труб могут приводить к их деформациям и нарушениям сварных швов, особенно в условиях переменного теплового режима. В петлевом рекуператоре (рис. 2.29, б) ком-

Рис. 2.30. Конвективный газотрубный рекуператор:

/ — поверхность нагрева (трубы); 2—направляющие перегородки

пенсация температурных удлинений обеспечена, но из-за разных длины и поверхности труб нагреваемая среда по трубам распределяется неравномерно, что снижает тепловую эффективность и надежность. Трубы рекуператора (рис. 2.29, е) при равенстве шагов S2 и 53 имеют одинаковые длину и поверхность, однако здесь поперечный шаг S, больше, а интенсивность внешнего теплообмена вследствие замены поперечного обтекания продольным на части длины труб ниже.

Стальные газотрубные рекуператоры (рис. 2.30) обычно выполняют одноходовыми по греющей среде и многоходовыми по нагреваемой. Из-за пониженной газоплотности кожуха они менее пригодны для нагрева газообразного топлива.

Керамические рекуператоры изготовляют из фасонных элементов [31]. Главное их достоинство — возможность высокотемпературного подогрева (до 800 °C и выше) без использования дефицитного жаростойкого металла. Однако температурные расширения приводят к нарушению газоплотности многочисленных стыков элементов рекуператора и утечкам до 40—50 %. Рекуператоры имеют низкий коэффициент теплопередачи [4— 10 Вт/(м2-К)] и громоздки.

В комбинированных радиационно-конвективных рекуператорах радиационная и кон- вёктивная ступени совмещены в одном газоходе или кожухе, что позволяет при работе на высокотемпературных относительно чистых

греющих газах осуществить высокотемпературный подогрев без использования принудительной тяги.

В последние годы разработаны конструкции регенеративных и рекуперативных горелок [8]. Они снабжены индивидуальными теплообменниками, в том числе и встроенными непосредственно в горелку. Регенеративные горелки устанавливают на печи попарно, и они работают попеременно. Просасывание продуктов горения через горелки осуществляется эжекцией частью холодного воздуха или дымососом. При использовании этих горелок отсутствуют потери теплоты нагретым теплоносителем, экономятся площади в цехе и повышается надежность подогрева за счет увеличения числа теплообменников. Горелки работают только на чистых газах и в печах, в которых отсутствует параллельное движение газов и технологического материала. При высокотемпературном подогреве сильно возрастают габариты горелок.

Тепловой расчет стальных рекуператоров. Методика теплового расчета чугунных, керамических рекуператоров и термоблоков изложена в [31]. Цель расчета стальных рекуператоров — определение площади поверхности нагрева и максимальной ее температуры, необходимой для выбора марки стали. Известными являются вид и расход топлива на холодном дутье В,ол, м3/с (кг/с), состав отходящих газов, температуры газов на выходе из печи Т”, К, и воздуха перед рекуператором Т» и перед горелками, конструктивная схема рекуператора и некоторые его геометрические характеристики. Диаметр труб в трубчатых подогревателях обычно выбирают в интервале 30—75 мм при толщине стенки 2 — 3,5 мм. Толщина стенок обечаек кольцевых рекуператоров 6—10 мм. В радиационных рекуператорах трубы размещают с шагом 1,5 — 2 их диаметра.

Температуры греющей среды перед рекуператором Т'г и нагреваемой за рекуператором Т" определяются с учетом присосов в газоходе и потерь теплоты по трактам теплоносителей. Температура дымовых газов за рекуператором Т” находится из уравнения теплового баланса

(Аг — Л[')П1т12==Лв'— h'„

где h = Yocpt — удельная энтальпия теплоносителя, кДж/м3 топлива (кДж/кг топлива); о — удельный расход компонента теплоносителя, м3/м3’ топлива (м3/кг топлива); ср— средняя удельная теплоемкость компонента теплоносителя, кДж/(м3-°С); / — температура теплоносителя, °C; индексы «г» и «в» относятся к отходящим газам и воздуху; один и два штриха обозначают состояние теплоно-

сителя до и после рекуператора; гр и Т|г — коэффициенты, учитывающие выбивание дымовых газов из рабочего пространства печи и теплопотери в окружающую среду в рекуператоре. Величина гр зависит от размеров, степени герметичности рабочей камеры и давления в ней и для негерметичных камер принимает значения 0,6—0,9, причем нижний предел относится к мелким печам (с площадью пода менее 10 м2), а верхний — к крупным (с площадью пода более 100 м2). Коэффициент гр изменяется от 0,7—0,85 при расходе воздуха менее 0,3 м3/с до 0,9—0,99 при расходе более 3 м3/с, нижние пределы относятся к конвективным воздухотрубным и радиационным трубчатым рекуператорам.

В расчете теплообмена в радиационных рекуператорах вместо температур отходящих газов Т, и 7"" во всех случаях используют начальную Т' р и конечную Т" р расчетные температуры, учитывающие специфику излучения газового объема [37]:

^.р^)0’75 (Т")0'25;

Т"Р = (?■')°-25 (Т;)075;

Осреднение расчетных температур теплоносителей производится по геометрическому закону:

ТГ.Р=(Т'Г.РТ"Г р)М; Т^НТ'#.

Средний температурный напор в рекуператоре АТ определяют по формулам и графикам, приведенным в п. 4.2.2, в зависимости от гг(т;.р), г;(т/р), к и п

Расход топлива на горячем дутье определяют по формуле, полученной при условии независимости производительности и температуры отходящих газов на выходе из печи от температуры подогрева воздуха:

Скорости теплоносителей при их средних температурах шг и шв предварительно принимают в соответствии с ожидаемыми суммарными аэродинамическими сопротивлениями трактов обоих теплоносителей. В результате теплового и аэродинамического расчетов значения сопротивлений трактов уточняются, и при необходимости расчеты повторяют. Площади проходных сечений для теплоносителей

Л=Кг/и1г; ^в^Кв/пив.

Расчет теплообмена в конвективных рекуператорах можно производить при среднеарифметических температурах теплоносителей, а в радиационных — лучше для двух сечений (на входе и выходе отходящих газов) с последующим осреднением коэффициентов теплопередачи.

Расчет коэффициентов теплоотдачи конвекцией ак внутри гладких труб и при поперечном обтекании пучка производится по [32] или по формулам разд. 3 кн. 2 настоящей серии. При наличии в трубах плоских вставок, закрученных с оптимальным шагом, равным семи диаметрам трубы, коэффициенты теплоотдачи и сопротивления трения рассчитывают по формулам А. И. Кунаховича (шаг равен расстоянию, на котором плоскость вставки совершает полный оборот вокруг своей оси)

aK = 6,4XRe°J9/dBH; gT = 5,92/Re°’53

при Re3<5400;

aK = 0,039XRe°'S/dBH; gT = 2,06/Re9'394

при . ReB^5400, где Re,= wd-,/v\ to — среднерасходная скорость потока, м/с; d3« »0,61dBH; d»» — внутренний диаметр трубы, м; кинематическая вязкость v, м2/с, и теплопроводность X, Вт/(м-К), отнесены к средней по сечению температуре теплоносителя; коэффициент £, используется для расчета сопротивления трения Арт, Па:

Вгор = 5хол( * —Вгор = 5хол( * —^h"-h'BW + W'-h"^h"-h'BW + W'-h"

Вгор = 5хол( * —

Вгор = 5хол( * —

^h"-h'B

W + W'-h"

^h"-h'B

W + W'-h"

л v L Р^2

Рт“5т d. 2

где QB— теплота сгорания топлива, кДж/м3 (кДж/кг); й"—удельная энтальпия отходящих газов на выходе из печи при температуре Т", кДж/м3 (кДж/кг); т|3 = 0,64-0,99— отношение удельных энтальпий воздуха перед горелками и на выходе из рекуператора. Значение т|з зависит от температуры подогрева воздуха, качества тепловой изоляции и разветвленности воздуховодов.

Расходы теплоносителей V, и Кв, м3/с, определяют из расчета горения топлива с учетом потерь по трактам и шихтового газовыде- ления и газопоглощения.

где L — длина трубы, м; р — плотность среды, кг/м3.

Методика расчета теплообмена в воздушной щели радиационных кольцевых рекуператоров, учитывающая оребрение внутренней обечайки и переизлучение между обечайками, приведена в [31]. В струйных рекуператорах (см. рис. 2.28) коэффициент теплоотдачи от поверхности к натекающим на нее струям определяется при параметрах воздуха перед отверстиями (X, v, TV,,)

aK = 0,05• XRe°72 (Тст/TVо)°'°8fd„.

где Re = teiodo/v; wa — среднерасходная скорость воздуха в отверстии, м/с; da-- диаметр отверстия, м; Т„ - температура теплообменной поверхности, К. При проектировании можно принимать: do = 5-j-10 мм; шаг отверстий (7,5—8,5) d0; расстояние от перфорированной поверхности до теплообменной (4,5—5) d0\ ш0= 10-4-25 м/с.

Теплоотдача излучением преобладает в радиационных рекуператорах на стороне отходящих газов, поэтому конвективной составляющей здесь можно пренебречь. Эффективная толщина излучающего объема газов для газотрубного рекуператора равна /Эф = =0,9dBH, а для воздухотрубных и радиационных — соответственно

/эф=1,8Дг/(2 + Дг/Гг),

где d« — наружный диаметр труб, м; Si и $2 — поперечный и продольный шаги труб в пучке, м; Dr и L, — диаметр и длина рекуператорного газохода, м.

Значение D, известно: для трубчатых рекуператоров оно рассчитывается по принятым скоростям нагреваемой среды, диаметру и расположению труб, а для кольцевых и струйных принимается по конструктивным соображениям. Длина Lr зависит от искомой площади поверхности нагрева, однако погрешность от неточного предварительного задания Lr обычно не вызывает необходимости последующего пересчета.

По значениям /Эф и Т,.р определяется коэффициент теплового излучения газов ег (см. разд. 3 кн. 2 настоящей серии).

Коэффициент теплоотдачи излучением а", Вт/(м2-К), от чистых газов к поверхности нагрева газотрубных и радиационных рекуператоров .

5,67.10"(е”Т< -в”^.)

чества технологического уноса в формуле (2.36) в” =е”м = 1,0, а ег следует определять с учетом запыленности газов [18].

Для воздухотрубных пучков в [32] рекомендуется формула

аи = 5,67 • 10” 8er (ем -Н) (^ + ^т^ Тст)/2. Величина а” зависит от Т„, определяемой в результате расчета рекуператора. Поэтому а" рассчитывают методом последовательного приближения. В некоторых случаях существенное значение имеет излучение из пред- рекуператорного газохода. Приблизительный учет этого фактора может быть произведен по методике [31, 32].

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К), й = ф (1/аг+1/ав)—*,

где а, и а, — коэффициенты теплоотдачи от греющих газов и к воздуху; в конвективных рекуператорах величина аг равна сумме ак и а". Коэффициент ф учитывает неполноту омывания и загрязнение поверхности нагрева и может быть принят: в радиационных и конвективных воздухотрубных рекуператорах из прямых труб ф = 0,8 4-0,95; в петлевых ф = 0,7 4-0,9; в газотрубных — по табл. 1.44 кн. 3 настоящей серии. Средний коэффициент теплопередачи к равен полусумме локальных (на входе и выходе отходящих газов) коэффициентов теплопередачи.

Площадь поверхности нагрева, м2 (для трубчатых рекуператоров рассчитывают по среднему диаметру труб),

F=Qb/(1000k АТ),

где QB — количество теплоты, переданной нагреваемой среде, кВт.

Для рекуператоров, у которых воздушный тракт размещен внутри газохода, Q,= = Btop (йв— Н«У, если воздушный тракт охватывает газовый, QB = BroP (йв —йв)/т|2.

Температура теплопередающей стенки, К,

Т _ Гг.р + ав/7вГВ/(аг/7г)СТ И-ав^в/^г^г) ’

где П. и П,— периметры поверхностей со стороны воздуха и газов, м.

Для определения максимальной температуры стенки в формулу (2.37) при противотоке подставляют параметры в сечении рекуператора на входе отходящих газов. При прямотоке следует рассчитать температуры Тст в нескольких сечениях и выбрать из них наибольшую.

В рекуператорах со сложным теплообменом расчет к и АТ вызывает трудности. В этих случаях площадь F определяется через удель-

ный тепловой поток. Например, теплообмен в рекуператорах со вставками в трубах описывается системой уравнений

“К (^вн-Лт) +

+ “К (Гвн - ^вет) "вст = “в (ГСТ - Гн) ^н^ ?

“к (Гст - Г»=т) = С„ • 10-8 (Т4вст -7^)J

(2.38)

где Т„„ и Т„ — температуры теплоносителей внутри и снаружи трубы, К; а„ — коэффициент теплоотдачи снаружи к стенке трубы, Вт/(м2-К); Т„ст и /7вст — температура, К, и омываемый периметр вставки, м (для цилиндрических ВСТавОК /7ест = Л^вст, для плоских закрученных /7аСт = 2</вн); Сп~3,7— приведенный коэффициент излучения, Вт/{м2-К4).

Из системы уравнений (2.38) определяется температура стенки Тст. Для кольцевых рекуператоров с двусторонним обогревом система уравнений, описывающая теплообмен с учетом излучения от керамической стенки газохода и между обечайками, имеет аналогичную структуру.

Удельный тепловой поток, Вт/м2,

? = ±фан (Гст-Тн).

Средний тепловой поток q рассчитывают как среднее логарифмическое локальных (на входе и выходе отходящих газов) тепловых потоков. Площадь поверхности нагрева (для трубчатых рекуператоров определяют по d„)

f = QB/(10005).

Методика расчета рекуператора с двойной циркуляцией нагреваемой среды приведена в [37].

Аэродинамический расчет рекуператора.

Суммарное аэродинамическое сопротивление

при движении теплоносителя в системе рекуператора [2]

Ар = Арт + Арм + Ару + Арг,

где слагаемые Ар, Па, соответственно представляют сопротивления трения, местные, ускорения потока и геометрический напор. Сопротивление Ар составляет часть суммарного аэродинамического сопротивления тракта соответствующего теплоносителя, которое не должно превышать 0,75—0,8 давления (разрежения), обеспечиваемого тягодутьевым устройством. Сопротивления Дрт и Ар„ определяют при средней температуре теплоносителя. Методики их расчета при движении теплоносителя внутри труб и при обтекании пучков приведены в [2], для кольцевых рекуператоров — в [31].

Сопротивление ускорения потока

Ару = 4Ару = 4Т" 4- Т' в ' вТ" 4- Т' в ' в22где р и ту — плотность, кг/м3, и скорость, м/с, теплоносителя при его средней температуре. При нагревании теплоносителя Ару положительно, при охлаждении — отрицательно.

Ару = 4

Ару = 4

Т" 4- Т' в ' в

Т" 4- Т' в ' в

2

2

Значение Арг, Па, определяется разностью плотностей атмосферного воздуха рос и газа р, а также высотой газового объема L, м:

' Apr=±gL(p0C-p),

где g = 9,81 — ускорение свободного падения, м/с2. При движении теплоносителя сверху вниз Арг положительно, снизу вверх — отрицательно.

Рис. 2.31. Схемы химической регенерации теплоты отходящих газов при эндотермическом разложении топлива:а — при паровой конверсии топлива; б — при конверсии топлива в среде отходящих газов; / — технологическая камера; 2 — нагреватель окислителя; 3 — реактор для паровой конверсии природного газа; 4 — реактор для конверсии топлива отходящими газами; 5 — холодный окислитель; 6 — топливо; 7 — водяной парРис. 2.31. Схемы химической регенерации теплоты отходящих газов при эндотермическом разложении топлива:а — при паровой конверсии топлива; б — при конверсии топлива в среде отходящих газов; / — технологическая камера; 2 — нагреватель окислителя; 3 — реактор для паровой конверсии природного газа; 4 — реактор для конверсии топлива отходящими газами; 5 — холодный окислитель; 6 — топливо; 7 — водяной парРегенерация теплоты отходящих газов при эндотермическом разложении топлива. На рис. 2.31,а приведена принципиальная схема так называемой химической регенерации теплоты отходящих газов, которые используют

Рис. 2.31. Схемы химической регенерации теплоты отходящих газов при эндотермическом разложении топлива:

а — при паровой конверсии топлива; б — при конверсии топлива в среде отходящих газов; / — технологическая камера; 2 — нагреватель окислителя; 3 — реактор для паровой конверсии природного газа; 4 — реактор для конверсии топлива отходящими газами; 5 — холодный окислитель; 6 — топливо; 7 — водяной пар

Рис. 2.31. Схемы химической регенерации теплоты отходящих газов при эндотермическом разложении топлива:

а — при паровой конверсии топлива; б — при конверсии топлива в среде отходящих газов; / — технологическая камера; 2 — нагреватель окислителя; 3 — реактор для паровой конверсии природного газа; 4 — реактор для конверсии топлива отходящими газами; 5 — холодный окислитель; 6 — топливо; 7 — водяной пар

для эндотермического разложения природного газа (метана) при паровой его конверсии. Теплота Q в количестве 9,21 МДж/м3, отнятая у отходящих газов для разложения 1 м3 метана по реакции

СН^ + НгО^СО + ЗНз-Р, дополнительно выделяется в топочной камере при сжигании конвертированного газа [28].

С учетом энтальпий нагретых продуктов конверсии и при условии подогрева отходящими газами окислителя принципиально возможна практически полная регенерация теплоты отходящих газов. Однако при реализации химической регенерации имеет место повышенный удельный расход пара на конверсию по сравнению со стехиометрическим соотношением, возможно сажеобразование в катализирующих насадках реактора и др.

На рис. 2.31,6 показана схема регенерации теплоты отходящих газов при конверсии природного газа непосредственно в среде своих продуктов сгорания (термохимическая регенерация) [22]. При этом также может быть достигнута высокая степень регенерации теплоты отходящих газов. Основной задачей является обеспечение надежной и эффективной работы устройства для реализации термохимической регенерации.

КОТЛЫ-УТИЛИЗАТОРЫИ ЭЛЕМЕНТЫ

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХАГРЕГАТОВ

Котлы-утилизаторы и теплоиспользующие элементы энерготехнологических агрегатов (ЭТА) применяют для внешнего энергетического использования теплоты отходящих газов технологических систем, теплоты рабочих тел принудительного охлаждения технологических камер, теплоты технологической продукции, шлаковых отходов и др. В соответствии с ОСТ 108.030.135-84 теплоиспользующие устройства классифицируют по назначению (утилизационные, энерготехнологические); по конструктивному выполнению (водотрубные и газотрубные); по организации теплоиспользова- ния (радиационные, радиационно-конвективные и конвективные); по схеме и компоновке газотрубных котлов (горизонтальные, горизонтальные с барабаном-сепаратором и вертикальные с барабаном-сепаратором); по принципу циркуляции воды (с естественной, принудительной и комбинированной циркуляцией и прямоточные); по компоновке газоходов (П-, Г-, Т-, Л-, U-образные, башенные, гори

зонтальные и др.); по виду сжигаемого и охлаждаемого технологического материала (например, сжигание сероводородных газов, загрязненных стоков, газов переработки нефти, охлаждение конвертерных газов, отходящих технологических газов, газов сухого тушения кокса и др.); по типу креплений поверхностей нагрева; по типу установки (открытая, полуоткрытая, закрытая); по способу организации тяги (уравновешенная, под разрежением, с наддувом); по исполнению (для сейсмических и несейсмических районов); по степени освоения в производстве (головные, опытно-промЫшленные, серийные) [42].

Работа КУ и их отключение практически не оказывают влияния на основной технологический процесс. В ЭТА, вырабатывающих технологическую и энергетическую продукцию, раздельная работа технологических и энергетических элементов невозможна, а при их совместной работе обычно достигаются высокие технологическая и энергетическая эффективность и эксплуатационная надежность [19,28].

При низкотемпературных тепловых отходах (ниже 800—900 °C) применяют конвективные газотрубные и водотрубные установки, при высокотемпературных (выше 1100— 1200 °C) —радиационно-конвективные и радиационные. Характеристики КУ и ЭТА, изготовляемых Белгородским заводом энергетического машиностроения (БЗЭМ), приведены в табл. 2.6.

УСТАНОВКИ ДЛЯИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОГОДАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

Ряд технологических процессов в различных отраслях промышленности ведется под давлением, при этом отработавшие в таких процессах газы удаляются в сети низкого давления или сбрасываются в атмосферу. Избыточное давление этих газов можно использовать для выработки электроэнергии в газовых утилизационных бескомпрессорных турбоустановках (ГУБТ). Характерным примером является применение ГУБТ для использования повышенного давления доменного газа. Давление под колошником доменной печи составляет 0,28—0,35 МПа. При таком давлении возможная мощность ГУБТ, работающей на доменном газе за печью объемом 2700 — 3200 м3, составит 12—16 тыс. кВт.

Схема установки ГУБТ показана на рис. 2.32. Основные показатели приведены в табл. 2.7. После газовой турбины давление доменного газа 0,015 МПа. Внутренний относительный КПД турбины 0,85.

Таблица 2.6. Котлы-утилизаторы и элементы

Типоразмер

Паропроиз- водитель- ность, т/ч

Параметры пара

Поверхность

Давление, МПа

Температура, °C

радиационная

конвективная

пароперегревателя

Газотрубные

Г-150

Г-420

Г-950

Г-ЮЗОБС

0,53

1,0

5,9

11,2

0,5

0,5

0,5

0,5

151*

151*

151*

156*

—

1-75

II — 75 I — 210

II — 210 1—475

II -475

1030

Г-250

3,2

1,4

194*

250

Г-250П

'3,1

1,4

240

250

5

Г-345

8,1

1,4

194*

—

345

—

Г-345П

7,9

1,4

260

—

345

10

Г-550П

11,6

1,4

280

—•

550

18

Г-145Б

4,7

1,4

194*

—

145

Г-1030Б

31

1,4

194*

—

1030

Г-ЗЗОБИ

9,5

1,4

194*

—

3304-15

—

Г-445БИ

15,7

1,4 '

194*

—

4604-15

—

Г-660БИ

23,3

1,4

194*

—

6604-14

—

Г-400ПЭ

До 7,5

1,6

230

—

400

18

Г-420БПЭ

25

1,5

250

420

5,7

Г-60БТ

До 2

1,4

194*

—

60

—

Г-175БТ

■ 9,5

1,4

194*

—

175

—

Г-105/300БЦ

7,2—10

0,5

151*

—

1 — 105

II — 300

—

Г-710БЦ

24,58

1,3

194*

710

—

Г-1240БЦИ

57

2,4

223*

—

12404-52,5

—

Г-1250Э

90 (питательная вода)

1

146 (вход НО)

—

ВЭ-570'

20 (питательная вода)

1,7

175 (вход 105—120)

—

—

—

энерготехнологических агрегатов [3, 5, 9, 20]

нагрева, м2

Характеристика используемых газов

Характеристика установки. Область применения

экономайзера

воздухоподогревателя

Объемный расход, тыс. М3/Ч

Температура иа входе, °C

Температура на выходе, °C

конвективные

—

—

I —2,3 11 — 2,4 I — 7,3 11 - 7,5 1 — 21,9 II -23,8 78,7

360

250

280

240

287

373

370

168

159

160

155

157

161

194

КУ, для охлаждения технологических газов с целью конденсации паров серы и получение насыщенного пара

16

16

40 40

55

8

50

15

25

35

600 600 600 600 600

1200 1200 1200 1200

1200

270

260

260

250

240

280

240

310

250

235

КУ, для использования теплоты технологических и отходящих газов в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности

372 + 283

—

66,5

405

185

КУ, для использования теплоты отходящих газов из газовой турбины в схеме получения слабой азотной кислоты

500

56,2

900

105

КУ, для использования теплоты нитрозных газов в схеме получения слабой азотной кислоты

4,35 (сжигаемые), 14,81 (через котел)

2,33 (сжигаемые), 81,7 (через котел)

2,6—3,0 (сжигаемые), 8,7—10,1 (через котел)

42,7 (сжигаемые) 27—37 (сжигаемые), 77,77 (через котел)

1217

1344

1280

1300

1024—

1300

1074

. 300

■ 300

160

344—370

370

ЭТА, для обезвреживания отбросных сероводородных газов с получением серы и технологического пара

1250

76,6

235

132

КУ, для охлаждения технологических газов с целью конденсации серы и подогрева питательной воды

570'

—

25,3

252

131 — 145

То же (конденсатор — экономайзер)

Типоразмер

Паропроиз- воднтель- ность, т/ч

Параметры пара

Поверхность

Давление, МПа

Температура, °C

радиационная

конвективная

пароперегревателя

В-90Б

5

0,8

170*

90

—

В-460Б

6,6

1,4

194*

460

Водотрубные

КУ-40-1

12,9

4,5

385

372

43,5

13,45

1,8

375

372

43,5

9,2

1,8

336

—

372

43,5

КУ-60-2

19

4,5

392

Четыре

70

12,8

4,5

370

пакета:

fl —46

19,9

1,8

366

—

) II — 173

) III - 192

13,8

1,8

340

—

IIV — 175

КУ-80-3

25,8

4,5

385

Четыре

87

17,3

4,5

365

—

пакета:

26,9

1,8

358

fl —60

18,4

1,8

336

—

) 11 — 219

3 III — 244 (IV —221

КУ-100-1

32,6

4,5

382

Четыре

НО

21,8

4,5

363

пакета:

33,9

1,8

360

fl — 85

23,2

1,8

339

—

J II — 285 ) 111—315 (IV — 295

КУ-125

40,8

4,5

385

Четыре

144

27,4

4,5

365

пакета:

42,4

1,8

365

f 1—110

29,4

1,8

341

—

) II —370

V 111 — 410

I IV —380

КУ-Ю0Б-1

32,5

1,8

395

592

137

22,3

1,8

368

17,3

1,8

348

КУ-150

50,5

4,5

393

1459

167

34,5

4,5

368

Продолжение табл. 2.6

нагрева, м2

Характеристика используемых газов

Характеристика установки. Область применения

экономайзера

воздухоподогревателя

Объемный расход, тыс. м3/ч

Температура на входе, °C

Температура на выходе, °C

—

—

25

60

850

400

560

225

КУ, для охлаждения конвертированных газов с получением пара

конвективные

185

185

185

40

40

40

850

850

650

248

227

216

КУ, П-образная компоновка, МПЦ. Для использования теплоты отходящих газов, после нагревательных, мартеновских и других технологических печей

247

—

60

850

650

252

242

850

229

650

217

370

80

850

650

850

650

248

239

227

216

460

—

100

850

650

850

650

242

220

242

220

615

125

850

650

850

650

—

497

—

100

850

650

550

232

222

217

КУ, башенная компоновка, подвод газов — нижний, МПЦ. Для использования теплоты отходящих газов после нагревательных, мартеновских и других технологических печей

795

150

150

850

650

213

212

КУ, П-образная компоновка, МПЦ. Для использования теплоты отходящих газов после нагревательных, мартеновских и других технологических печей

Типоразмер

Паропроиз- водитель- ность, т/ч

Параметры пара

Поверхность

Давление, МПа

Температура, °C

радиационная

конвективная

пароперегревателя

КСТК-35/40-100

32,4

4

440

—

1300+1600

357

УС-2,6/39

2,6

4

450

98,5

18

ПКК-30/24-70-5

До 35

2,4

370

—

537

76

ПКК-30/45А

До 35

4,5

440

—

537

126

ПКК-75/24-150-5

До 75

2,4

370

—

1170

173

ПКК-75/45-150-5

До 75

4,5

440

—

1170

292

ПКК-100/24-200-5

До 100

2,4

370

—

1718

285

ПКК-100/45-200-5

До 100

4,5

440

1718

564

КН-80/40

80

4

440

872'

230,8

КН-85/40

85

4

440

—

870

204

Bodorf.

>убные радиа

РК-12/14Ф

13,6

1,4

210

178,5

326

25

КС-200 ВТКУ-М

11

4,0

440

416,5-4-19,3

20

КС-450 ВТКУ-М

. 25

4,0

440

833

+ 38,6

35

Продолжение табл. 2.6

нагрева, м2

Характеристика используемых газов

Характеристика установки. Область применения

экономайзера

воздухоподогревателя

Объемный расход, тыс. м3/ч

Температура иа входе, °C

Температура на выходе, °C

1600

—

100

800

170

КУ, башенная компоновка, подвод газов — нижний, МПЦ, панели газохода — естественная циркуляция. Для использования теплоты при сухом тушении кокса

250

8,5

800

165

КУ, прямоточный, спиральные поверхности нагрева — в вертикальном цилиндрическом газоходе. Подвод газов — верхний. Для использования теплоты нит- розных газов в схеме производства слабой азотной кислоты

444

1880

46,7** 17,7

46,7**

17,7

93 5**

35,4

93,5** 35,4 140**

53 140** 53

1257

190

КУ, с естественной циркуляцией, П-образная компо-

444

1880

1257

190

новка, пакетный. Для сжигания отбросных газов про-

855

3620

1257

190

изводства технического углерода (совместно с допол-

855

1422

1422

3620

5720

5720

1257

1257

1257

190

190

190

нительным топливом)

940

—

200

850

200

КУ, вертикальная компо-

942 + 870

ционно-конвекти

вные

200

850

190

новка, МПЦ. Для охлаждения нитрозных газов при производстве слабой азотной кислоты

445

40

790

210

КУ, с естественной циркуляцией, с газоплотными цельносварными газоходами. Для охлаждения газов после вращающихся печей ь производстве обесфторенных фосфатов

20

900

450

ЭТА, с естественной цир-

44

900

450

куляцией. Испарительные ширмы расположены в вертикальной шахте. Подвод газа — верхний. Устанавливается за печами обжига сериого колчедана в кипящем слое. Часть испарительной поверхности расположена в кипящем слое

Паропроиэ-

Параметры пара

Поверхность

Типоразмер

водитель- ность, т/ч

Давление, МПа

Температура, °C

радиационная

конвективная

пароперегревателя

СЭТА-Ц-100-1М

СЭТА-Ц-100-2М

11,3

13,1

4,0

4,0

375

410

440

150

170

75

150

ПКС-Ц-10/40

9,5

4,0

354

25,3

40

23,2

РКС-75/40

75

4,0

440

700

1000

СРК-350

СР К-700

СР К-700

СРК-1400

51,5

102

102 '

203

4,0

4,0

4,0

4,0

440

440

440

440

1840

2705

2705

7205

665 (фестон)

1277

1277

2248

1330

550

109

2660

1100

218

2660

1100

218 2998 1462

438

ВОКГ-80-2 (конвертер ■ емкостью Е-80т)

ОКГ-130 (Е-130 т)

ОКГ-130 бд (Е-200 т)

ОКГ-180 (Е-180 т)

ОКГ-250-2 (Е-300 т)

ОКГ-250-Мбд

(Е-250 т)

ОКГ-400 (Е-400 т)

Вода (485,7 ГДж/ч)

0—345

0—345

60—138

0—250

0—160

0—285

3,3

4,0

2,0—4,0

4,7

4,0

1,9

2,0— 4,0

206

249*

211 — 249* 259*

249*

209*

211 — 249*

674 (1628)

1832 (2222) . 1832 (2222)

2124 (1806) 815 (8Ю) 410 (954)

1241 — (1981)

Продолжение табл. 2.6

нагрева, м2

Характеристика используемых газов

экономайзера

воздухоподогревателя

Объемный расход, тыс. м3/ч

Температура иа входе, °C

Температура на выходе, °C

Характеристика установки. Область применения

18,36

26,96

410 '

490

ЭТА, с естественной циркуляцией, цилиндрический, вертикальный, цельносварной с горизонтальной циклонной топкой. Для установки в технологической линии получения серной кислоты из элементарной серы

—

—

1,6 (сероводородный газ)

1767

589

ЭТА, с естественной циркуляцией, двухбарабанный, с поворотом газов в горизонтальной плоскости. Для сжигания сероводорода и охлаждения продуктов сгорания

1680

155,8

1150

440

ЭТА, с естественной циркуляцией, башенная компоновка, с циклонной топкой. Для сжигания жидкой серы, охлаждения сериых газов и выработки перегретого пара

980

1760 (горизонтальный)

5282 (вертикальный)

8535

66—300

1400—

1500

280—290

ЭТА, с естественной циркуляцией, П-образная компоновка, с жидким удалением расплава. Для сжигания черного щелока, выработки энергетического пара в схеме регенерации химикатов при варке сульфатной целлюлозы

1057

200

253

270

130

200

200

1700

1700

1650

1700

1600

1700

1063

750

750

420

780

1100

КУ, для дожигания и охлаждения газов, выходящих из сталеплавильных конвертеров

В охладителях ОКГ-250-2, ОКГ-250-М2, ОКГ-400, ОКГ-130, ОКМЗОбд циркуляция принудительная, в охладителе ОКГ-180 — комбинированная (газоход — естественная циркуляция, кессон — принудительная)

393

1650

1070

Типоразмер •

Паропроиз- водитель- ность, т/ч

Параметры пара

Поверхность

Давление, МПа

Температура, °C

радиационная

конвективная

пароперегревателя

РКЖ-25/40

24

4,0

249*

1

360

—

РКК-25/40-75

16,7

(с напыль- ником 22,7)

4,0

249*

196,1

1 — 210,2 11—652,2

—

ЭТА-ЦФ-7Н2

32

4,0

440

266

376

ЦП-60-С-19

40

1,9

380

21,32 + 5,27

21,32 + 5,27

Подогреватели доменного газа

ЦП-60-С-45

40

4,5

445

149,1

149,1

'69,4

69,4

* Насыщенный пар.

** В числителе — общий расход газов через котел, в знаменателе — расход отбросных СО-содержащнх Примечание. В типоразмерах газотрубного котла буквы обозначают: Г - горизонтальный; В — пучком; Э - с экономайзером; П — с пароперегревателем; Т — с топкой; С — для серы; И -- с циклонной лы — с естественной циркуляцией. МПЦ — многократная принудительная циркуляция.

Рис. 2.32. Схема установки ГУБТ:

/ — воздуходувка; 2 — доменная печь; 3 — пылеуловитель; 4 - скруббер; 5 — трубы распылители; 6 — водоотделитель; 7 - электрофильтр; 8 - - автоматическое дроссельное устройство; 9 - смешивающий подогреватель газа; /0 •-ГУБТ; 11 — электрогенератор; 12— воздух на горение в смешивающий подогреватель; 13 — магистраль доменного газа

Таблица 2.7. Газотурбинные утилизационные бескомпрессорные установки

Характеристика

Мощность, МВт

6

8

12

Расход доменного газа, отнесенный к 0,101 МПа и 273 К, тыс. м3

Начальные параметры:

240

260

360

давление, МПа

0,16

0,2

0,23

температура, °C

110

ПО

ПО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРЮЧИХГАЗОВ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХАГРЕГАТОВ

Горючими газами от технологических агрегатов называют газы, которые могут быть использованы в качестве топлива. Теплота сгорания этих газов должна обеспечивать получение температуры сгорания выше температуры их воспламенения. При получении относительно низких температур дожигание газов, необходимое по условиям предотвращения за-

Продолжение табл. 2.6

нагрева, м'2

Характеристика используемых газов

Характеристика установки. Область применения

экономайзера

воздухоподогревателя

Объемный расход, тыс. • м3/ч

Температура на входе, °C

Температура на выходе, °C

—

—

35

1200—

1250

348—407

КУ, Г-образная компоновка, МПЦ. Для охлаждения технологических газов печи жидкой ванны (ПЖВ) в цветной металлургии

—

—

56

До 850

350

КУ, горизонтальная компоновка МПЦ. Для охлаждения технологических газов за конвертерами медно-ни- келевого передела

205

1820

35

1880

215

ЭТА, с естественной циркуляцией, П-образная компоновка. Для получения кормовых обеефторенных фосфатов и перегретого пара

1 — 55

II — НО

1 — 55

11 — 110

Доменный газ

4,6

6,3

204

240

Центральный пароперегреватель для КУ. П-образ- ная компоновка. Для перегрева насыщенного пара

газов.

вертикальный; Б — с дополнительным барабаном-паросборником; И — с испарительным предвыключенным камерой сгорания; КУ — котел-утилизатор; ЭТА — энерготехнологический агрегат. Все газотрубные кот-

ГазСостав газа, %Теплота сгорания сухого газа, кДж/м3сн4n2со2о2сон2Н2Ос„н„Доменных печей, работающих с добавкой природного газа0,355,012,50,227,05,0—3760Коксовых печейОт кислородных конвертеров:25,53,02,40,539,8——2,316 900до газоочистки——10,0—90,0———11 300после газоочистки—13,618,66—58,6—9,14—8150Переработка нефти (пиролиза)41,00,20,5—0,814,0—43,047 450Сажевых печей0,1—2,0———9—1412—19——1700—2100Ферросплавных печей————————9650ГазСостав газа, %Теплота сгорания сухого газа, кДж/м3сн4n2со2о2сон2Н2Ос„н„Доменных печей, работающих с добавкой природного газа0,355,012,50,227,05,0—3760Коксовых печейОт кислородных конвертеров:25,53,02,40,539,8——2,316 900до газоочистки——10,0—90,0———11 300после газоочистки—13,618,66—58,6—9,14—8150Переработка нефти (пиролиза)41,00,20,5—0,814,0—43,047 450Сажевых печей0,1—2,0———9—1412—19——1700—2100Ферросплавных печей————————9650Таблица 2.8. Состав и теплота сгорания горючих газовТаблица 2.8. Состав и теплота сгорания горючих газов4 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.4 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

Газ

Состав газа, %

Теплота сгорания сухого газа, кДж/м3

сн4

n2

со2

о2

со

н2

Н2О

с„н„

Доменных печей, работающих с добавкой природного газа

0,3

55,0

12,5

0,2

27,0

5,0

—

3760

Коксовых печей

От кислородных конвертеров:

25,5

3,0

2,4

0,5

39,8

—

—

2,3

16 900

до газоочистки

—

—

10,0

—

90,0

—

—

—

11 300

после газоочистки

—

13,6

18,66

—

58,6

—

9,14

—

8150

Переработка нефти (пиролиза)

41,0

0,2

0,5

—

0,8

14,0

—

43,0

47 450

Сажевых печей

0,1—2,0

—

—

—

9—14

12—19

—

—

1700—2100

Ферросплавных печей

—

—

—

—

—

—

—

—

9650

Газ

Состав газа, %

Теплота сгорания сухого газа, кДж/м3

сн4

n2

со2

о2

со

н2

Н2О

с„н„

Доменных печей, работающих с добавкой природного газа

0,3

55,0

12,5

0,2

27,0

5,0

—

3760

Коксовых печей

От кислородных конвертеров:

25,5

3,0

2,4

0,5

39,8

—

—

2,3

16 900

до газоочистки

—

—

10,0

—

90,0

—

—

—

11 300

после газоочистки

—

13,6

18,66

—

58,6

—

9,14

—

8150

Переработка нефти (пиролиза)

41,0

0,2

0,5

—

0,8

14,0

—

43,0

47 450

Сажевых печей

0,1—2,0

—

—

—

9—14

12—19

—

—

1700—2100

Ферросплавных печей

—

—

—

—

—

—

—

—

9650

Таблица 2.8. Состав и теплота сгорания горючих газов

Таблица 2.8. Состав и теплота сгорания горючих газов

4 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

4 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

грязнения окружающей среды, возможно путем дополнительного подвода газа с высокой теплотой сгорания и подогрева воздуха, используемого для горения. Экономически такой

способ дожигания газа оправдывается, если QP > 1600 кДж/м3. При малом содержании горючих компонентов в газе возможно их окисление путем пропуска смеси газа с воз-

духом через раскаленную до 800—1000 °C каталитическую шамотную насадку с площадью поверхности Fuac, обеспечивающей соотношение FHac/VTaa> 1,5 м2-с/м3, где Ггаз — объемный расход горючих газов, м3/с. Состав и теплота сгорания некоторых горючих газов от технологических агрегатов приведены в табл. 2.8.

При периодическом поступлении горючих газов от технологических агрегатов непрерывное нх использование возможно при применении специальных устройств. В СССР предложены и разработаны системы использования конвертерных газов для выработки пара низкого давления и энергетических параметров и электроэнергии в газотурбинных установках, системы с пароводяными и тепловыми аккумуляторами, а также система использования конвертерных газов для восстановления железной руды в домнах с газопроводом повышенного давления [39].

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА

В отходящих газах топок котлов и высокотемпературных технологических агрегатов имеются частицы уноса, которые находятся в твердом, жидком и парообразном состоянии. При условии /о.г/<пл>1 Цо.г— температура газов за топкой и рабочей камерой; („л — температура плавления золы и обрабатываемого материала) преобладающая часть уноса находится в парообразном состоянии. Когда (о.г/<пл<1, основная часть уноса находится в твердом состоянии.

Для очистки поверхностей нагрева от загрязнений применяют обдувочные устройства, дробеочистку, виброочистку, импульсную очистку [38].

Обдувочные устройства, выпускаемые заводом «Ильмарине», применяют для очистки радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Динамическое давление, необходимое для удаления отложений, примерно равно: для неслипшихся отложений — 200—250 Па, для уплотненных отложений — 400—500 Па.

В качестве обдувочного агента применяют пар (насыщенный и перегретый до 350— 450 °C) или сжатый воздух при температуре 50 °C. Максимальное давление пара и сжатого воздуха 4 МПа.

Дробеочистку применяют для очистки конвективных поверхностей нагрева, расположенных в вертикальных газоходах. Схема устройства для очистки дробью показана на рис. 2.33.

Установка дробеочистки состоит из нескольких контуров циркуляции дроби (два-

Рис. 2.33. Схемы дробеочистки:

а — напорная; б — всасывающая: / — всасывающая насадка; 2 — инжектор; 3 — дробеуловитель; 4 — разбрасыватель дроби; 5 — труба для отделения возврата дроби; 6 — мигалка; 7 — эжектор

три), число которых выбирают в зависимости от размеров и компоновки конвективных поверхностей нагрева. Контур циркуляции с верхним хранением дроби (под давлением) или нижним хранением дроби (под разрежением) состоит из ряда узлов, обеспечивающих работу одного или двух разбрасывателей. Установка выполняется с пневмотранспортом дроби под давлением (с компрессором) или под разрежением с паровым эжектором.

Виброочистка труб котла осуществляется путем их колебания — вибрации с большой частотой. Наиболее эффективна виброочистка вертикальных труб. Для передачи колебаний трубам используются вибраторы эксцентрикового типа С-433-А, С-484, С-788, ИВ-38А н пневмовибраторы ВПН-69-ВТИ.

Вибраторы через виброштанги передают колебания трубам в плоскости змеевиков (рис. 2.34, а) либо в перпендикулярной плоскости. Варианты установок вибраторов показаны на рис. 2.34, бив.

Вместо охлаждаемой виброштанги могут быть использованы трубы поверхности нагрева, выведенные за обмуровку. Частота вращения вибратора 3000 об/мии. Амплитуда колебаний 3—4 мм. Цикл очистки 2—2,5 мин.

Импульсная очистка основана на ударном воздействии волны газов. Устройство для импульсной очистки представляет собой камеру, внутренняя полость которой сообщается с газоходами котла, в которых расположены конвективные поверхности нагрева. В камеру горения периодически подается смесь горючих газов с окислителем, которая воспламеняется электроискрой. При взрыве смеси в камере повышается давление и образующиеся волны

Рис. 2.34. Установка вибратора для очистки труб:

а —общий вид установки; б — вариант узла / с жесткой связью между вибратором и трубами; в — вариант узла / без жесткой связи

газов, распространяясь по межтрубному пространству, очищают поверхности нагрева от загрязнений. В качестве окислителя газов в камере горения используется смесь 10 % кислорода и 90 % воздуха. На каждые 300— 350 м2 поверхности нагрева КУ устанавливают не менее одной импульсной камеры. Минимальное время выхлопа 2—3 с. Максимальная частота колебаний 0,5—0,3 Гц.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

И ОТХОДОВ, ЭЛЕМЕНТОВОГРАЖДЕНИЯ

И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЭР

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙТЕПЛОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПРОДУКЦИИ

Использование теплоты горячего кокса. Кокс, выходящий из коксовой печи, имеет температуру 1000—1100°С. В тепловом балансе системы отопления коксовой печи физическая теплота горячего кокса составляет около 50 %. При распространенном ранее мокром тушении кокса теплота эта полностью терялась. При сухом тушении кокса его физическая теплота полезно используется для получения водяного пара. Принципиальная схема

установки для сухого тушения кокса (УСТК) показана на рис. 2.35.

Горячий кокс из коксоприемного вагона транспортируется к загрузочному устройству тушильного бункера (камеры) и поступает в него через форкамеру — аккумулятор горячего кокса. Назначение форкамеры — обеспечение непрерывной работы УСТК при периодической подаче горячего кокса, а также уменьшение подсоса воздуха или выбивания инертных газов из бункера. В тушильной камере через горячий кокс противоточно продуваются газы (N2, СО2), которые охлаждают кокс до 200—250 °C и нагреваются до 800— 850°С. Нагретые газы после пылеосадителя поступают в котел, охлаждаются до 150— 170°С и после пылеулавливающих циклонов дымососом вновь подаются в нижнюю часть тушильного бункера. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от кокса к газу, Вт/(м2-К) [19], a =9,7wn,5/d0'33, к ’0 /иср ’

где wq — скорость газов в межкусковом пространстве, м/с; dCp — гидравлический диаметр межкускового пространства, м.

Коэффициент теплоотдачи излучением ал от кокса к газу принимают равным 2,3 Вт/(м2-К).

Продолжительность сухого тушения кокса 2—3 ч. Наряду со значительным улучшением качества кокса при сухом его тушении на 1 т загруженного кокса вырабатывается 0,4— 0,45 т пара. Во избежание износа поверхно-

Рис. 2.35. Схема использования физической теплоты горячего кокса:

/ — загрузочное устройство; 2 — форкамера; 3 — тушильная камера; 4 — пылеосадительный бункер; 5 — котел; 6 — пылеулавливающие циклоны; 7 — дымосос

Рис. 2.36. Схема установки непрерывного литья заготовок с использованием теплоты жидкой стали:

/ — ковш; 2—промежуточная емкость; 3— кристаллизатор; 4 — оросительные холодильники; 5 — механизм вытягивания заготовок; 6 — газорезка; 7 — рольганг; 8- ролики-выпрямители

Рис: 2.37. Схема охлаждения заготовок:

/ — камера радиационного охлаждения; 2 — камера дополнительного охлаждения

стей нагрева котла скорость газов должна быть не более 8—10 м/с. Характеристика КУ КСТК-35/40-100, применяемого для использования физической теплоты горячего кокса, приведена в табл. 2.6. Пример расчета камеры для сухого тушений кокса см. в [19].

Использование физической теплоты жидкой стали. Жидкая сталь из сталеплавильных агрегатов уносит около 1300 кДж/кг теплоты. В случае охлаждения слитков в изложницах до температуры окружающей среды теплота эта полностью теряется. Горячий посад слитков (800—900 °C) в нагревательные колодцы

снижает потери теплоты и обеспечивает экономию топлива на отопление колодцев. Возможности эффективного использования теплоты жидкой стали открываются при непрерывной разливке стали с охлаждаемыми кристаллизаторами (рис. 2.36), особенно при применении испарительного охлаждения. При этом на 1 т стали можно получить около 220 кг пара [34].

Использование физической теплоты заготовок. На металлургических заводах прокатные заготовки после обжимных станов имеют температуру около 1000 °C. При охлаждении этих заготовок в штабелях на воздухе теплота их практически теряется. На рис. 2.37 показана схема охлаждения заготовок с использованием их теплоты для выработки пара. Первая ступень охлаждения заготовок (1000—700 °C) осуществляется в камере радиационного охлаждения (КРО), где установлена радиационная трубчатая система, в которой вырабатывается пар давлением 1,8 МПа. В КРО отводится около 40 % теплоты, содержащейся в заготовках. В камере дополнительного охлаждения (КДО) охлаждение заготовок (700—130 °C) осуществляется опрыскиванием их водой [34]. При этом также может быть получен пар. В камерах охлаждения перемещение заготовок осуществляется с помощью шагающих балок.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫОТВАЛЬНЫХ ШЛАКОВ

В рудно-термических процессах в черной и цветной металлургии образуется значительное количество отвальных шлаков. В тепловых балансах доменных и сталеплавильных печей теплота шлаков, выдаваемых при температуре 1350—1750 °C, составляет 3—5 %, а при плавке руд цветных металлов теплота шлаков, имеющих температуру 1200—1400°С, составляет 25—35 % [28].

Схема теплофикационного использования теплоты шлаков никелевого производства показана на рис. 2.38. Вытекающий из электропечи шлак при температуре около 1300 °C гранулируется оборотной водой. На 1 т гранулируемого шлака получают 3 т горячей воды при температуре 70 °C.

Перспективны схемы использования теплоты расплавленных шлаков при воздушной их грануляции с выработкой пара [28], а также при грануляции их водой с получением пара, используемого в абсорбционных холодильных машинах [19]. Наиболее перспективно комплексное использование шлаков как источника вторичных материальных и энергетических ресурсов.

Рис. 2.38. Схема теплофикационного использования шлаков:/ — электропечь; 2 — кессонированный желоб; 3 трубопровод гранулирующей воды; 4 — шлакопри- емник; 5-• отстойник; 6— цистерна-аккумулятор горнчей воды; 7 -- циркуляционный насос; 8 теплообменники; 9 — шлаковый элеваторРис. 2.38. Схема теплофикационного использования шлаков:/ — электропечь; 2 — кессонированный желоб; 3 трубопровод гранулирующей воды; 4 — шлакопри- емник; 5-• отстойник; 6— цистерна-аккумулятор горнчей воды; 7 -- циркуляционный насос; 8 теплообменники; 9 — шлаковый элеваторИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ,ИЗЛУЧАЕМОЙ ПЕЧАМИ

Рис. 2.38. Схема теплофикационного использования шлаков:

/ — электропечь; 2 — кессонированный желоб; 3 трубопровод гранулирующей воды; 4 — шлакопри- емник; 5-• отстойник; 6— цистерна-аккумулятор горнчей воды; 7 -- циркуляционный насос; 8 теплообменники; 9 — шлаковый элеватор

Рис. 2.38. Схема теплофикационного использования шлаков:

/ — электропечь; 2 — кессонированный желоб; 3 трубопровод гранулирующей воды; 4 — шлакопри- емник; 5-• отстойник; 6— цистерна-аккумулятор горнчей воды; 7 -- циркуляционный насос; 8 теплообменники; 9 — шлаковый элеватор

Потеря теплоты теплотехнологическими агрегатами от излучения в окружающую среду и наружного охлаждения составляет 1—25 %. Возможная схема использования теплоты, излучаемой корпусом агрегата, на примере вращающейся цементной печи показана на рис. 2.39. Для использования излучаемой теплоты применяются неподвижные кольцеобразные экранирующие теплообменники, устанавливаемые по длине печи. Теплота, теряемая печью, воспринимается циркулирующей в теплообменниках химически очищенной водой, используемой в системе теплоснабжения предприятия. По данным Южгипроцемента применение теплоиспользующих теплообменников приводит к снижению температуры корпуса вращающейся печи на 70—150 °C, что способствует уменьшению его деформации, снижению осевых усилий на опоры, улучшает условия образования обмазки в печи и повышает

Рис. 2.39. Схема использования теплоты, излучаемой вращающейся печью:

/ — корпус вращающейся печи; 2 — неподвижные кольцеобразные экранирующие теплообменники;

3 — насос; 4—6потребители теплоты; /„ /г

температура холодной и горячей воды на входе и на выходе экранирующих теплообменников

стойкость футеровки. В зависимости от режима работы печи температура горячей воды на выходе из теплообменника принимается для зимнего периода 80—90 °C, для летнего 45— 85 °C, что достигается изменением расхода охлаждающей воды. Для цементной печи 5Х 185 м тепловая мощность теплоиспользующей установки составляет (12,5-?- 14,6) • 103 МДж/ч и дает экономию топлива по замещаемой котельной около 5600 т/год. По указанной схеме возможна организация использования теплоты, излучаемой другими теплотехнологическими агрегатами.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ОТОХЛАЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Используемые в промышленности системы испарительного охлаждения элементов печей [1] подразделяют на системы с естественной и принудительной многократной циркуляцией. Системы выполняются с индивидуальными контурами циркуляции или в комбинации с контурами циркуляции КУ (рис. 2.40).

В индивидуальных системах с естественной циркуляцией в пламенных печах обычно получают насыщенный пар до 1,8 МПа, в шахтных печах — до 0,8 МПа. В системах с циркуляционным контуром, комбинированным с КУ, предусматривается выработка пара с давлением до 4,5 МПа и температурой 450 °C. Для систем низкого давления в качестве питательной воды используют химически очищенную и деаэрированную воду.

Количества теплоты, передаваемой охлаждаемым элементам рабочей камеры различных печей, приведены в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Теплота, передаваемая охлаждаемым элементам печей

Печь

Охлаждаемые элементы

Общая отводимая тепловая мощность

Плотность теплового потока, кВт/м2

% В тепЛОВОМ балансе

МВт

средняя

максимальная

Доменная

Плнтовые холодильники

3—5

5—10

1,5—3

20—25

Холодильники распара

—

—

6—10

20—25

Холодильники заплечиков и фурменной зоны

3,5

5—10

20—25

50—60

Мартеновская

Дутьевые фурмы

Пятовые балки, рамы завалочных окон, фурмы и газовые кессоны;

300—400

500—600

оголенная поверхность

15—20

3,5—6

250—350

500—600

футерованная поверхность

—

—

20—30

50—80

Методическая

Глиссажные и опорные трубы

10—15

1,5—3

15—25

40—60

Шахтная ва- тержакетная

Вертикальные кессоны

15—25

5—7

20—50

—

Электросталеплавильная

Системы конструкций электродов

15—20

5—6

30—50

100

Электроферро- сплавная

Система конструкций

2—3

0,6—0,8

20—30

60—80

Тепловой поток, кВт/м2Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К), при массовой скорости смеси, кг/(м2-с)1000150020009301,2/1,32,0/2,22,8/3,07001,8/2,02,8/3,03,6/4,04702,8/3,04,0/4,45,5/5,92304,9/5,26,2/6,88,0/8,8Тепловой поток, кВт/м2Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К), при массовой скорости смеси, кг/(м2-с)1000150020009301,2/1,32,0/2,22,8/3,07001,8/2,02,8/3,03,6/4,04702,8/3,04,0/4,45,5/5,92304,9/5,26,2/6,88,0/8,8Таблица 2.10. Коэффициенты теплоотдачи от стенки к пароводяной смесиТаблица 2.10. Коэффициенты теплоотдачи от стенки к пароводяной смесиПримечание. В числителе — при 1 МПа, в знаменателе — при 4 МПа.Примечание. В числителе — при 1 МПа, в знаменателе — при 4 МПа.

Тепловой поток, кВт/м2

Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К), при массовой скорости смеси, кг/(м2-с)

1000

1500

2000

930

1,2/1,3

2,0/2,2

2,8/3,0

700

1,8/2,0

2,8/3,0

3,6/4,0

470

2,8/3,0

4,0/4,4

5,5/5,9

230

4,9/5,2

6,2/6,8

8,0/8,8

Тепловой поток, кВт/м2

Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К), при массовой скорости смеси, кг/(м2-с)

1000

1500

2000

930

1,2/1,3

2,0/2,2

2,8/3,0

700

1,8/2,0

2,8/3,0

3,6/4,0

470

2,8/3,0

4,0/4,4

5,5/5,9

230

4,9/5,2

6,2/6,8

8,0/8,8

Таблица 2.10. Коэффициенты теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси

Таблица 2.10. Коэффициенты теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси

Примечание. В числителе — при 1 МПа, в знаменателе — при 4 МПа.

Примечание. В числителе — при 1 МПа, в знаменателе — при 4 МПа.

Рис. 2.40. Принципиальные схемы испарительного, охлаждения элементов печей:а — с естественной циркуляцией; б — с МПЦ; в — с МПЦ; г — комбинированная с котлом с естественной циркуляцией; 1 — барабан; 2 — охлаждаемый элемент; 3—циркуляционный насос; 4 — конвективные поверхности нагрева котла; 5 — пароперегреватель; 6 — воздухоподогреватель.Рис. 2.40. Принципиальные схемы испарительного, охлаждения элементов печей:а — с естественной циркуляцией; б — с МПЦ; в — с МПЦ; г — комбинированная с котлом с естественной циркуляцией; 1 — барабан; 2 — охлаждаемый элемент; 3—циркуляционный насос; 4 — конвективные поверхности нагрева котла; 5 — пароперегреватель; 6 — воздухоподогреватель.Целью расчета системы испарительного охлаждения является выбор конструктивных характеристик системы и условий охлаждения элементов, обеспечивающих безаварийную работу системы. Предельно допустимые температуры наружной поверхности труб из стали 20 составляет 450 °C, из стали 12Х1МФ при удельной тепловой нагрузке более 350 кВт/м2 — 540 °C.

Рис. 2.40. Принципиальные схемы испарительного, охлаждения элементов печей:

а — с естественной циркуляцией; б — с МПЦ; в — с МПЦ; г — комбинированная с котлом с естественной циркуляцией; 1 — барабан; 2 — охлаждаемый элемент; 3—циркуляционный насос; 4 — конвективные поверхности нагрева котла; 5 — пароперегреватель; 6 — воздухоподогреватель.

Рис. 2.40. Принципиальные схемы испарительного, охлаждения элементов печей:

а — с естественной циркуляцией; б — с МПЦ; в — с МПЦ; г — комбинированная с котлом с естественной циркуляцией; 1 — барабан; 2 — охлаждаемый элемент; 3—циркуляционный насос; 4 — конвективные поверхности нагрева котла; 5 — пароперегреватель; 6 — воздухоподогреватель.

При расчете температуры стенки элементов коэффициент теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси аг при давлении ее 1 — 5 МПа, тепловосприятии элемента до 600 кВт/м2 и паросодержании 30—35 % определяется по минимальным коэффициентам теплоотдачи, приведенным для вертикальных труб в табл. 2.10.

7 2 3 Ч 57 2 3 Ч 577Рис. 2.41. Конструкции ограждений ВТУ разного типа: а — однослойная огнеупорная кладка; б — многослойная обмуровка; в— монолитные ограждения (одно- и двухслойные); г — принудительно охлаждаемая однослойная кладка; д — чисто гар- ниссажиая футеровка; е—гарниссажная футеровка на огнеупорной набивке; / — огнеупор; 1а — огнеупорное покрытие; 2 — легковес; 3 — эффективная тепловая изоляция; 4 — герметизирующий слой; 5 — элемент каркаса; 6 — струи вентиляторного воздуха; 7 — вода или пароводяная смесь; 8 — металлический кессон или трубы; 9 — капли расплавленного технологического материала; 10 — пленка стекающего расплава; // — гарниссаж; 12 — огнеупорная набивка; 13 — ошипованная металлическая стенкаРис. 2.41. Конструкции ограждений ВТУ разного типа: а — однослойная огнеупорная кладка; б — многослойная обмуровка; в— монолитные ограждения (одно- и двухслойные); г — принудительно охлаждаемая однослойная кладка; д — чисто гар- ниссажиая футеровка; е—гарниссажная футеровка на огнеупорной набивке; / — огнеупор; 1а — огнеупорное покрытие; 2 — легковес; 3 — эффективная тепловая изоляция; 4 — герметизирующий слой; 5 — элемент каркаса; 6 — струи вентиляторного воздуха; 7 — вода или пароводяная смесь; 8 — металлический кессон или трубы; 9 — капли расплавленного технологического материала; 10 — пленка стекающего расплава; // — гарниссаж; 12 — огнеупорная набивка; 13 — ошипованная металлическая стенка10 77 810 77 85)5)1010ЖЖ997 12 137 12 13

7 2 3 Ч 5

7 2 3 Ч 5

7

7

Рис. 2.41. Конструкции ограждений ВТУ разного типа: а — однослойная огнеупорная кладка; б — многослойная обмуровка; в— монолитные ограждения (одно- и двухслойные); г — принудительно охлаждаемая однослойная кладка; д — чисто гар- ниссажиая футеровка; е—гарниссажная футеровка на огнеупорной набивке; / — огнеупор; 1а — огнеупорное покрытие; 2 — легковес; 3 — эффективная тепловая изоляция; 4 — герметизирующий слой; 5 — элемент каркаса; 6 — струи вентиляторного воздуха; 7 — вода или пароводяная смесь; 8 — металлический кессон или трубы; 9 — капли расплавленного технологического материала; 10 — пленка стекающего расплава; // — гарниссаж; 12 — огнеупорная набивка; 13 — ошипованная металлическая стенка

Рис. 2.41. Конструкции ограждений ВТУ разного типа: а — однослойная огнеупорная кладка; б — многослойная обмуровка; в— монолитные ограждения (одно- и двухслойные); г — принудительно охлаждаемая однослойная кладка; д — чисто гар- ниссажиая футеровка; е—гарниссажная футеровка на огнеупорной набивке; / — огнеупор; 1а — огнеупорное покрытие; 2 — легковес; 3 — эффективная тепловая изоляция; 4 — герметизирующий слой; 5 — элемент каркаса; 6 — струи вентиляторного воздуха; 7 — вода или пароводяная смесь; 8 — металлический кессон или трубы; 9 — капли расплавленного технологического материала; 10 — пленка стекающего расплава; // — гарниссаж; 12 — огнеупорная набивка; 13 — ошипованная металлическая стенка

10 77 8

10 77 8

5)

5)

10

10

Ж

Ж

9

9

7 12 13

7 12 13

Для горизонтальных труб минимальный коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К), зависит от диаметра труб и определяется для изолированных труб из выражения

“гор=“мин(0-015й).

где аМИн — минимальный коэффициент теплоотдачи, определяемый по табл. 2.14; d — диаметр трубы, м.

КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДЫРАСЧЕТА ОГРАЖДЕНИЙ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХУСТАНОВОК

ХАРАКТЕРИСТИКА ОГРАЖДЕНИЙ И ОГНЕУПОРОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ВЫБОРУ

Ограждение — конструктивная часть ВТУ, предназначенная для отделения высокотемпературной зоны от окружающей среды и удовлетворяющая в той или иной мере предъявляемым общим требованиям: обеспечению длительной и надежной работы с сохранением строительной прочности в течение всей межремонтной кампании; наибольшему ограничению потерь теплоты; высокой газо- плотности и экономичности [42, 43].

По способу изготовления и конструкции ограждения делятся на четыре типа.

Однослойная огнеупорная кладка (футеровка) (рис. 2.41, а), выполняется из штучных огнеупорных изделий вперевязку, конструктивно наиболее проста, но отличается большими толщиной и массой, высокой теплоаккумулирующей способностью и значительной потерей теплоты в окружающую среду. Большие напряжения сжатия у основания конструкции ограничивают высоту и рабочую температуру эксплуатации [24,25].

Многослойная обмуровка (рис. 2.41, б) — совокупность стойкого к разрушающим воздействиям огнеупорного слоя, одного-двух слоев тепловой изоляции (высоко- и низкотемпературной) и герметизирующего слоя (уплотняющей обмазки, металлической обшивки). Огнеупорное покрытие толщиной от 1 до 15 мм, наиесениое с горячей стороны, повышает стойкость и длительность межремонтной кампании. В обмуровке функции слоев разделены; она существенно менее массивна, тоньше, обеспечивает снижение потерь теплоты, дешевле и экономичнее [21].

Качество огнеупорной кладки определяется толщиной швов между штучными изделиями: чем ответственней кладка, тем тоньше швы.

Толщина швов в зависимости от требуемого качества огнеупорной кладки:

Категориякладки...II]

Тщательностькладки..ОсобоТща-

тща-тедь-

■тельнаяиая

Толщина шва, мм . . . Менее 11—2

Продолжение

Категория кладки ... IllIV

Тщательность кладки..Обык-Проновен-стая

иая

Толщина шва, мм .,.2—33—4

В обоих названных типах связывание штучных изделий в огнеупорной кладке производится различными способами [12]:

кладка всухую— наиболее трудоемка, требует высокой квалификации каменщиков, точности формы и размеров изделий, но обеспечивает наиболее тонкий шов и высокую плотность (под ванных печей);

кладка на мертельных растворах — наиболее распространена и универсальна. Растворы составляют из тонкого огнеупорного порошка (мертеля), пластифицирующего компонента, связующей добавки и воды. Чем тоньше требуется шов, тем более жидкий мергельный раствор применяют;

прокладка между огнеупорными изделиями тонких (до 1 мм) железных пластин, которые при высокой температуре окисляются и прочно связывают их в монолит. Применяется для скрепления основных огнеупоров (пе- риклазохромитовые своды печей).

Монолитные ограждения (рис. 2.41, в) дешевле огнеупорной кладки, позволяют механизировать и ускорить сооружение и ремонт, снизить трудозатраты и выполнить конструкции любых размеров и формы, хорошо сочетающиеся с охлаждаемыми металлическими поверхностями; удобны при проведении горячего ремонта. Современные монолитные ограждения по свойствам близки к соответствующим штучным огнеупорным изделиям или превосходят их в конструкции и выполняются в виде огнеупорных бетонов или набивных масс [12, 24].

Огнеупорная бетонная смесь содержит зернисто-кусковой (кусками с размерами 0,5—70 мм) безусадочный огнеупорный заполнитель (85—90 %), упрочняющие добавки, вяжущий огнеупорный цемент (до 10—15%), воду нли водные растворы солей, кислот и т. п. (состав и свойства огнеупорных бетонов см. в п. 8.7.3 кн. 1 настоящей серии). Огнеупорные бетоны приобретают строительную прочность в холодном состоянии. Размеры отдельных бетонных блоков или плит ограничены снижением термостойкости и не должны превышать 1 —1,5 м. Между ними оставляют температурные швы.

Монолитные элементы могут выполняться двухслойными, с тепловой изоляцией.

Набивные массы состоят из огнеупорного порошка с размером частиц до 10—15 мм

(92—97 % по массе) и 3—8 % связки, плавящейся при высоких температурах (прокатная окалина, металлургический шлак, огнеупорная глина и др.). Набивная масса приобретает рабочие свойства при разогреве ограждения до рабочей температуры, когда она спекается и образует монолит без швов (см. п. 8.7.3 кн. 1 настоящей серии). Футеровка из набивной массы в виде монолита без температурных швов при работе находится в пластическом состоянии и может иметь любые размеры и форму. Набивную массу можно укладывать на слой огнеупора (наварка пода печи) и составлять однослойную конструкцию (набивной свод электропечи).

Принудительно охлаждаемые футеровки позволяют обеспечить при высокой форсировке технологического процесса и тяжелых условиях службы длительную и надежную работу ограждений, сократить расход огнеупорных материалов, но при этом существенно возрастает плотность теплового потока через ограждение (до 20- 200 кВт/м2 и более). Принудительное наружное охлаждение производится воздухом, водой, пароводяной смесью (испарительное охлаждение), расплавленными солями нлн металлами. Хорошо защищает ограждение от разрушения затвердевший на охлаждаемой поверхности слой расплавленного технологического материала — гарниссаж [12, 35] .

Принудительное охлаждение однослойной кладки (ванная стекловаренная печь, под доменной печи) приводит к снижению температуры огнеупора с горячей стороны (см. рис. 2.46, г), что замедляет его износ и продлевает межремонтную кампанию, но гарниссаж при этом, как правило, не образуется.

Чисто гарниссажная футеровка образуется на охлаждаемой металлической стенке (см. рис. 2.41, д), но прочность ее сцепления и тепловой контакт с холодной стенкой малы, что приводит к периодическому отслоению отдельных участков и их выплавлению, сопровождающемуся локальным тепловым ударом с плотностью теплового потока до 500— 800 кВт/м2. Чисто гарниссажная футеровка применяется в шахтных печах, загружаемых кусковым абразивным материалом, например в чугуноплавильных вагранках, ватержакет- ных печах цветной металлургии.

Для современных ВТУ с высокой форсировкой технологического процесса наиболее эффективна гарниссажная футеровка на тонком слое (до 30 мм) огнеупорной набивки (см. рис. 2.41, е), нанесенной на ошипованную трубную или кессонную металлическую конструкцию с испарительным ее охлаждением,

что обеспечивает надежную и длительную работу ограждений.

При коиструнровании ограждений предпочтительно использование монолитных и принудительно охлаждаемых футеровой [36, 42].

Рабочий огнеупор (см. п. 8.7.3 кн. 1 настоящей серии) подбирают по устойчивости к главному разрушающему фактору в данных конкретных условиях [12, 24].

При воздействии расплавленного технологического материала (наиболее частая причина разрушения футеровки) огнеупор подбирают по шлакоустойчивости в несколько последовательных этапов. Предварительный отбор предпочтительного типа и группы огнеупора ведется по химическому составу минерального расплава (табл. 2.11). Далее из ограниченного круга отобранных типов и групп выбирают наиболее плотный и прочный огнеупор с минимумом стекловидной фазы, предпочтительно с мелкокристаллической макроструктурой (спеченный из тонкого порошка,

самосвязанный или на химической связке), учитывая опыт эксплуатации огнеупоров в аналогичных условиях.

При резкопеременном температурном режиме работы ограждения и отсутствии минерального расплава огнеупор подбирают по термостойкости (см. п. 8.7.1 кн. 1 настоящей серии) согласно рекомендациям табл. 2.12.

Повышенной термостойкостью обладают огнеупоры с однородной крупнокристаллической макроструктурой на кристаллической связке (минимум стекловидной фазы), высокопрочные, с оптимальной общей пористостью (10—18%). При наличии значительных термических напряжений нежелательно использование крупноблочных и фасонных изделий. Высокой термостойкостью обладают футеровки из набивных масс и гарниссажные. С появлением жидкой фазы в огнеупоре и достижением пластического состояния термостойкость возрастает.

Группа минерального расплава (по В. В. Лапину)Характеристика химического состава минерального расплаваРекомендуемые огнеупорыКислотность*Основность**Окислительная газовая средаВосстановительная газовая средаУльтракислые Кислые> 3 1,5—3<0,5 1—0,5Кварцевое стекло, динасовые, алюмосиликатные, корундовые, хромокисные, цирконистыеДинасовые (до 1600 °C), шамотные (до 1400 °C), корундовые (до 1800 °C), карбидкремниевые, углеродистыеСредние1 — 1,51,5—1Алюмосиликатные, хромитовые, хромокисныеУглеродистые, алюмосиликатные, хромитовые (до 1500 °C)ОсновныеУльтраосновные0,5—1<0,52,5—1,5 >2,5Магнезиальные, магнезиально-известковые, маг- незиально-силикатныеУглеродистые, магнезиальные (до 1450 °C), хромитопериклазовые (до 1500°С), периклазошпинелидные, смолодоломитовыеРасплавленные металлыКорундовые, муллитовые, магнезиальные, хромитовые, хромито-периклазовые, цирконистые, углеродистые, смолодоломитовые, оксидныеГруппа минерального расплава (по В. В. Лапину)Характеристика химического состава минерального расплаваРекомендуемые огнеупорыКислотность*Основность**Окислительная газовая средаВосстановительная газовая средаУльтракислые Кислые> 3 1,5—3<0,5 1—0,5Кварцевое стекло, динасовые, алюмосиликатные, корундовые, хромокисные, цирконистыеДинасовые (до 1600 °C), шамотные (до 1400 °C), корундовые (до 1800 °C), карбидкремниевые, углеродистыеСредние1 — 1,51,5—1Алюмосиликатные, хромитовые, хромокисныеУглеродистые, алюмосиликатные, хромитовые (до 1500 °C)ОсновныеУльтраосновные0,5—1<0,52,5—1,5 >2,5Магнезиальные, магнезиально-известковые, маг- незиально-силикатныеУглеродистые, магнезиальные (до 1450 °C), хромитопериклазовые (до 1500°С), периклазошпинелидные, смолодоломитовыеРасплавленные металлыКорундовые, муллитовые, магнезиальные, хромитовые, хромито-периклазовые, цирконистые, углеродистые, смолодоломитовые, оксидныеТабл и ца 2.11. Рекомендации по выбору рабочего огнеупора в ВТУ с расплавами [12, 24]Табл и ца 2.11. Рекомендации по выбору рабочего огнеупора в ВТУ с расплавами [12, 24]SiO^~|— ^2^5 “ЬFeO + CaO+Na2O+„. ’sro+r2oRO2 4“ R2O^SiO^~|— ^2^5 “ЬFeO + CaO+Na2O+„. ’sro+r2oRO2 4“ R2O^При сочетании переменного теплового ре-

Группа минерального расплава (по В. В. Лапину)

Характеристика химического состава минерального расплава

Рекомендуемые огнеупоры

Кислотность*

Основность**

Окислительная газовая среда

Восстановительная газовая среда

Ультракислые Кислые

> 3 1,5—3

<0,5 1—0,5

Кварцевое стекло, динасовые, алюмосиликатные, корундовые, хромокисные, цирконистые

Динасовые (до 1600 °C), шамотные (до 1400 °C), корундовые (до 1800 °C), карбидкремниевые, углеродистые

Средние

1 — 1,5

1,5—1

Алюмосиликатные, хромитовые, хромокисные

Углеродистые, алюмосиликатные, хромитовые (до 1500 °C)

Основные

Ультраосновные

0,5—1

<0,5

2,5—1,5 >2,5

Магнезиальные, магнезиально-известковые, маг- незиально-силикатные

Углеродистые, магнезиальные (до 1450 °C), хромитопериклазовые (до 1500°С), периклазошпинелидные, смолодоломитовые

Расплавленные металлы

Корундовые, муллитовые, магнезиальные, хромитовые, хромито-периклазовые, цирконистые, углеродистые, смолодоломитовые, оксидные

Группа минерального расплава (по В. В. Лапину)

Характеристика химического состава минерального расплава

Рекомендуемые огнеупоры

Кислотность*

Основность**

Окислительная газовая среда

Восстановительная газовая среда

Ультракислые Кислые

> 3 1,5—3

<0,5 1—0,5

Кварцевое стекло, динасовые, алюмосиликатные, корундовые, хромокисные, цирконистые

Динасовые (до 1600 °C), шамотные (до 1400 °C), корундовые (до 1800 °C), карбидкремниевые, углеродистые

Средние

1 — 1,5

1,5—1

Алюмосиликатные, хромитовые, хромокисные

Углеродистые, алюмосиликатные, хромитовые (до 1500 °C)

Основные

Ультраосновные

0,5—1

<0,5

2,5—1,5 >2,5

Магнезиальные, магнезиально-известковые, маг- незиально-силикатные

Углеродистые, магнезиальные (до 1450 °C), хромитопериклазовые (до 1500°С), периклазошпинелидные, смолодоломитовые

Расплавленные металлы

Корундовые, муллитовые, магнезиальные, хромитовые, хромито-периклазовые, цирконистые, углеродистые, смолодоломитовые, оксидные

Табл и ца 2.11. Рекомендации по выбору рабочего огнеупора в ВТУ с расплавами [12, 24]

Табл и ца 2.11. Рекомендации по выбору рабочего огнеупора в ВТУ с расплавами [12, 24]

SiO^~|— ^2^5 “Ь

FeO + CaO+Na2O+„. ’

sro+r2o

RO2 4“ R2O^

SiO^~|— ^2^5 “Ь

FeO + CaO+Na2O+„. ’

sro+r2o

RO2 4“ R2O^

ТермостойкостьОгнеупорные изделия (число теплосмен)Допустимый температурный режим футеровки в области хрупкого состояния огнеупораНеудовлетвори-Электроплавленые литые, динасовыеОчень медленное изменениетельиаядо 600 °C, периклазовые рядовые, хромокисные (1—2)температуры во времени (^54-8°С/ч)НизкаяХромитовые, динасовые 1-го класса до 600 °C (2—5), талькопериклазовые (2—5), корундовые рядовые (5—8), муллитокремнеземистые (8), периклазовые плотные (3—6), периклазошпи- нелидиые (5—9), хромито-периклазовые (3—5), форстеритовые (3—7)Умеренная скорость изменения температуры (^ 104- 15 °С/ч)СредняяДинасовые выше 600 °C, полукислые и шамотные (10—15), периклазовые высокоплотные (11 —16)Средняя скорость изменения температуры (15—50 °С/ч)ПовышеииаиКаолиновые, периклазошпииелидные с прямыми связями (15—20), многошамотные (15—50), муллитовые, муллитокорундовые и углеродистые (25), периклазофорстеритовые термостойкие (23—56), карбидкремииевые на связках (25—60)Высокая скорость изменения температуры (50—100 °С/ч)ВысокаяЦирконовые, углеродистые плотные (50—100), кварцевый брус, карбидкремниевые рекристаллизованные (100—300)Резкопеременный температурный режим (> 100°С/ч)ТермостойкостьОгнеупорные изделия (число теплосмен)Допустимый температурный режим футеровки в области хрупкого состояния огнеупораНеудовлетвори-Электроплавленые литые, динасовыеОчень медленное изменениетельиаядо 600 °C, периклазовые рядовые, хромокисные (1—2)температуры во времени (^54-8°С/ч)НизкаяХромитовые, динасовые 1-го класса до 600 °C (2—5), талькопериклазовые (2—5), корундовые рядовые (5—8), муллитокремнеземистые (8), периклазовые плотные (3—6), периклазошпи- нелидиые (5—9), хромито-периклазовые (3—5), форстеритовые (3—7)Умеренная скорость изменения температуры (^ 104- 15 °С/ч)СредняяДинасовые выше 600 °C, полукислые и шамотные (10—15), периклазовые высокоплотные (11 —16)Средняя скорость изменения температуры (15—50 °С/ч)ПовышеииаиКаолиновые, периклазошпииелидные с прямыми связями (15—20), многошамотные (15—50), муллитовые, муллитокорундовые и углеродистые (25), периклазофорстеритовые термостойкие (23—56), карбидкремииевые на связках (25—60)Высокая скорость изменения температуры (50—100 °С/ч)ВысокаяЦирконовые, углеродистые плотные (50—100), кварцевый брус, карбидкремниевые рекристаллизованные (100—300)Резкопеременный температурный режим (> 100°С/ч)Таблица 2.12. Термостойкость огнеупоров и рекомендации по их выбору для ВТУ с переменным температурным режимом [12,24]Таблица 2.12. Термостойкость огнеупоров и рекомендации по их выбору для ВТУ с переменным температурным режимом [12,24]жима с воздействием расплавленного минерального материала огнеупор выбирают с одновременным учетом требований шлакоустой- чивости и термостойкости. В этом случае целесообразно применение набивных масс иа основе шлакоустойчивого угнеупорного порошка. Эффективно использование огнеупорного покрытия, наносимого на поверхность рабочего огнеупора.

Термостойкость

Огнеупорные изделия (число теплосмен)

Допустимый температурный режим футеровки в области хрупкого состояния огнеупора

Неудовлетвори-

Электроплавленые литые, динасовые

Очень медленное изменение

тельиая

до 600 °C, периклазовые рядовые, хромокисные (1—2)

температуры во времени (^54-8°С/ч)

Низкая

Хромитовые, динасовые 1-го класса до 600 °C (2—5), талькопериклазовые (2—5), корундовые рядовые (5—8), муллитокремнеземистые (8), периклазовые плотные (3—6), периклазошпи- нелидиые (5—9), хромито-периклазовые (3—5), форстеритовые (3—7)

Умеренная скорость изменения температуры (^ 104- 15 °С/ч)

Средняя

Динасовые выше 600 °C, полукислые и шамотные (10—15), периклазовые высокоплотные (11 —16)

Средняя скорость изменения температуры (15—50 °С/ч)

Повышеииаи

Каолиновые, периклазошпииелидные с прямыми связями (15—20), многошамотные (15—50), муллитовые, муллитокорундовые и углеродистые (25), периклазофорстеритовые термостойкие (23—56), карбидкремииевые на связках (25—60)

Высокая скорость изменения температуры (50—100 °С/ч)

Высокая

Цирконовые, углеродистые плотные (50—100), кварцевый брус, карбидкремниевые рекристаллизованные (100—300)

Резкопеременный температурный режим (> 100°С/ч)

Термостойкость

Огнеупорные изделия (число теплосмен)

Допустимый температурный режим футеровки в области хрупкого состояния огнеупора

Неудовлетвори-

Электроплавленые литые, динасовые

Очень медленное изменение

тельиая

до 600 °C, периклазовые рядовые, хромокисные (1—2)

температуры во времени (^54-8°С/ч)

Низкая

Хромитовые, динасовые 1-го класса до 600 °C (2—5), талькопериклазовые (2—5), корундовые рядовые (5—8), муллитокремнеземистые (8), периклазовые плотные (3—6), периклазошпи- нелидиые (5—9), хромито-периклазовые (3—5), форстеритовые (3—7)

Умеренная скорость изменения температуры (^ 104- 15 °С/ч)

Средняя

Динасовые выше 600 °C, полукислые и шамотные (10—15), периклазовые высокоплотные (11 —16)

Средняя скорость изменения температуры (15—50 °С/ч)

Повышеииаи

Каолиновые, периклазошпииелидные с прямыми связями (15—20), многошамотные (15—50), муллитовые, муллитокорундовые и углеродистые (25), периклазофорстеритовые термостойкие (23—56), карбидкремииевые на связках (25—60)

Высокая скорость изменения температуры (50—100 °С/ч)

Высокая

Цирконовые, углеродистые плотные (50—100), кварцевый брус, карбидкремниевые рекристаллизованные (100—300)

Резкопеременный температурный режим (> 100°С/ч)

Таблица 2.12. Термостойкость огнеупоров и рекомендации по их выбору для ВТУ с переменным температурным режимом [12,24]

Таблица 2.12. Термостойкость огнеупоров и рекомендации по их выбору для ВТУ с переменным температурным режимом [12,24]

При стабильном тепловом режиме и отсутствии расплава на футеровку воздействуют умеренные термические напряжения и механические нагрузки при высоких температурах. При эрозионном и других механических воздействиях требуется огнеупор с повышенной механической прочностью — литой электро- плавленый или плотный, спеченный из тонкого порошка. При небольших механических нагрузках подбор рабочего огнеупора производят по температурам огнеупорности и начала размягчения под нагрузкой в сопоставлении с температурой в рабочей камере. Необходимо подобрать огнеупор, для которого /огн>/ракс и (н.р^1м. Рекомендуется использовать наименее дефицитные и дорогие огнеупоры, в отдельных случаях можно применять легковесы.

Растет доля производства и потребления высокостойких плавленолитых (бадделеитокорундовые, глиноземистые, алюмосиликатные,

хромкорундовые, хромалюмоцирконовые, маг- незиальношпинелидные) и спеченных при высоких температурах из тонких порошков чистых тугоплавких оксидов и некислородных соединений (корундовые, хромокисные, карбидкремниевые и др.) огнеупорных изделий, волокнистых огнеупорных материалов, неформованных огнеупоров. Они используются все шире как в традиционных, так и в новых высокотемпературных форсированных процессах, например в плазменных, в новой энергетике, на АЭС, в МГД-генераторах, для получения особо чистых металлов, стекол, сплавов.

РАСЧЕТ ОГРАЖДЕНИЙ

Расчет базируется иа основных положениях теории теплопроводности при стационарных (см. § 3.3 кн. 2) и нестационарных (см. § 3.4 кн. 2) условиях.

Расчет ограждений в стационарном тепловом состоянии. Плотность теплового потока q„ с от ограждения в окружающую среду и температура наружной поверхности /нар однозначно связаны выражением q0. с = = «о с (Сар—С. с), где коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности в окружающую среду в диапазоне /нар= 254-210 °C аппроксимированы выражением а0 с=ао +

4-01 (/нар — 30) — 02 (/нар —30)2Н-Оз (/нар — 30)\ в котором постоянные для различно ориентированных поверхностей составляют:

Со

а,-103

а2 -104

а3.106

9,3

91,5

3,88

1,37

9,5

98,15

4,74

1,74

9,7

100

4,43

1,35

пода . . . вертикальных стен . . . свода . . .

При поверочном расчете устанавливают q0с, Вт/м2, распределение температуры по толщине обмуровки и проверяют ее работоспособность.

Заданы (рис. 2.42, а) температура внутренней поверхности обмуровки /,„, температура окружающей среды t0. с, толщина слоев bi, bi, 63, положение обмуровки в пространстве, материалы слоев и их теплопроводность Xi = =Д1 + 5</1 (/=1, 2, 3), предельно допустимые рабочие температуры материалов /ра^ [Х(/) и /ра£с, см. п. 8.7.5 кн. 1 настоящей серии].

Порядок расчета:

задают ряд /аар в диапазоне 50—200 °C и вычисляют

qо, с — ССо,с(/нар/о. c)j

задают приближенные значения /(, /2 и для тех же /нар находят средние температуры слоев

^ср 1 = 0'5 Ubh + zi); ZcP г^0-5 Ui + ^2)1

<рЗ = 0,5^ + /нар); X;=f(^pi) и общее тепловое сопротивление обмуровки XR.= b^ /X] +Ь^Х^ + б3/Х3;

для тех же /нар рассчитывают q = (/,„— — /нар) /^Rp

строят графики qoe (/нар) и у (2„ар), в точке пересечения которых определяют истинное значение q0. с и /кар;

уточняют температуры ti=t,„ — q0.cR'; ti = tB„ — q0. с (Ж + /?z) и /ср(; Xi = f(/cpi); Ri = = bi/K. Если относительное расхождение 1Л1 —ЛЯ/Лг, \Ri—Ri\/Ri; \R3~Ri\/R3 больше допустимого (как правило, принимают 0,005—0,02), то, задаваясь уточненными значениями /1, /2 и /нар, расчет q (/нар) повторяют и уточняют q„ с н /кар до тех пор, пока относительное расхождение станет меньше допустимого;

проверяют обеспечение условий /1 < </рабС2 и /2</раТз. Если ОДНО ИЗ НИХ ИЛИ оба ие выполняются, то обмуровка неработоспособна в данных условиях и ее надо изменить

Рис. 2.42. Распределение температуры при стационарном тепловом состоянии по толщине обмуровки (а) и принудительно охлаждаемой гарииссажной футеровки (б):

/ — рабочий огнеупор; 2 — легковес; 3 — тепловая изоляция; 4 — металлическая стенка; 5 — стальные шипы; 6 — огнеупорная набивка; 7 — гарниссаж; 8 — пленка стекающего расплава

При конструктивном расчете устанавливаются:

толщина слоев тепловой изоляции. При этом задают (см. рис. 2.47, а) толщину рабочего слоя (из условий обеспечения прочности конструкции в течение всей рабочей кампании с учетом износа) 61, м; огнеупор и его теплопроводность Xi = А 1 + 51/, Вт/(м-К); температуры /вн и /о. с, °C; плотность теплового потока через обмуровку q0. с, Вт/м2, и соответствующую ей /аар, °C. Выбирают материалы слоев тепловой изоляции 2-го и 3-го и рассчитывают требуемую их толщину.

Порядок расчета:

требуемое общее тепловое сопротивле- з

ние обмуровки, м2-К/Вт, £ ^==(/BH —/нар)/ qoci1 *

тепловое сопротивление слоев тепловой з

изоляции Я2 + Я3= 2 R( — Rv где R^bi/Xp, Х, = Л, + Б1/ср1 при /ср 1=0,5 (/,н + /1). Методом Последовательных приближений уточняют предварительно заданную /1 = /,н — qo. cRi;

выбирают легковес (см. п. 8.7.3 кн. 1 настоящей серии) из условия обеспечения его работоспособности по /равс2 = /1 + + (504-100) °C с запасом на износ рабочего огнеупора и эксплуатационные колебания температурного режима, для которого известна Х2 -= А2 —(- Б2/;

выбирают теплоизоляционный материал и задают /2 = /рабЗ — (304-70), °C. Тогда

^гр 2 = 0,5 (/1 +/2) и Хг = ^2 +бг^ср 2; /?2 = (/|— — ^г)/9о. с! Ь2 = В1Х2',

определяют требуемое тепловое сопро-

з тивление слоя 3-го, м2-°С/Вт, Ra = X Ri — i = 1

— (^1+^2)*/ср 3 = 0,5 (/2 +/нар)', Хз=Лз +

“Ь 63/ср 3, бз = /?зХз-

Для практического воплощения конструкции ограждения полученные расчетные толщины слоев 62 и 63 должны быть скорректированы с учетом минимальных размеров соответствующих стандартных изделий. Для полученного ограждения надо выполнить поверочный расчет (см. выше), уточнить /нар и qa.t, убедиться в обеспечении условий его работоспособности.

Изложенная методика расчета теплопо- терь через плоские ограждения может быть применена к цилиндрическим или искривленным стенам путем введения поправочного коэффициента кривизны ф: <7qP“b = у"J1c/q>, причем тепловой поток относится к среднему по толщине обмуровки размеру гср = 0,5(г„„ + + гнар). Значение поправочного коэффициента следующие:■

ГнаР/гвн •• • • 11,41,822,5

Ф11,011,0281,041,07

Продолжение

С нар/Гвн • • • ■ 3456

Ф1,11,1581,181,255

Если кривизна небольшая (гнар/гвн^2), то можно принять ф® 1;

масса конструкционных материалов

в ограждении, кг, М = X Мр где Л4, = щр1— i=i

масса <-го слоя ограждения; здесь U(=biFi — объем 1-го слоя ограждения, м3; Ft — площадь конструктивной части, м2;

толщина температурных швов. Температурные швы представляют собой преднамеренно оставляемые в процессе сооружения пустоты в ограждении определенной толщины, предназначенные для поглощения внутри конструкции его теплового расширения.

Толщина, м, температурных швов ^ш = ^ср^ш’

где а — коэффициент линейного расширения материала, °C-1; / ср — средняя температура слоя ограждения, °C; /,„ — расстояние между

температурными швами, м.

Рекомендуется в огнеупорной кладке /,„^ ^3=4 м, в ограждении из монолитных блоков /ш^1,54~2.м, причем с увеличением тем

пературы ограждения расстояние между швами надо уменьшать.

Температурные швы в поду ванных печей выполняют мелкими по всей площади вразбежку, либо делают один крупный по периферии ванны. В набивной огнеупорной массе, в кладке боровов и футеровке коммуникаций (для горячего воздуха, дымовых газов) при температуре теплоносителя до 700 °C температурные швы не выполняют.

Для кладки из штучных огнеупорных изделий разного типа рекомендуется средняя удельная толщина температурных швов 6„,//ш, мм/м: шамотной, полукислой, каолиновой, карбидкремниевой, шамотного легковеса 5—6; корундовой, тальковой безобжиговой, динасового легковеса 8—10; форстеритовой, динасовой 12; периклазовой, хромитовой, хромитопериклазовой и периклазохромитовой для нагревательных установок 12—14, для плавильных 20—25 [12, 42];

параметры принудительно охлаждаемой гарниссажной футеровки. Из условий внешнего теплообмена в рабочей камере к стенке рассчитывают плотность теплового потока через футеровку (см. рис. 2.47, б) при допущении, что в гарниссаже протекают превращения с тепловым эффектом, близким к нулю. Тепловой поток (считая его неразрывным), Вт/м2,

<1-=° К к”(Гр)4]+<-ет(Гр. к-О где о — приведенная излучательная способность рабочего пространства на стенку, Вт/(м2-К4); Гр. к — температура газового потока или расплава в ванне, омывающего футеровку со стороны рабочей камеры, К; “?_ст — коэффициент конвективного теплообмена между газами и стенкой, Вт/(м2-К).

Температура расплава на поверхности стекающей пленки /р = ZnJ1 + Д/, где 1„„— температура плавления технологического материала, °C; Д/ — перегрев, зависящий от вязкости расплава, порядок которого можно оценить по следующим рекомендациям:

Химический состав мате-

риалов

Ос-

Сред-

Кис-

НОВ-

ние

лые

ные

Порядок вязкости

рас-

плава цр, Па-с .

1

10

100

Порядок перегрева

А/,

°C

10

50

100

Толщина образующегося гарниссажа, м, 6г ^Т (^пл ^гр)/^ОХЛ*

где /rp = /o™ + (/?4аб+*/ссохЛ)/9охл - темпера-

тура, устанавливающаяся на границе между огнеупорной набивкой и гарниссажем, °C; Хг — теплопроводность гарниссажа (застывшего технологического материала), Вт/(м-К); /охл — температура охлаждающего стенку теплоносителя (воды, воздуха, пароводяной смеси или др.), °C; а0,л — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к охлаждающей среде, Вт/(м2-К).

Эффективное тепловое сопротивление слоя огнеупорной набивки, выполненной по металлическим шипам,

^ = «1«2/^1L + «2(1-UL

где /?1 = /ш/А.ш + (6„ —/„,)/А.„; R2 = b„/X„; рекомендуемая ПЛОТНОСТЬ ОШИПОВКИ fm = Fm/FCT = = 0,14-0,18 м2/м2.

Теплопроводность металла шипа, Вт/(м2-К): для углеродистой стали Хш = = 58,2—0,04/; для хромоникелевой Хш= 13 + + 0,0163/.

Теплопроводность набивки [35], Вт/(м-К): корундовой (р = 2150 кг/м3) Хн = 0,593 +

+ 90,7-10“5/;

магнезитовой (р = 2300 кг/м3) Х„ = 3,78— -186-10~5/;

хромитопериклазовой (р = 2450 кг/м3) Х„= 1,34 + 52,3- IO-5/;

хромитовой ПХМ-1 (р = 3000 кг/м3) Х„ = = 1,08+140-10"5/, ПХМ-6 (р = 2500 кг/м3) Х„ = 0,78 + 53,5-10“5/;

карбидкремниевой (р = 2100 кг/м3) Х„ = = 2,33 + 210- 10“5/, (р = 2500 кг/м3) Х„ = = 5,4 + 35-10“5/. \

Заданы: состав и теплофизические свойства технологического материала и охлаждающей среды; /„л, °C; характерный размер канала d (м), в котором движется охлаждающая среда со скоростью шОхл, м/с; /Охл, °C; /ш, /ш, dm, Ьн, материал и свойства огнеупорной набивки, /р, „; параметры рабочей камеры для расчета о и сср_ст.

Порядок расчета:

рассчитывают о, сСр_ст и qox„; аохл— по известным зависимостям Nu — f (Re, Рг); /ст — /охл + </охл/сСохл;

предварительно задаются /[р, определяют Х„ при /'р = 0,5 (/ст + /'гр) и R^;

вычисляют /гр и сравнивают с заданной. Если |/гр — /?р|/,р>е = 0,01, то задаются новым значением /(р и расчет повторяют;

вычисляют толщину гарниссажа ЬГ. Если 6Г< 0,005 м, то футеровка ненадежная и необходимо изменить fm, материал набивки или другие параметры. Для обеспечения надежной работы гарниссажной футеровки необходимо 6Г> 0,005 м.

Рис. 2.43. Температурный график и динамика теплопоглощения при разогреве футеровки из холодного состоянияРис. 2.43. Температурный график и динамика теплопоглощения при разогреве футеровки из холодного состоянияРасчет ограждений в нестационарном тепловом состоянии

Рис. 2.43. Температурный график и динамика теплопоглощения при разогреве футеровки из холодного состояния

Рис. 2.43. Температурный график и динамика теплопоглощения при разогреве футеровки из холодного состояния

Теплопог лощение при разогреве ограждения из холодного состояния. Заданы толщины слоев огнеупора 6; и тепловой изоляции 6г, их теплофизические свойства, коэффициент теплоотдачи от наружной стенки ан=р, график разогрева (рис. 2.43). Требуется рассчитать теплопоглощение и длительность разогрева ограждения до стационарного состояния. Теплопоглощение, кДж/м2, за рассматриваемое время разогрева T1+T2:

однослойной стенки

<72—pl^l^-l (^2 ^1)^1^ )Х

\ *1 /

ХфХфдвухслойной стенки

Хф

Хф

где a, =3,6Xi/(ptCi) — температуропровод-

ность огнеупора, м2/ч; Xi и Ci — при ^ = ^ + + (/2 —^)то/(т|+т2); to = O,5ti+t2, ч.

Поправочный' коэффициент £ = 0,94 + 5,24Fo/(l + 5Fo) при Fo=O|t/6i^0,25 равен 1. Функция ф(ато/6?, а„ар61/Х1), отражающая степень достижения стационарного состояния, для однослойной стенки аппроксимирована зависимостями от Bi = a„ap6i/Xi:

при Fo = 0-F0,3

<p = 2,27Fo°’478/(l+Bi) +

+ 5,6Fo (Bi—1)/[(1+5,44Fo) (1+Bi)];

при Fo=0,3-i-0,7 Ф=[2,27Ро°’478 +

+(0,34+Fo) (Bi-!)]/(1+Bi);

при Fo>0,7

Ф = [1,204+l,01Fo +

+ (0,34+ Fo) (Bi-])]/(1+Bi),а для двухслойной стенки устанавливается по

/ °iTo\

графикам ф I ——, а^/а^ bx/b2 I, пред-

\ 61/

ставленным на рис. 2.44.

Полученные по двум графикам значения ф'и ф"(соответствеино для fri/&2 = 0,92 и 1,84) интерполируются для фактического отношения толщины слоев ф=ф'+(<р —ф') (6i/62 — 0,92)/0,92.

При ф<1,3 ограждение находится в нестационарном тепловом состоянии. Поглощаемая стенкой теплота затрачивается на разогрев ограждения (аккумуляцию) и потери в окружающую среду от наружной поверхности qIi = qn + qo.c = f (т) и меняется во времени т1 + т2

(рис. 2.43), причем q^ = J q^ (т) dr.

0

Стационарное состояние наступает при Ф* = 1,3.

Длительность разогрева ограждения, ч, до стационарного состояния устанавливается • / °1т0 из графиков на рис. 2.44 при ф I ——, \ 61 анар61\.

—, 61/62,= 1,3, откуда находятся Fo '

Xj

и Fo*" соответственно при Ь\(Ъг = = 0,92 и 1,84 и интерполируются для фактического отношения толщины слоев

Fo' = Fo'' + (Fo'" — Fo'p) (6 ,/62 — 0,92)/0,92.

Рис. 2.44. График для расчета теплопоглощения двухслойных стенок при ао.с=14 Вт/(м2-К) для 6|/62 = 0,92 (а) и 6i/62=1,84 (б)

*^1 т0

По известному Fo = определяют

. Ь\

to = Fo*6?/oi и т*=(т1 +/2)* = то + О,5ть

Для расчета теплофизических свойств материалов ограждения при ^ = (0,5ti^i + + to6)/(O,5ti +тг) предварительно задается т0, которое сопоставляется с полученной из

Рис. 2.45. Температурный график (а) и номограмма (б) для расчета теплопоглощения футеровки при циклическом режиме работы

определяют по графику фопределяют по графику ф

определяют по графику ф

определяют по графику ф

расчета tJ. Если |т5 — т5'|/то> 0,05, то вновь задают то' и повторяют расчет.

Если то>то, то расчет теплопоглощения ведут по изложенной методике за период прогрева (ф‘=1,3), а за период тСтац = т0 — т! к q^ добавляют потери теплоты в окружаю

щую среду

<?отаси =

= 3,6тстац (/2 — 0)/(6 l/M “Е 62/ta “Е 1 /ОСнар) • Тогда ?s=^+<?oTcU-

Потери теплоты при циклической работе установки [42]. Заданы толщины слоев 6, и 62, теплофизические характеристики материалов ограждения, температурный график цикла (рис. 2.45, а).

Огнеупорные слои ограждений разделяют на термически толстые и тонкие. Если циклические колебания температуры внутренней поверхности огнеупорного слоя не достигают его наружной поверхности (/н1р не меняется), то слой является толстым; если же при этом /нар меняется во времени, то слой считается тонким.

Стенка считается тонкой: однослойная — при b<0,5 л]атц, многослойная — при 6:< <0,4-^а1тц, где tu = ti+т2-Етз длительность цикла (рис. 2.45, а).

Теплопоглощение за время цикла для тонких стен <72 = <7ак + <7о. с- Пульсирующая по времени составляющая

_/ а.т'а,г, \

9ак = Р|61С! (<2-/|)ф(Ь

\ Ь1 6|/

где t' = 0,2t]+ т2, ч.

По графику на рис. 2.44, б находят значение

Неизменная во времени составляющая Чо. с= 1,737 [(т, +т3) (/, -Е/2) + 2/2т2 —

-2/о.е^Ж(26,/\+1/«нар)]-

Стенка считается толстой, если она одновременно удовлетворяет условиям 6^ 1,29 (т i + т2) д/а (т । + т2)/(0,5т । + т2) и 63? 2,58 д/ат3.

Для толстых стенок

9ак = 3,363 ^рСХ (/2 /|)/[2 д/1 /т3 -Е

+ д/т| + т2/(°-5т1 + т2)];

= = (^ "'ос) V(W\ + 1 /«нар)-

Теплофизические свойства огнеупоров (см. п. 8.7.3 кн. 1 настоящей серии) вычисля

ют при /^ = [0,5 (/i+/2) (Т1-Et3)-E/2T2]/t„.

Порядок расчета:

1) устанавливают термическую толщину

стенки и выбирают методику расчета;

2)

и рассчитывают qaK;

предварительно задаются «нар и находят qoc. По q,, c = q0. с/(3600тц) устанавлива

ют соответствующие средние за цикл /^р и ан.Р = 9о.с/(^р-/о.с)- Если 1«-р- — а£ар|/аНар>*е = 0,02, то надо вновь задать «нар и повторить расчет;

^ = 9ак + %.с-

Методики расчета для тонких и толстых

стенок справедливы при установлении циклического теплового равновесия, которое наступает после проведения нескольких циклов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Андоньев С. М. Испарительное охлаждение металлургических печей. М.: Металлургия, 1970.

Аэродинамический расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. С. И. Мочана. Л.: Энергия, 1977.

Багров О. Н., Клешко Б. М., Михайлов В. В. Энергетика основных производств цветной металлургии. М.: Металлургия, 1979.

Бернштейн Р. С., Померанцев В. В., Шагалова С. Л. Обобщенный метод расчета аэродинамического сопротивления загруженных сечений // Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах. М.: Госэнергоиздат, 1959. С. 217—229.

Воинов А. П., Куперман Л. И., Су- шон С. П. Паровые котлы на отходящих газах. Киев: Вища школа, 1983.

Воробьев X. С., Мазуров Д. Я. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. М.: Высшая школа, 1962.

Воробьев X. С., Мазуров Д. Я., Соколов А. А. Теплотехнологические процессы и аппараты силикатных производств. М.: Высшая школа, 1965.

Гайнуллин Ф. Г., Крейнин Е. В. Способы и средства рекуперации тепла печных газов // Газовая промышленность. 1986. № 5. С. 35—36.

Газотрубные котлы-утилизаторы и энерготехнологические котлы. Отраслевой

каталог. / НИИ экономики в энергетическом машиностроении. М., 1986.

Глинков М. А. Основы общей теории печей. М.: Металлургиздат, 1962.

Забродский С. С. Высокотемпературные установки с псевдоожиженным слоем. М.: Энергия, 1971.

Залкинд И. Я., Троянкин Ю. В. Огнеупоры и шлаки в металлургии. М.: Металлургиздат, 1964.

Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Китаев Б. И. Теплотехнические расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1982.

Ключников А. Д. Основные направления реализации предельного энергосбережения в теплотехнологии / / Промышленная теплоэнергетика. 1986. № 10. С. 3—5.

Ключников А. Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей. М.: Энергия, 1974.

Ключников А. Д. Энергетика тепло- технологии и вопросы энергосбережения. М.: Энергоатомиздат, 1986.

Ключников А. Д., Иванцов Г. П. Теплопередача излучением в огнетехнических агрегатах (инженерные решения задач). М.: Энергия, 1970.

Ключников А. Д., Кузьмин В. Н., Морозов И. П. Движение частиц и теплообмен в условиях взвешенного слоя // Доклады НТК по итогам НИР за 1968—1969 гг. Секция промтеплоэнергетики, подсекция промышленной огнетехники и энерготехнологического комбинирования. М.: МЭИ, 1969. С. 82—92.

Куперман Л. И., Романовский С. А., Сидельковский Л. Н. Вторичные энергоресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности. Киев: Вища школа, 1986.

Котлы-утилизаторы и котлы энерготехнологические. Отраслевой каталог / НИИ- ИНФОРМЭНЕРГОмаш. М„ 1985.

Лурье М. А., Гончаренко В. П. Легковесные огнеупоры в промышленных печах. М.: Металлургия, 1974.

Носач В. Г. Економ1я палива: термох!- м!чна регенерация: новий спос!б газ1ф1кац!1 вуплля // В1сник АН УССР. 1982. № 2. С. 47—49.

Общие методические положения по выявлению резервов экономии топлива за счет использования вторичных энергетических ресурсов на промышленных предприятиях. М.: Госплан СССР (НИИПиН), 1977.

Огнеупоры и их применение: Пер. с японск. / Под ред. Я. М. Инамуры. М.: Металлургия, 1984.

Производство и применение плавленолитых огнеупоров / О. Н. Попов, О. Т. Рыбалкин и др. М.: Металлургия, 1985.

Расчет нагревательных и термических печей: Справочник / Под ред. В. М. Тымчака и В. Л. Гусовского. М.: Металлургия, 1983.

Роддатис К. Ф., Соколовский Я. Б. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергия, 1975.

Семененко Н. А. Организация тепло- использования и энерготехнологическое комбинирование в промышленной огнетехнике. М.: Энергия, 1976.

Сушон С. П., Завалко А. Г., Минц М. И. Вторичные энергетические ресурсы промышленности СССР. М.: Энергия, 1978.

Тайц Н. Ю., Розенгарт Ю. И. Методические нагревательные печи. М.: Металлургиздат, 1964.

Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. М.: Металлургия, 1975.

Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Н. В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973.

Тепло- и массообмен в плотном слое / Б. И. Китаев, В. Н. Тимофеев, Б. А. Боковиков и др.: М.: Металлургиздат, 1972.

Теплоэнергетика металлургических заводов / Под ред. Ю. И. Розенгарта. М.: Металлургия, 1985.

Троянкин Ю. В. Методическое руководство по выполнению и расчету охлаждаемых гарниссажных футеровок технологических циклонных камер. М.: МЭИ, 1975.

Троянкин Ю. В. Оптимизация футсро- вок и обмуровок. М.: МЭИ, 1980.

Хмельницкий Р. 3. Стальные рекуператоры. Расчеты и основы проектирования. М.: МЭИ, 1970.

Щелоков Я. М., Аввакумов А. М., Сазыкин Ю. К. Очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов. М.: Энергоатомиздат, 1984.

Юренев В. Н. Резервы экономии природного газа в черной металлургии / / Газовая промышленность. 1985. № 11. С. 36- 38.

ОСТ 108.030.135-84. Котлы паровые стационарные утилизаторы и энерготехпологи- ческие. Общие технические условия. Л.: НПО ЦКТИ, 1986.

Лисиенко В. Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах. М.: Металлургия, 1979.

Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / Под ред. Л. Н. Сидель- ковского. М.: Энергоатомиздат, 1989.

Троянкин Ю. В. Проектирование и эксплуатация огнетехнических установок. М.: Энергоатомиздат, 1988.

Троянкин Ю. В. К методике оценки экономического эффекта тепловой изоляции элементов промышленных печей // Промышленная энергетика. 1987. № 1. С. 9—12.

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Рис. 3.1. Печи и установки нагрева сопротивления:а—печь среднетемпературная косвенного нагрева; б—установка прямого нагрева (электроконтак- тная); в — печь с жидким теплоносителем (соляная ваниа); г — установка электрошлакового переплава; д — установка инфракрасного нагрева; е — печь низкотемпературная с калорифером; / — нагреватель;2— нагреваемое изделие; 3—футеровка; 4— тепловой поток; 5—контакты; 6— электроды; 7— корпус; 8 — расплав соли; 9'— переплавляемый электрод; 10 — шлак; // — расплавленный металл; 12 — слиток; 13 — кристаллизатор; 14 — отражатель; 15 — излучатель; 16 — газовый поток; 17 — вентиляторРис. 3.1. Печи и установки нагрева сопротивления:а—печь среднетемпературная косвенного нагрева; б—установка прямого нагрева (электроконтак- тная); в — печь с жидким теплоносителем (соляная ваниа); г — установка электрошлакового переплава; д — установка инфракрасного нагрева; е — печь низкотемпературная с калорифером; / — нагреватель;2— нагреваемое изделие; 3—футеровка; 4— тепловой поток; 5—контакты; 6— электроды; 7— корпус; 8 — расплав соли; 9'— переплавляемый электрод; 10 — шлак; // — расплавленный металл; 12 — слиток; 13 — кристаллизатор; 14 — отражатель; 15 — излучатель; 16 — газовый поток; 17 — вентилятор

Рис. 3.1. Печи и установки нагрева сопротивления:

а—печь среднетемпературная косвенного нагрева; б—установка прямого нагрева (электроконтак- тная); в — печь с жидким теплоносителем (соляная ваниа); г — установка электрошлакового переплава; д — установка инфракрасного нагрева; е — печь низкотемпературная с калорифером; / — нагреватель;

2— нагреваемое изделие; 3—футеровка; 4— тепловой поток; 5—контакты; 6— электроды; 7— корпус; 8 — расплав соли; 9'— переплавляемый электрод; 10 — шлак; // — расплавленный металл; 12 — слиток; 13 — кристаллизатор; 14 — отражатель; 15 — излучатель; 16 — газовый поток; 17 — вентилятор

Рис. 3.1. Печи и установки нагрева сопротивления:

а—печь среднетемпературная косвенного нагрева; б—установка прямого нагрева (электроконтак- тная); в — печь с жидким теплоносителем (соляная ваниа); г — установка электрошлакового переплава; д — установка инфракрасного нагрева; е — печь низкотемпературная с калорифером; / — нагреватель;

2— нагреваемое изделие; 3—футеровка; 4— тепловой поток; 5—контакты; 6— электроды; 7— корпус; 8 — расплав соли; 9'— переплавляемый электрод; 10 — шлак; // — расплавленный металл; 12 — слиток; 13 — кристаллизатор; 14 — отражатель; 15 — излучатель; 16 — газовый поток; 17 — вентилятор

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ

Электротермические установки (ЭТУ) по способу преобразования электроэнергии в теплоту подразделяют на установки сопротивления, электродугового, индукционного, диэлектрического, плазменного, электронно-лучевого и лазерного нагрева [28, 31]. В состав ЭТУ входят собственно электротермическое оборудование (печь или нагревательное устройство), в котором осуществляется технологический процесс нагрева, а также системы электропитания, управления, водоохлаждення, подачи защитного илн какого-либо другого газа, вакуумная система, механизмы и приводы и дру

гое оборудование, определяемое требованиями технологии. Термин «печь» используется обычно в тех случаях, когда в электротермическом оборудовании имеется определенный технологический объем; в остальных случаях используется термин «устройство». Например, в состав индукционной ЭТУ может входить индукционная печь или индукционное устройство.

В некоторых ЭТУ одновременно реализуются несколько способов преобразования электроэнергии в теплоту, например в руднотермических печах — нагрев сопротивления и электродуговой, в низкотемпературных установках для термообработки — нагрев индукционный и сопротивления.

По способу передачи энергии нагреваемому изделию различают ЭТУ прямого и косвенного нагрева. В первом случае, например

Рис. 3.2. Печи электродугового нагрева: а — сталеплавильная печь; б — руднотермическая печь; в—вакуумно-дуговая печь; г — дуговая печь косвенного нагрева; 1 — электрод; 2 — электрическая дуга; 3 — расплав; 4 — футеровка; 5 — шихта; 6 — переплавляемый электрод; 7 — корпус; 8 — слиток; 9 — кристаллизатор

в установках электроконтактного нагрева или индукционных печах, преобразование электроэнергии в теплоту осуществляется непосредственно в нагреваемом изделии (частично или полностью); во втором теплота выделяется в специальном нагревателе, от которого затем

передается нагреваемому изделию за счет того или иного вида теплопередачи.

ЭТУ характеризуются параметрами: электрическими (уровнем напряжения, родом тока, частотой, числом фаз), энергетическими (мощностью, электрическим и тепловым КПД, удельным расходом электроэнергии), технологическими (удельной поверхностной мощностью, уровнем температуры, температурным полем в нагреваемом изделии, наличием фазовых переходов — плавления, испарения, наличием химических реакций), а также режимом работы (непрерывным или периодическим) и конструктивными особенностями (типом теплоизоляции, видом механизма загрузки и выгрузки, привода, герметичностью конструкции).

ЭТУ, в которых основным фактором технологического воздействия является нагрев обрабатываемого продукта, относятся к элек- тротехнологическому оборудованию, объединяющему, кроме ЭТУ, установки для электросварки, для электроэрозионной, магнитоимпульсной и других видов электрофизической обработки, для электролиза, для электрохимической обработки и для гальванотехнических процессов.

Рис. 3.3. Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева:а, б — тигельная и канальная плавильные печи; в — нагревательная установка; г — высокочастотная установка диэлектрического нагрева; д, е — сверхвысокочастотные установки диэлектрического нагрева; 1— индуктор; 2— футеровка; 3—металл; 4— канал; 5— магиитопровод; 6—рабочий конденсатор;7— нагреваемый диэлектрик; 8— генератор сверхвысокой частоты; 9— волновод; 10—резонатор;11 — излучатель; 12 — электромагнитная волнаРис. 3.3. Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева:а, б — тигельная и канальная плавильные печи; в — нагревательная установка; г — высокочастотная установка диэлектрического нагрева; д, е — сверхвысокочастотные установки диэлектрического нагрева; 1— индуктор; 2— футеровка; 3—металл; 4— канал; 5— магиитопровод; 6—рабочий конденсатор;7— нагреваемый диэлектрик; 8— генератор сверхвысокой частоты; 9— волновод; 10—резонатор;11 — излучатель; 12 — электромагнитная волна9 119 116)6)[llltllllUIIIIIIIIIIIIIIIII[llltllllUIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIII,IIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIII,77Наиболее широко применяемые типы ЭТУ представлены на рис. 3.1—3.4, а их основные технические характеристики приведены в табл. 3.1 [1—4, 7, 8, 17, 20, 24—26, 28, 32].

Рис. 3.3. Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева:

а, б — тигельная и канальная плавильные печи; в — нагревательная установка; г — высокочастотная установка диэлектрического нагрева; д, е — сверхвысокочастотные установки диэлектрического нагрева; 1— индуктор; 2— футеровка; 3—металл; 4— канал; 5— магиитопровод; 6—рабочий конденсатор;

7— нагреваемый диэлектрик; 8— генератор сверхвысокой частоты; 9— волновод; 10—резонатор;

11 — излучатель; 12 — электромагнитная волна

Рис. 3.3. Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева:

а, б — тигельная и канальная плавильные печи; в — нагревательная установка; г — высокочастотная установка диэлектрического нагрева; д, е — сверхвысокочастотные установки диэлектрического нагрева; 1— индуктор; 2— футеровка; 3—металл; 4— канал; 5— магиитопровод; 6—рабочий конденсатор;

7— нагреваемый диэлектрик; 8— генератор сверхвысокой частоты; 9— волновод; 10—резонатор;

11 — излучатель; 12 — электромагнитная волна

9 11

9 11

6)

6)

[llltllllUIIIIIIIIIIIIIIIII

[llltllllUIIIIIIIIIIIIIIIII

IIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIII,

IIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIII,

7

7

Рис. 3.4. Установки плазменного, электроннолучевого и лазерного нагрева:

а — плазменно-дуговая установка; б — высокочастотная плазменная установка; в — электроннолучевая установка; г — лазерная установка; 1 — электрод; 2—электрическая дуга; 3—газовый поток; 4 — нагреваемое изделие; 5 — струя плазмы; 6 — корпус-электрод; 7 — индуктор; 8 — плазменный разряд; 9 — рабочая камера; 10 — катод; 11— анод; 12— электронный луч; 13— кожух; 14— лазер; 15 — луч

ЭТУ КАКТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Электротермические установки работают в различных отраслях народного хозяйства, успешно конкурируя с пламенными печами, а для многих теплотехнологических процессов не имеют конкурентов, например для получения сверхчистых металлов и полупроводников, проведения плазмохимических реакций, получения ферросплавов [1,25,28,32].

Основными преимуществами ЭТУ как теплотехнологической установки по сравнению с пламенными печами являются высокие плотности концентрации энергии в обрабатываемом продукте, высокая производительность, возможность использования вакуума или сред контролируемого газового состава. Электронагрев позволяет получить практически любые температуры и организовать управление температурным полем в нагреваемом изделии, обеспечить легкость автоматизации и роботизации, хорошие условия труда и снижение вредного воздействия на окружающую среду. ЭТУ легко встраиваются в современные техно

логические линии, например роторные, и успешно применяются при создании гибких автоматизированных производств.

Трудности внедрения ЭТУ в народное хозяйство связаны с их относительно высокой стоимостью, сложностью и повышенными требованиями к квалификации обслуживающего персонала, дефицитностью электроэнергии в некоторых районах страны.

Одним из наиболее важных факторов при сравнении ЭТУ и пламенных печей является полный КПД, позволяющий оценить энергетическую эффективность проведения конкретного теплотехнологического процесса с использованием данного вида оборудования.

Энергетические показатели ЭТУ достаточно высоки (табл. 3.1). В среднем для ЭТУ общепромышленного назначения, применяемых в машиностроении, значения полного КПД составляют 0,5—0,85, т. е. в 2—3 раза выше, чем у газовых печей (0,15—0,45). С учетом КПД тепловых электростанций (0,35—0,39) суммарный КПД ЭТУ примерно соответствует аналогичным показателям газовых печей.

При анализе экономических показателей ЭТУ, в том числе и энергозатрат, необходимо рассматривать всю технологическую цепочку получения и использования (эксплуатации) конкретного продукта (изделия). Эффективность применения электронагрева по сравнению с эффективностью пламенного нагрева определяется повышением качества продукта, увеличением срока службы изделий, снижением расходов на ремонт, снижением потерь материалов, например угара металлов, уменьшением припусков для последующей механической обработки, увеличением срока службы инструмента (штампов, валков, пресс-форм).

При разработке ЭТУ используют известные теплотехнические методы расчета для определения полезной мощности, мощности тепловых потерь, распределения температуры в нагреваемом изделии для стационарных и нестационарных процессов, а также специфические расчетные методы, приведенные в данном разделе. Например, при расчете электропечи сопротивления (рис. 3.5) на средние температуры (700—1200°С) проводят расчет теплообмена излучением между нагревателем н нагреваемым изделием с учетом конфигурации нагревателя и участия футеровки в теплообмене и расчет тепловых потерь.

Тепловые потери печи в общем случае складываются из потерь через футеровку или систему экранов, потерь излучением через отверстия в футеровке или экранах, потерь теплопроводностью через тепловые короткие замыкания (тепловые мосты), потерь конвекцией через отверстия и неплотности печи,

Таблица 3.1. Технические характеристики основных типов ЭТУ

Тип ЭТУ

Рабочая темпера- °Ус’

кпд

Наибольшая единичная мощность установки, МВт

Удельная поверхностная мощность, кВт/м2

Примечание

элект

рический

тепловой

Печи

и устройства нагрева сопротивления

Печи косвенного нагре

ва:

низкотемпературные

700

1.0

0,7—0,8

0,8

—

среднетемпературные

1200

1.0

0.6—0,7

4,0

ю2

На нагреваемой поверх

высокотемпературные

2500

1,0

0,3—0,45

4,5

—

ности

Устройства прямого на

1300

0,9

0,85—0,9

10,0

6-Ю3

Отнесено к сечению

грева

стальной заготовки

Печи с жидкими тепло

150—

0,9

0,3—0,7

0,1

10э

Отнесено к поверхности

носителями (электро- ваниы)

1300

з. 103

ванны

Устройства электрошла- кового переплава

2000

—

10,0

Устройства инфракрас

400—

1,0

0,9

8,5

10"

Плотность лучистого по

ного нагрева

2000

тока на излучателе

Печи электродугового нагрева

Печн прямого нагрева:

сталеплавильные

1600

0,92

0,6—0,7

130,0

ю6

Отнесено ксеченню дуги

руднотермические

1500—

0,9

0,45—0,65

100,0

—

3000

1600—

0,8—0,9

0,35 -0,60

1.0

вакуумно-дуговые

3500

Печи косвенного нагрева

1300

0,9

—

0,5

—

Печи и устройства индукционного и диэлектрического нагрева

Печи тигельные пла

1600

0,7—0,8

0,8—0,9

20,0

103

На нагреваемой поверх

вильные Печн канальные пла

1300

0,85-

0,6-0,8

6,0

5Ю4

ностн

Отнесено к сеченню ка

вильные

Устройства индукционные: сквозного нагрева

1300

0,95

0,5—0,8

0,8—0,9

210,0

103

нала

На нагреваемой поверх

поверхностной

900

0,8—0,9

0,1—0,5

0,5

105

иости

закалкн

низкотемпературного нагрева стали

Устройства диэлектри

600

50—200

0,7—0,95

0,3 -0,6

0,8—0,9

0,8—0,9

2,5

1,0

102

5-102

На поверхности рабоче

ческого нагрева высокочастотные

Устройства диэлектри

50—200

0,3—0,5

0,8 -0,9

0,05

2-103

го конденсатора

На нагреваемой поверх

ческого нагрева сверхвысокой частоты

ности

Устройства плазменного, электронно-лучевого и лазерного нагрева

Устройства плазменно

3000 -

0,9 -0,99

0,4—0,5

2,8

1014

Отнесено к сечению дуги

дуговые

10 000

Устройства высокоча

3000-

0,9

1,0

106

стотно-плазменные

5000

Устройства электронно

3000-

0,6- 0,8

0,15

1,2

5-I09

На нагреваемой поверх

лучевые■

7000

ности

Устройства лазерные

5000

0,2

-

0,01

1017

потерь с отходящими из печи газами. Основными составляющими потерь в большинстве типов ЭТУ являются потери через футеровку и излучением.

Специфическими задачами теплотехнических расчетов ЭТУ являются расчет температуры нагревателей печей сопротивления с учетом их конфигурации, расчет нестационарных

Рис. 3.5. Схема теплообмена в электропечи сопротивления:

1 — нагреватель; 2 — футеровка; 3 — нагреваемое изделие; 4 — проем; 5 — вывод нагревателя; Q,— Qi — тепловые потоки соответственно излучения от нагревателя к нагреваемому изделию, за счет теплопроводности через футеровку, излучения через дверной проем, теплопроводностью в нагреваемом изделии; Qs — тепловые потери с кожуха печи за счет конвекции и излучения; Qs — поток через тепловое короткое замыкание (теплопроводность)

температурных полей в нагреваемом изделии с учетом внутренних источников теплоты для установок индукционного нагрева, расчет теплообмена в установках инфракрасного нагрева, расчет теплообмена потока плазмы и пучка электронов с нагреваемым изделием, расчет теплообмена электрической дуги в плазменных установках.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНСИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

К статьям прихода энергетического баланса ЭТУ относятся электроэнергия, преобразуемая в теплоту, за вычетом электрических потерь, теплота химических (экзотермических) реакций и теплота, вносимая обрабатываемыми изделиями (шихтой). Расходные статьи включают полезную теплоту, идущую на нагрев, плавку или испарение обрабатываемого материала; тепловые потери; теплоту, идущую на нагрев вспомогательных элементов (поддонов, лент конвейера) или материалов (шлаков), а также теплоту химических (эндотермических) реакций, которая может относиться в разных случаях как к полезной теплоте, так и к тепловым потерям.

Энергетический баланс ЭТУ в отдельных случаях может быть составлен на основании расчетов, т. е. теоретическим методом, или определен экспериментально. Экспериментальное определение составляющих энергетического баланса и их анализ позволяют найти пути улучшения энергетических характеристик ЭТУ, что наиболее важно для ЭТУ, теоретический расчет которых затруднен, например для дуговой сталеплавильной печи. В табл. 3.2 приведены энергетические балансы дуговых и индукционных тигельных печей для плавки стали и чугуна различной вместимости [7,16,18]. .

Статья балансаДуговая сталеплавильная печьИндукционная тигельная печьВместил4ОСТЬ, т201001,4 (сталь)6 (чугун)Приход (100 %)Электроэнергия, преобразуемая в теплоту66,166,997,5100Теплота химических реакций Теплота, вносимая:31,631,22,5—материалами (шихтой)1,51,6——воздухом (кислородом)Расход (100 %)Теплота, идущая на нагрев:0,80,3металла44,352,947,654шлакаПотери:8,910,6——тепловые22,218,925,713с отходящими газами16,310,9——электрические8,36,726,723Статья балансаДуговая сталеплавильная печьИндукционная тигельная печьВместил4ОСТЬ, т201001,4 (сталь)6 (чугун)Приход (100 %)Электроэнергия, преобразуемая в теплоту66,166,997,5100Теплота химических реакций Теплота, вносимая:31,631,22,5—материалами (шихтой)1,51,6——воздухом (кислородом)Расход (100 %)Теплота, идущая на нагрев:0,80,3металла44,352,947,654шлакаПотери:8,910,6——тепловые22,218,925,713с отходящими газами16,310,9——электрические8,36,726,723Таблица 3.2. Энергетические балансы плавильных дуговых и индукционных печей, в %Таблица 3.2. Энергетические балансы плавильных дуговых и индукционных печей, в %Теоретически необходимое количество энергии, кДж, для осуществления технологического процесса в ЭТУ с учетом всех возмож-

Статья баланса

Дуговая сталеплавильная печь

Индукционная тигельная печь

Вместил

4ОСТЬ, т

20

100

1,4 (сталь)

6 (чугун)

Приход (100 %)

Электроэнергия, преобразуемая в теплоту

66,1

66,9

97,5

100

Теплота химических реакций Теплота, вносимая:

31,6

31,2

2,5

—

материалами (шихтой)

1,5

1,6

—

—

воздухом (кислородом)

Расход (100 %)

Теплота, идущая на нагрев:

0,8

0,3

металла

44,3

52,9

47,6

54

шлака

Потери:

8,9

10,6

—

—

тепловые

22,2

18,9

25,7

13

с отходящими газами

16,3

10,9

—

—

электрические

8,3

6,7

26,7

23

Статья баланса

Дуговая сталеплавильная печь

Индукционная тигельная печь

Вместил

4ОСТЬ, т

20

100

1,4 (сталь)

6 (чугун)

Приход (100 %)

Электроэнергия, преобразуемая в теплоту

66,1

66,9

97,5

100

Теплота химических реакций Теплота, вносимая:

31,6

31,2

2,5

—

материалами (шихтой)

1,5

1,6

—

—

воздухом (кислородом)

Расход (100 %)

Теплота, идущая на нагрев:

0,8

0,3

металла

44,3

52,9

47,6

54

шлака

Потери:

8,9

10,6

—

—

тепловые

22,2

18,9

25,7

13

с отходящими газами

16,3

10,9

—

—

электрические

8,3

6,7

26,7

23

Таблица 3.2. Энергетические балансы плавильных дуговых и индукционных печей, в %

Таблица 3.2. Энергетические балансы плавильных дуговых и индукционных печей, в %

иых экзо- и эндотермических реакций (без учета фазовых превращений)

Q, = cG ^-t^QX-c'G ^-t.Y (3.1)

Потери энергии в ЭТУ (тепловые потери и унос теплоты)

Q2 = af (/от —/б) тпр. (3.2)

Тепловой КПД

теризует степень совершенства данных типов ЭТУ и процессов.

Удельный расход электроэнергии при производстве ферросплавов в руднотермических печах [21]:

ПродуктЭ„, кВт-ч/т

45 %-ный ферросилиций . . . 4600—5000 75 %-ный ферросилиций . . . 7800—9000 Ферромарганец углеродистый 2700—3740 Феррохром безуглеродистый 3300— 3500 Феррохром углеродистый . . . 3400—3600 Ферровольфрам 3550—4100

Полезная мощность ЭТУ (для нагревательных установок и печей периодического действия), кВт,

р cG кЧ — *\>тн

В (3.1) — (3.4): с — теплоемкость загрузки; G — масса полезной загрузки; с' — приведенная теплоемкость загрузки; /2 и Л — конечная и начальная температуры загрузки; /от и /, — температуры сред, отдающей и воспринимающей теплоту; тн и тпр — время нагрева и время процесса; а и F — коэффициент теплоотдачи и площадь теплоотдающей поверхности ЭТУ; Qi—теплота химических реакций.

Понятие полезной мощности различно для разных типов ЭТУ и зависит от технологического процесса. Для установок и печей непрерывного действия в (3.4) подставляется масса полезной загрузки g=G/x«, нагреваемая в единицу времени. Полезная мощность ЭТУ, предназначенных для плавки или испарения материалов, учитывает скрытую теплоту плавления и испарения и перегрев расплава или пара (газа). Расчетные формулы аналогичны (3.4). Полезная мощность ЭТУ для иагрева поверхностей изделий, например под индукционную поверхностную закалку, кВт,

Рпо^Руд^н- (3-5) где руд — удельная поверхностная мощность; F„ — площадь нагреваемой поверхности.

Для некоторых типов ЭТУ понятие полезной мощности неприменимо, например для термостатов и миксеров, в которых поддерживается заданная температура изделий или материалов, а также для печей для переплавных процессов.

В этих случаях используется показатель — удельный расход электроэнергии на единицу массы продукции, который харак-

В табл. 3.3 приведены значения удельного расхода электроэнергии при плавке некоторых металлов в различных ЭТУ [7,25,26,28,32]. Следует указать, что при выборе типа ЭТУ для плавки помимо удельного расхода электроэнергии учитываются многие другие факторы: рабочая температура, наличие вакуума, производительность, вместимость агрегата и т. д.

Установленная мощность ЭТУ определяется мощностью силового трансформатора, кВ-А, и рассчитывается по формуле

где т]э, т]т — электрический и тепловой КПД (см. табл. 3.1); к — коэффициент запаса, учитывающий такие факторы, как колебания напряжения сети, старение нагревателей в печах сопротивления и т. п. Для печей сопротивления косвенного действия k = 1,3 4- 1,6 при РПол< 100 кВт; k = 1,25 4- 1,5 при 100—300 кВт и k = 1,24- 1,4 свыше 300 кВт. Для плавильных индукционных тигельных и канальных печей к = 1,1 4- 1,4.

Установленная мощность ЭТУ для плавки материалов определяется из энергетического баланса, составленного для наиболее энергоемкого периода работы, обычно для периода расплавления.

Установленная мощность дуговых сталеплавильных печей, кВ-А,

. (3-7) МэПт cos ф

где Pпoл.p = Qпoл.p/тp — полезная мощность в период расплавления шихты; Qпoл. р—полезная теплота в этот период; тр — время расплавления; cos <р — коэффициент мощности печи; к„ — коэффициент использования трансформатора, обычно к„ = 0,84-0,9.

МеталлТеоретический расход электроэнергииТип ЭТУПечь сопротивленияДуговые печнкосвенного действияпрямого действиявакуумныеСталь и сплавы340—400400—450850—2000Чугун350400—500400—500—Алюминий и сплавы330600—750———Медь н сплавы180—210570—630300—400——Титан и сплавы480—500—.——2000-2500Молибден330———1600— 3400Вольфрам250———9000МеталлТеоретический расход электроэнергииТип ЭТУПечь сопротивленияДуговые печнкосвенного действияпрямого действиявакуумныеСталь и сплавы340—400400—450850—2000Чугун350400—500400—500—Алюминий и сплавы330600—750———Медь н сплавы180—210570—630300—400——Титан и сплавы480—500—.——2000-2500Молибден330———1600— 3400Вольфрам250———9000Таблица 3.3. Удельный расход электроэнергии наТаблица 3.3. Удельный расход электроэнергии наКОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫЕПАРАМЕТРЫ ЭТУ

Металл

Теоретический расход электроэнергии

Тип ЭТУ

Печь сопротивления

Дуговые печн

косвенного действия

прямого действия

вакуумные

Сталь и сплавы

340—400

400—450

850—2000

Чугун

350

400—500

400—500

—

Алюминий и сплавы

330

600—750

—

—

—

Медь н сплавы

180—210

570—630

300—400

—

—

Титан и сплавы

480—500

—.

—

—

2000-2500

Молибден

330

—

—

—

1600— 3400

Вольфрам

250

—

—

—

9000

Металл

Теоретический расход электроэнергии

Тип ЭТУ

Печь сопротивления

Дуговые печн

косвенного действия

прямого действия

вакуумные

Сталь и сплавы

340—400

400—450

850—2000

Чугун

350

400—500

400—500

—

Алюминий и сплавы

330

600—750

—

—

—

Медь н сплавы

180—210

570—630

300—400

—

—

Титан и сплавы

480—500

—.

—

—

2000-2500

Молибден

330

—

—

—

1600— 3400

Вольфрам

250

—

—

—

9000

Таблица 3.3. Удельный расход электроэнергии на

Таблица 3.3. Удельный расход электроэнергии на

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИСОПРОТИВЛЕНИЯ

Электрические печи сопротивления (ЭПС) предназначены для нагрева, термои термохимической обработки стали, сушки, спекания и обжига, пайки и плавки цветных металлов.

ЭПС применяются в машиностроении (для термообработки, нагрева под горячую деформацию), в химической и строительной промышленности (для нагрева, плавки стекла, обжига керамических изделий), в электронной промышленности (для получения монокристаллов полупроводников, отжига), в пищевой промышленности (при хлебопечении, сушке), в сельском хозяйстве (для обогрева молодняка, помещений, подогрева воды).

По способу нагрева ЭПС разделяются на печи косвенного действия (электрический ток проходит через нагревательные элементы, передающие теплоту в загрузку за счет процессов теплопередачи) и на печи прямого действия (электрический ток протекает через нагреваемое изделие, осуществляя его разогрев).

По режиму работы ЭПС разделяются на печи периодического и непрерывного действия. В печах периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство печи и нагреваются, оставаясь неподвижными в нем. В печах непрерывного действия изделия нагреваются, перемещаясь по длине печи.

Основными параметрами электропечи сопротивления являются размеры рабочего пространства и номинальная мощность нагревателей, производительность печи, количество тепловых и электрических зон, мощность по

терь холостого хода и др. Наиболее распространенные конструкции ЭПС периодического действия приведены на рис. 3.6 [5,17,28].

Камерные ЭПС наиболее просты и универсальны по использованию. Рабочее пространство в них выполнено в виде камеры, футеровка которой располагается в металлическом кожухе. Футеровка камерных печей двухслойная; внутренний, огнеупорный слой изготовляется из шамота-легковеса, на внутренней поверхности располагаются нагреватели.

При температуре ЭПС до 1250 °C нагреватели изготовляют из сплавов сопротивления; при больших температурах применяются нагреватели из карборунда S1C или дисилицида молибдена MoSi2.

Шахтные ЭПС выполнены в виде открытой сверху шахты круглого, квадратного или прямоугольного сечения, закрываемой сверху крышкой, уплотняемой с помощью песочного затвора I (рис. 3.6, б).

Нагреватели располагаются на боковой внутренней поверхности шахты. Печи с выдвижным подом, колпаковые, элеваторные (рис. 3.6, в—б) представляют собой конструктивные модификации камерной печи, позволяющие механизировать процессы загрузки и выгрузки печи.

Основными конструктивными признаками ЭПС непрерывного действия являются устройства загрузки, транспортировки через рабочее пространство, выгрузки изделий (рис. 3.7).

Конвейерные ЭПС — наиболее распространенный вид печей непрерывного действия, применяются до температур 1150 °C, оборудованы горизонтально или вертикально (до 600°С) расположенным конвейером. Ширина конвейера — от 60 до 2000 мм, длина 1 —Юм. Нагрев производится в окислительной атмо-

Индукционные печнЭлектроннолучевая печьЭлектро- шлаковая печьПлазменнодуговая печьТигельная открытаяТнгель- вакуумнаяКанальная600—700540—580500—600320—4002000—30002000—3000450—470400— 500300—3501000—20002200 8000—15 000 20 000—40 0001000—20001200—13001500—2000Индукционные печнЭлектроннолучевая печьЭлектро- шлаковая печьПлазменнодуговая печьТигельная открытаяТнгель- вакуумнаяКанальная600—700540—580500—600320—4002000—30002000—3000450—470400— 500300—3501000—20002200 8000—15 000 20 000—40 0001000—20001200—13001500—2000плавку металлов в различных ЭТУ, кВт-ч/тплавку металлов в различных ЭТУ, кВт-ч/тсфере (в воздухе) либо в контролируемой (нейтральной, восстановительной).

Индукционные печн

Электроннолучевая печь

Электро- шлаковая печь

Плазменнодуговая печь

Тигельная открытая

Тнгель- вакуумная

Канальная

600—700

540—580

500—600

320—400

2000—3000

2000—3000

450—470

400— 500

300—350

1000—2000

2200 8000—15 000 20 000—40 000

1000—2000

1200—1300

1500—2000

Индукционные печн

Электроннолучевая печь

Электро- шлаковая печь

Плазменнодуговая печь

Тигельная открытая

Тнгель- вакуумная

Канальная

600—700

540—580

500—600

320—400

2000—3000

2000—3000

450—470

400— 500

300—350

1000—2000

2200 8000—15 000 20 000—40 000

1000—2000

1200—1300

1500—2000

плавку металлов в различных ЭТУ, кВт-ч/т

плавку металлов в различных ЭТУ, кВт-ч/т

Толкательные ЭПС применяются для нагрева мелких и крупных изделий до 1150 °C. Расположенный вне печи толкательный механизм проталкивает через рабочее пространство печи по жароупорным направляющим поддоны с нагреваемыми изделиями.

ЭПС с пульсирующим подом применяются для нагрева мелких изделий до 900 °C. Перемещение изделий в них осуществляется за счет возвратно-поступательных перемещений пода-лотка (медленно вперед, быстро назад). Ширина лотка — от 125 до 600 мм, длина — от 500 до 4000 мм.

Рис. 3.6. Типы электропечей сопротивления периодического действия:а—камерная; б—шахтная; в — камерная с выдвижным подом; г — колпаковая; б — элеваторнаяРис. 3.6. Типы электропечей сопротивления периодического действия:а—камерная; б—шахтная; в — камерная с выдвижным подом; г — колпаковая; б — элеваторнаяКарусельные ЭПС применяются для на-

Рис. 3.6. Типы электропечей сопротивления периодического действия:

а—камерная; б—шахтная; в — камерная с выдвижным подом; г — колпаковая; б — элеваторная

Рис. 3.6. Типы электропечей сопротивления периодического действия:

а—камерная; б—шахтная; в — камерная с выдвижным подом; г — колпаковая; б — элеваторная

Рис. 3.7. Типы электропечей сопротивления непрерывного действия:а—конвейерная со встроенным горизонтальным конвейером; б—конвейерная с вынесенным горизонтальным конвейером; в — конвейерная с вертикальным конвейером; г — толкательная; д — с пульсирующим подом; е — карусельная; ж — с шагающим подом; з — барабанная; и — протяжная; к — рольганговая; л — туннельнаяРис. 3.7. Типы электропечей сопротивления непрерывного действия:а—конвейерная со встроенным горизонтальным конвейером; б—конвейерная с вынесенным горизонтальным конвейером; в — конвейерная с вертикальным конвейером; г — толкательная; д — с пульсирующим подом; е — карусельная; ж — с шагающим подом; з — барабанная; и — протяжная; к — рольганговая; л — туннельнаягрева до 1300 °C массивных загрузок. Транспортировка изделий осуществляется вращением пода печи, выполненного в виде кольца.

Рис. 3.7. Типы электропечей сопротивления непрерывного действия:

а—конвейерная со встроенным горизонтальным конвейером; б—конвейерная с вынесенным горизонтальным конвейером; в — конвейерная с вертикальным конвейером; г — толкательная; д — с пульсирующим подом; е — карусельная; ж — с шагающим подом; з — барабанная; и — протяжная; к — рольганговая; л — туннельная

Рис. 3.7. Типы электропечей сопротивления непрерывного действия:

а—конвейерная со встроенным горизонтальным конвейером; б—конвейерная с вынесенным горизонтальным конвейером; в — конвейерная с вертикальным конвейером; г — толкательная; д — с пульсирующим подом; е — карусельная; ж — с шагающим подом; з — барабанная; и — протяжная; к — рольганговая; л — туннельная

ЭПС с шагающим подом применяются для нагрева изделий до 1300 °C. Перемещение загрузки осуществляется футерованной балкой. Приводной механизм балки периодически поднимает балку выше уровня пода печи, перемещает ее на шаг до 0,5 м в сторону разгрузки, опускает ниже уровня пода печи, возвращает в исходное положение. Загрузка печи (нагреваемое изделие) при этом перемещается через рабочее пространство печи.

Барабанные ЭПС применяются для нагрева мелких деталей округлой формы и порошков до 1000 °C. Перемещение загрузки через печь осуществляется во вращающемся барабане с расположенной на внутренней поверхности барабана винтовой направляющей.

Протяжные ЭПС предназначены для нагрева проволоки и ленты до 1300 °C при непрерывном протягивании через печь с помощью размоточно-намоточных механизмов. Имеют

горизонтальное и вертикальное исполнение. Для повышения производительности делаются многорядными (через камеру печи одновременно протягиваются несколько рядов проволок или лент) и миогоходными (многократное прохождение проволоки или ленты через печь).

Рольганговые ЭПС применяются для нагрева до 1200 °C; наиболее универсальны по использованию среди ЭПС непрерывного действия. Транспортировка изделий осуществляется рольгангом, движение роликов обеспечивает общий наружный привод. Ширина рабочего пространства печи — от 400 до 4500 мм, длина ие ограничена (до 80 м и более).

Туннельные ЭПС применяются для обжига керамики до 1300 °C. Под печи состоит из вплотную расположенных футерованных тележек, проталкиваемых через рабочее пространство печи расположенным вне печи толкателем.

Для интенсификации процесса нагрева металла применяются ЭПС с жидкой средой

иагрева (.электронагревательные ванны). В зависимости от химического состава применяемой среды различают щелочные (до 540 °C), селитровые (до 600 °C) и соляные (до 1600 °C) ванны.

Низкотемпературные ванны обогреваются косвенным путем, посредством нагревателей, расположенных внутри или снаружи ванны. Для достижения температур в пределах 850— 1300 °C применяют прямой нагрев среды путем пропускания через нее электрического тока, подводимого при помощи погруженных в расплав электродов.

В электропечах прямого нагрева электрический ток проходит непосредственно через нагреваемое изделие. Печи прямого нагрева применяются для графитизации угольных изделий, варки стекла, нагрева металлических изделий правильной формы (прутков, проволоки, труб, полос) перед обработкой давлением. Печи прямого нагрева, предназначенные для нагрева металлических изделий, принято называть установками электроконтактного нагрева.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ

Предназначены для плавки металлов и сплавов, получения ферросплавов, карбидов, желтого фосфора и других продуктов; разделяются на собственно дуговые и руднотермические печи.

Дуговые печи разделяются на печи прямого нагрева, в которых электрические дуги горят между графитовыми электродами и расплавляемым металлом, и печи косвенного нагрева, в которых дуга горит между двумя графитовыми электродами иад поверхностью металла.

Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки сталей. Эти печи работают на переменном токе 50 Гц, обычно трехфазиом (рис. 3.8).

Основным параметром дуговой сталеплавильной печи (ДСП) является вместимость ее ванны. В промышленности применяются печи с ваннами вместимостью от 0,5 до 200 т.

Печн с ваннами вместимостью 0,5— 12 (до 100) т применяются для плавки стали для фасонного литья (литейная электросталь), 3—12 т — для выплавки высоколегированных сталей, 25—100 (до 200) т и более — для выплавки металлургической электростали [24].

Несущим элементом конструкции ДСП является кожух — открытый сверху металлический сварной резервуар, внутри которого

Рис. 3.8. Дуговая электропечь:

1 — электроды; 2 — уплотнительные кольца; 3 — свод; 4 — загрузочное окно; 5 — ванма; 6 — механизм наклона; 7—статор электромагнитного перемешивания металла; 8 — дуга; 9 - шлак; 10 — люлька; 11 — жидкий металл; 12 — сливной носок располагается футеровка ванны и стен. Днище кожуха плоскоконическое или сферическое, толщина стенки кожуха составляет 1 /200 диаметра кожуха. Футеровка ДСП — из магнезито-хромитового или динасового кирпича. Сверху печь закрывается сводом, имеющим отверстия для прохода электродов. Для слива металла ДСП оборудуются механизмом наклона. Подъем и поворот свода печи осуществляется либо одним совмещенным механизмом, либо двумя отдельными механизмами.

Для плавки тугоплавких цветных металлов (титана, ниобия, молибдена и др.) применяются вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом, работающие на постоянном токе (рис. 3.2, в).

Дуговые печи косвенного нагрева применяются для плавки цветных металлов -- меди, бронзы, латуни (рис. 3.2, г).

В руднотермических печах (РТП) теплота выделяется в электрической дуге, горящей между электродом и выплавляемым металлом, а также и при протекании тока через слой загрузки печи. Такие печи используются для получения ферросплавов, металло-кремниевых сплавов, медных и медно-ннкелевых штейнов, титановых, кобальтовых н свинцовых шлаков и др. Конструктивно руднотермические печи выполняются прямоугольными (рис. 3.9) н круглыми, с самообжигающнмися электродами, подвешиваемыми над ванной печи на специальных устройствах, опирающихся на конструкции здания. Прямоугольные печи выполняются стационарно расположенными, с тремя или шестью электродами; в круглых печах часто применяется вращение ванны вокруг вертикальной оси, реверсивное, в пределах определенного угла, с частотой вращения — в один оборот за несколько суток.

Рис. 3.9. Руднотермическая печь:

1 — электроды; 2 — шихта; 3 - корпус печи; 4 - область дугового разряда; 5 — область нагрева шихты сопротивлением; 6 — ванна жидкого металла; 7— выпускное отверстие

К основным параметрам РТП относятся мощность печного трансформатора, его вторичное напряжение, площадь пода печи, плотность тока в электродах.

ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИИ УСТАНОВКИ

Эти установки предназначены для технологических процессов: плавки металлов; нагрева металлов под обработку давлением и термообработку, сварку и пайку; плавки полупроводников и нагрева газов (плазмы).

В комплект оборудования индукционной ЭТУ входят: печь или установка (устройство), источник питания, конденсаторная батарея, механизмы и приводы, система охлаждения, силовое электрооборудование, элементы систем управления, защиты, контроля и измерения, автоматический регулятор или управляющий вычислительный комплекс.

Промышленность выпускает индукционные ЭТУ для плавки металлов, нагрева под обработку давлением и под поверхностную закалку.

Конструкция индукционной тигельной печи (ИТП) представлена на рис. 3.10. В ИТП плавят сталь, чугун, медь и сплавы на ее основе, алюминий и сплавы, магний (табл. 3.4), а также никель, драгоценные металлы. Вакуумные ИТП предназначены для получения качественных сталей и сплавов. Они имеют вакуумноплотный кожух и оборудованы вакуумной откачной системой, включающей вакуумные насосы различных типов.

В индукционных канальных печах (ИКП) плавят чугун, медь и сплавы, алюминий и сплавы, цинк (табл. 3.4). По конструктивным признакам различают ИКП с открытым каналом (применяются ограниченно) и четыре варианта печей с закрытым каналом: барабанные (рис. 3.11), шахтные, стационарные и печи с двумя ваннами. Наиболее распространены печн барабанные (ориентировочной вместимостью свыше 6,0 т) и шахтные (до 10,0т).

Для чугунолитейного производства выпускаются индукционные тигельные и канальные миксеры, предназначенные для перегрева жидкого чугуна (табл. 3.5).

Качество металла, выплавляемого в ИТП и ИКП, определяется качеством шихты, так как рафинирование металла из-за холодного шлака малоэффективно.

Индукционные нагреватели (ИН) сквозного нагрева заготовок из черных, цветных и тугоплавких металлов под обработку давлением могут иметь различные конструкции, определяемые габаритами и массой заготовок. Конструкция кузнечного индукционного на-

Таблица 3.4. Характеристики индукционных плавильных печей для плавки различных металлов [1]

Металл

Температура нагрева, °C

Производительность, т/ч

Мощность, кВт

Вместимость, т

Тнп печи

Тип печи

Тип печн

Тигельная

Канальная

Тигельная

Канальная

Тигельная

Канальная

Сталь

1600

4,0

2350

6,0

Чугун

1400

33,6

18 000

60,0

Медь и сплавы

1200

9,3

8,5(15)

3150

2300(3475)

25,0

16,0

Алюминий н сплавы

750

4,5

10,0

2500

4000

10,0

16,0

Цннк

500

—

30,0

—

3000

—

100,0

Магний

750

2,0

—

1000

—

4,0

—

Примечания: 1. Приведены наибольшие значения производительности, мощности и вместимости.

2. В скобках даны значения характеристик печей для плавки латуни.

Рис. 3.10. Общин вид индукционной тигельной печи ИЧТ-10:- крышка с механизмом подъема; 2 — каркас; 3 — плунжер; 4 — установка подшипников; 5 — индукторРис. 3.10. Общин вид индукционной тигельной печи ИЧТ-10:- крышка с механизмом подъема; 2 — каркас; 3 — плунжер; 4 — установка подшипников; 5 — индуктор

Рис. 3.10. Общин вид индукционной тигельной печи ИЧТ-10:

- крышка с механизмом подъема; 2 — каркас; 3 — плунжер; 4 — установка подшипников; 5 — индуктор

Рис. 3.10. Общин вид индукционной тигельной печи ИЧТ-10:

- крышка с механизмом подъема; 2 — каркас; 3 — плунжер; 4 — установка подшипников; 5 — индуктор

Рис. 3.11. Индукционный канальный миксер барабанного типа ИЧКМ-40/2,0: а — общий вид; б — разрез Б—Б;1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — индукционная единица; 4 — токоподвод; 5 — крышка с механизмом открывания; 6 — механизм поворота печиРис. 3.11. Индукционный канальный миксер барабанного типа ИЧКМ-40/2,0: а — общий вид; б — разрез Б—Б;1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — индукционная единица; 4 — токоподвод; 5 — крышка с механизмом открывания; 6 — механизм поворота печи

Рис. 3.11. Индукционный канальный миксер барабанного типа ИЧКМ-40/2,0: а — общий вид; б — разрез Б—Б;

1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — индукционная единица; 4 — токоподвод; 5 — крышка с механизмом открывания; 6 — механизм поворота печи

Рис. 3.11. Индукционный канальный миксер барабанного типа ИЧКМ-40/2,0: а — общий вид; б — разрез Б—Б;

1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — индукционная единица; 4 — токоподвод; 5 — крышка с механизмом открывания; 6 — механизм поворота печи

гревателя для нагрева мерных заготовок диаметром 15—160 мм показана на рис. 3.12. Для нагрева крупногабаритных заготовок выпускаются ИН, выполненные в виде отдельных элементов: индуктора-нагревателя, шкафа управления, шкафов конденсаторов, шкафа во- доохлаждения. Источник питания устанавливается обычно отдельно.

Индукционные нагреватели делятся на установки периодического и непрерывного режима работы и отличаются высокой степенью автоматизации и механизации; используются автоматические регуляторы режима, механизмы загрузки и выгрузки, а также подачи заготовок.

Температуры нагрева под обработку дав-

Рис. 3.11. ПродолжениеРис. 3.11. Продолжениелением для различных материалов: для стали — 1050—1300, меди и сплавов — 800—900, алюминия и сплавов — 400—500, титана — 1150—1200 °C.

Рис. 3.11. Продолжение

Рис. 3.11. Продолжение

Индукционные закалочные установки (ИЗУ) предназначены для нагрева стальных деталей до температур иа поверхности 750— 1000 °C с последующим быстрым охлаждением с целью получения слоя повышенной твердости, например мартенситной структуры. Особенностями конструктивного выполнения ИЗУ являются специальная конструкция индуктора, наличие системы охлаждения закаливаемой детали, механизмы и приводы перемещения и вращения закаливаемой детали, наличие закалочного трансформатора. Обычно ИЗУ выполняют в виде двух блоков: закалочной станции и источника питания. Закалочная

станция (рнс. 3.13) может иметь один или два закалочных поста, состоящих из индуктора, закалочного трансформатора и механизмов. По режиму нагрева и охлаждения закаливаемой поверхности детали различают одновременную и непрерывно-последовательную закалку. В качестве закалочных сред применяют воду, масло и синтетические жидкости.

Устройства индукционного нагрева ферромагнитной стали (ИНФС) предназначены для ведения технологических процессов с температурой до 600—700 °C; отличаются разнообразием конструкций и широким диапазоном мощностей и габаритов. Во многих случаях применяются индукторы с естественным охлаждением. Примеры устройств ИНФС: химические реакторы с индукционным обогревом (мощности до 2500 кВт), устройства для на-

Таблица 3.5. Характеристики индукционных миксеров для чугуна

Тип миксеров

Производительность, т/ч

Мощность, кВт

Вместимость, т

Тигельный Канальный: шахтный барабанный

2,8—17,6

7,0—50,0 25,0—115,0

170—840

250—2000

1000—4000

1,0—10

2,5—100

10,0—100

Вид А

Рис. 3.12. Общий вид индукционного нагревателя КИНмощностью 250 кВт:

1 — нагреватель индукционный; 2— автоматизированное за-грузочное устройство

Вид А

4000макс1200

Рис. 3.13. Общий вид и габариты индукцион-ной закалочной установки И31-160/4:

1 — тиристорный преобразователь частоты; 2 —механизм перемещения; 3 — блок трансформатор-ный; 4 — батарея конденсаторная; 5 — шкаф уп-равления

грева бандажей под посадку (до 100 кВт), устройства для термообработки сварных швов (до 200 кВт). Разработка и выпуск устройств ИНФС промышленностью осуществляется по заказам [8,11,22].

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭТУ

Печи электрошлакового переплава (ЭШП) предназначены для получения слитков улучшенного качества из сталей специального назначения (шарикоподшипниковых, жаростойких, валковых и др.). Применяются для получения стальных слитков массой до 5 т, используемых как заготовки для сортового проката. Разработаны и эксплуатируются печи, позволяющие получать слитки массой до 40 т.

В печи ЭШП переплавляемый металл в виде расходуемого электрода погружается в расплавленный шлак. Электрический ток, проходящий через шлаковую ванну, разогревает ее до 1800—2000 °C, при этом расходуемый электрод оплавляется с торца. Расплавленный металл проходит через шлак и оседает в виде слитка в кристаллизаторе, оборудованном принудительным охлаждением.

Печи ЭШП позволяют получать слитки различных размеров круглого, квадратного и прямоугольного сечений, а также фасонные отливки.

Наибольшее распространение получили однофазные одноэлектродные печи (рис. 3.14).

Плазменные электропечи предназначены для плавки легированных сталей, жаропрочных сплавов, тугоплавких металлов, а также

Рис. 3.14. Печь ЭШП:

/ — электрододержатель; 2 — переплавляемый электрод; 3 — слой жидкого шлака; 4 — охлаждаемый кристаллизатор; 5 •• ванна жидкого металла; 6 — выплавляемый слиток; 7 — поддон-затравка; 8— трансформатор

Рис. 3.15. Электронно-лучевая печь:

/ — механизм подачи переплавляемого металла; 2 — переплавляемый металл; 3 — корпус печн; 4 -- электронная пушка; 5 эона прохождения электронного пучка; 6—патрубок подсоединения откачной вакуумной системы; 7 — охлаждаемый кристаллизатор; 8 — ванна жидкого металла; 9 - - выплавляемый слнток; 10—поддон-затравка;

// —- механизм вытяжки слитка

керамических материалов. В плазменной печи возможны прямое восстановление металла и руды, синтез химических соединений и другие процессы, протекающие при высоких температурах (10 000—20 000 °C). Источником теплоты является низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотроне, работающем на постоянном или переменном токе.

Плазменные плавильные печи выполняются трех типов: с керамическим тиглем для плавки сталей и сплавов на основе никеля, переплава высоколегированных отходов; с металлическим кристаллизатором для плавки тугоплавких, химически высокоактивных, редких металлов; для плавки в гарниссаже с целью получения металлических фасонных отливок, плавки керамики, получения керамических отливок [25].

Электронно-лучевые печи (ЭЛП) применяются для плавления, термической обработки и испарения металлов. В ЭЛП плавят тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий), металлы, обладающие высокой химической активностью (цирконий, гафний, титан), высоколегированные стали, медь, никель и др. ЭЛП позволяет переплавлять металлическую шнхту любого вида (стружку, гранулят, скрап).

5 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.5 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.Нагрев в ЭЛП осуществляется в вакууме посредством бомбардировки нагреваемой поверхности пучком ускоренных до энергии 20— 50 кэВ электронов. Для ускорения электронов и формирования электронного пучка примени-

5 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

5 п/р Григорьева В. А., Зорина В. М.

ют электронно-лучевые пушки мощностью от нескольких десятков до тысяч киловатт.

Схематическое устройство плавильной ЭЛП приведено на рис. 3.15. Печь состоит из плавильной камеры, в которой с помощью вакуумной системы поддерживается остаточное давление 0,01—0,001 Па. В камере расположен металлический охлаждаемый кристаллизатор. Выплавляемый слиток вытягивается из кристаллизатора вниз механизмом вытягивания, опускающим поддон со слитком. Электронная пушка концентрирует поток ускоренных электронов в узкий пучок и направляет его на поверхность ванны жидкого металла в кристаллизаторе. Переплавляемый металл вводится в пучок электронов, расплавляется и перетекает в ванну жидкого металла.

Современные печи ЭЛП позволяют получать слитки диаметром до 500 мм и длиной до 3000 мм, а также плоские слитки [24].

экономия ЭНЕРГИИ В ЭТУ

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯРАЗРАБОТКИ ЭТУ С УЛУЧШЕННЫМИЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИХАРАКТЕРИСТИКАМИ

В СССР на долю ЭТУ приходится около 10 % промышленного потребления электроэнергии. Переход от вагранок к электропечам в литейном производстве, широкое применение электронагрева в химии, производстве бетонных изделий и т. п. связано не только с технологическими преимуществами, но и с экономией энергии. Например, замена паропрогрева бетона индукционным нагревом снижает энергоемкость процесса в среднем в 1,5 раза. Расширение использования ЭТУ предъявляет более высокие требования к их энергетическим показателям, что необходимо учитывать уже иа стадии разработки конкретных технологи

ческих процессов с использованием электронагрева и конкретных типов ЭТУ [1,2,8,16].

Рекомендуемые мероприятия по повышению энергетических показателей ЭТУ приведены в табл. 3.6. Примером эффективности указанных мероприятий является существенное снижение расхода электроэнергии при применении управляющих вычислительных комплексов: в сталеплавильном производстве — на 10 % и производстве ферросплавов—на 12 % по сравнению с расходом электроэнергии при использовании локальных регуляторов [9].

При разработке новых типов ЭТУ основными направлениями экономии электроэнергии являются:

увеличение единичной мощности установок и их вместимости. При этом снижаются электрические и тепловые потери, а также капитальные и эксплуатационные затраты на единицу продукции;

повышение удельной мощности установок, т. е. мощности, отнесенной к единице поверхности, объема или массы обрабатываемого продукта. Это обеспечивает рост производительности и относительное снижение потерь энергии, но ограничениями являются требования по качеству нагрева, например по его равномерности;

применение новых прогрессивных материалов. Например, использование теплоизоляции из волокнистых материалов позволяет снизить тепловые потери на 30—50 % при снижении массогабаритных показателей печи сопротивления;

применение новых конструктивных решений, например применение водоохлаждения кожуха и свода дуговой сталеплавильной печи, а также использование многослойных индукторов с внешним водяным охлаждением в индукционных нагревателях заготовок из цветных металлов. В первом случае существенно снижаются простои дуговой печн

Таблица 3.6. Пути повышения энергетических показателей ЭТУ |28|

Мероприятие

Средства достижения

Дополнительный эффект

Обеспечение наибольшей производительности

Предварительный подогрев изделий (шихты)

Использование дуплекс- процессов и комбинированного нагрева

Улучшение качества управления

Отказ от ручного труда

Многосменный режим работы. Исключение простоев

Использование дешевых эиергоиосителейи рекуперация энергии

Двухстадийиые технологические процессы. Использование нескольких видов иагрева

Применение управляющих и вычислительных комплексов

Механизация и роботизация

Полное использование установленной мощности

Сокращение времени нагрева

Технологические преимущества. Уменьшение установленной мощности

Улучшение качества продукции

Улучшение условий труда

Таблица 3.7. Экономическая и энергетическая эффективность внедрения криорезистивиыхи сверхпроводящих проводников в индукционных нагревателях алюминиевых заготовок(по данным МЭИ)

Показатель

Мощность потребляемая суммарная, кВт

Мощность полезная, кВт

Мощность, потребляемая криоустановкой, кВт

Производительность, т/ч

Удельный расход электроэнергии, кВт.ч/т

Экономический эффект по сравнению с обычным вариантом, тыс. руб.

Тип охлаждения индуктора и тип проводника-индуктора

Водяное (300 К); обычный

Криогенное

Криорезис- тивный 77 К

Сверхпроводящий

1160

1320

750

315

475

475

—

500

10

3,0

4,5

4,5

388

293

166

—

737

1146

на ремонты, во втором значительно возрастает электрический КПД нагревателя;

использование новых достижений физики. В промышленность уже внедрены основанные иа новых физических принципах различные разновидности электронных, ионных и электронно-ионных ЭТУ. Расширяются области применения и совершенствуются конструкции лазерных ЭТУ. Эти установки обеспечивают во многих случаях снижение расхода энергии для конкретных технологических процессов.

Перспективным является использование в ЭТУ криорезистивиых (КР) и сверхпроводящих (СП) проводников. Схема индукционной ЭТУ с криоохлаждением индуктора приведена на рис. 3.16. Усложнение конструкции и увеличение капитальных затрат на систему криоснабжения компенсируется ростом производительности ЭТУ и уменьшением электриче-

Рис. 3.16. Индукционная электротермическая установка с криорезистивным индуктором:

/ — трансформатор; 2 — конденсаторная батарея;

3 — индуктор; 4 — криостат; 5 — нагреваемая заготовка; 6 — рефрижератор; 7 — компрессор

ских потерь. При охлаждении жидким азотом (температура 77 К) индуктор выполняется многослойным из сверхчистых металлов: меди, алюминия или бериллия, что позволяет снизить потери примерно на порядок [13,14,19]. В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости появляются новые возможности повышения энергетической эффективности ЭТУ, причем не только индукционных, но и дуговых, например для снижения потерь и индуктивного сопротивления короткой сети [30]. В табл. 3.7 приведены результаты расчета экономической и энергетической эффективности внедрения КР- и СП-провод- ииков в индукционных нагревателях алюминиевых заготовок.

РАЦИОНАЛЬНАЯЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭТУ

Основными путями экономии электроэнергии при эксплуатации ЭТУ являются [1, 28]:

полное использование рабочего пространства печи или установки. С уменьшением массы загрузки тепловые потери мало изменяются и, следовательно, возрастает удельный расход электроэнергии. Оптимальное значение загрузки указывается в паспорте ЭТУ;

ускорение технологического процесса, достигаемое за счет форсирования нагрева на начальной стадии, проведения охлаждения изделий вне печи, ускорения загрузки и выгрузки, например за счет механизации, а также

оргмероприятий: сокращения простоев, плановых ремонтов и т. п. Радикальное средство — модернизация печи: повышение мощности, замена футеровки, введение автоматического управления;

улучшение теплоизоляции. Необходимо учитывать старение теплоизоляции в процессе эксплуатации, взаимосвязь длительности непрерывной работы печи и толщины теплоизоляции, т. е. учитывать аккумулированную теплоту, наличие отверстий, через которые теряется теплота за счет излучения и конвекции, наличие тепловых коротких замыканий (тепловых мостов). Необходимо постоянио контролировать состояние теплоизоляции;

замена источников электропитания на более мощные или с большими возможностями регулирования отдаваемой мощности (например, более мощные трансформаторы с системой регулирования напряжения под нагрузкой), использование источников питания с более высоким КПД, например использование в печах и установках индукционного нагрева тиристорных инверторов вместо вращающихся преобразователей частоты, применение более надежных источников питания и систем электроснабжения;

выбор оптимального графика работы. Благодаря постоянной готовности к работе некоторые типы ЭТУ могут использоваться в режимах потреблеиия электроэнергии, которые наиболее благоприятны для питающих электрических сетей. Например, индукционные тигельные печи могут плавить металл только в ночное время, а руднотермические печи могут работать только в летний период, когда имеется избыток электроэиергии.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Основными составляющими потерь энергии в ЭТУ являются потери с отходящими печными газами н охлаждающей водой. Для дуговых сталеплавильных печей энергия отходящих газов составляет в общем балаисе до 20 %, а их температура на разных этапах процесса плавки равна 600—1300 °C. Нестабильность температуры и состава газов не позволяет использовать их для рекуперации электроэнергии с помощью котлов-утилизаторов и турбогеиераторов. Эффективным оказывается использование этих газов для подогрева воздуха, подаваемого в газовые горелки системы предварительного подогрева шихты.

Отходящие газы руднотермических печей содержат горючие компоненты: водород и оксид углерода. Тепловая и химическая энергия газов составляют 50—95 % потребляемой печью электроэнергии, причем режим работы руднотермических печей довольно стабилен. Некоторые характеристики печных (колошниковых) газов руднотермических печей приведены в табл. 3.8 [21]. Энергия газов этих печей используется путем сжигания газов в котельных установках для выработки пара в целях теплофикации и получения электроэнергии, а также для подогрева шихты и в качестве реагента для технологических процессов.

Вид и марка ферросплаваВыход газа на 1 т продукта, им3Температура газа, °CЭнергия газа (физическая и химическая), кВт«ч/тОтношение энергии газа к удельному расходу эиергии, %Ферросилиций марки: ФС751750900—1000650059—75ФС651200600—700430051—60ФС45800500—600290051—63ФС25500500—600180061—64Силикомарганец СМн17730450—600260055—62Ферромаргаиец высокоуглеродистый630200—300215046—65Феррохром углеродистый и передель-620200—250210054—68иыйКремний кристаллический22001200—14008500—11 00060—95Вид и марка ферросплаваВыход газа на 1 т продукта, им3Температура газа, °CЭнергия газа (физическая и химическая), кВт«ч/тОтношение энергии газа к удельному расходу эиергии, %Ферросилиций марки: ФС751750900—1000650059—75ФС651200600—700430051—60ФС45800500—600290051—63ФС25500500—600180061—64Силикомарганец СМн17730450—600260055—62Ферромаргаиец высокоуглеродистый630200—300215046—65Феррохром углеродистый и передель-620200—250210054—68иыйКремний кристаллический22001200—14008500—11 00060—95Таблица 3.8. Характеристики отходящих печных газов при плавке ферросплавов в рудиотермических печах [21]Таблица 3.8. Характеристики отходящих печных газов при плавке ферросплавов в рудиотермических печах [21]Ряд элементов конструкций ЭТУ имеет водяное охлаждение, однако температура воды невелика: до 50 °C при охлаждении токоведущих элементов и до 60, редко до 80 °C, при охлаждении теплонапряжениых элементов (свода печи и т. п.). Применение теплоты го-

Вид и марка ферросплава

Выход газа на 1 т продукта, им3

Температура газа, °C

Энергия газа (физическая и химическая), кВт«ч/т

Отношение энергии газа к удельному расходу эиергии, %

Ферросилиций марки: ФС75

1750

900—1000

6500

59—75

ФС65

1200

600—700

4300

51—60

ФС45

800

500—600

2900

51—63

ФС25

500

500—600

1800

61—64

Силикомарганец СМн17

730

450—600

2600

55—62

Ферромаргаиец высокоуглеродистый

630

200—300

2150

46—65

Феррохром углеродистый и передель-

620

200—250

2100

54—68

иый

Кремний кристаллический

2200

1200—1400

8500—11 000

60—95

Вид и марка ферросплава

Выход газа на 1 т продукта, им3

Температура газа, °C

Энергия газа (физическая и химическая), кВт«ч/т

Отношение энергии газа к удельному расходу эиергии, %

Ферросилиций марки: ФС75

1750

900—1000

6500

59—75

ФС65

1200

600—700

4300

51—60

ФС45

800

500—600

2900

51—63

ФС25

500

500—600

1800

61—64

Силикомарганец СМн17

730

450—600

2600

55—62

Ферромаргаиец высокоуглеродистый

630

200—300

2150

46—65

Феррохром углеродистый и передель-

620

200—250

2100

54—68

иый

Кремний кристаллический

2200

1200—1400

8500—11 000

60—95

Таблица 3.8. Характеристики отходящих печных газов при плавке ферросплавов в рудиотермических печах [21]

Таблица 3.8. Характеристики отходящих печных газов при плавке ферросплавов в рудиотермических печах [21]

Рис. 3.17. Система утилизации энергии отходящих газов и охлаждающей воды руднотермической печи:/ — руднотермическая печь; 2 — водоохлаждаемые панели; 3 — камера подогрева шихты; 4 — котел- утилизатор; 5— паровая турбина; 6—электрогенератор; 7— конденсатор; 8— бак; 9— иасос; 10— теплообменникРис. 3.17. Система утилизации энергии отходящих газов и охлаждающей воды руднотермической печи:/ — руднотермическая печь; 2 — водоохлаждаемые панели; 3 — камера подогрева шихты; 4 — котел- утилизатор; 5— паровая турбина; 6—электрогенератор; 7— конденсатор; 8— бак; 9— иасос; 10— теплообменникрячей воды возможно для технологических целей, например сушки шихты или других материалов, теплофикации, предварительного подогрева воды для парогенераторов. Для повышения качества теплоты при невысоких температурах теплоносителя целесообразно использовать тепловые насосы различных типов (см. разд. 6 данной книги).

Рис. 3.17. Система утилизации энергии отходящих газов и охлаждающей воды руднотермической печи:

/ — руднотермическая печь; 2 — водоохлаждаемые панели; 3 — камера подогрева шихты; 4 — котел- утилизатор; 5— паровая турбина; 6—электрогенератор; 7— конденсатор; 8— бак; 9— иасос; 10— теплообменник

Рис. 3.17. Система утилизации энергии отходящих газов и охлаждающей воды руднотермической печи:

/ — руднотермическая печь; 2 — водоохлаждаемые панели; 3 — камера подогрева шихты; 4 — котел- утилизатор; 5— паровая турбина; 6—электрогенератор; 7— конденсатор; 8— бак; 9— иасос; 10— теплообменник

Разрабатываются и в отдельных случаях • применяются системы испарительного охлаждения (температура пара до 130 °C) [13]. В этом случае системы утилизации потерь энергии становятся еще более эффективными. При разработке систем утилизации энергии необходимо учитывать режим работы ЭТУ: периодический (например, дуговая сталеплавильная печь и индукционная тигельная печь); непрерывный (например, руднотермические печи нескольких типов). Применяемые на практике системы утилизации потерь энергии в ЭТУ разнообразны. Ниже представлены два примера: система утилизации энергии печных газов и охлаждающей воды руднотермической печи (рис. 3.17) для рекуперации электроэнергии; система использования энергии охлаждающей воды индукционной тигельной печи (рис. 3.18) для целей обогрева помещения и горячего водоснабжения.

Эффективность утилизации тепловых потерь и потерь электроэнергии в ЭТУ характеризуется следующими данными. Потребление энергии литейных заводов на отопление и по-

Рис. 3.18. Система использования энергии охлаждающей воды индукционной тигельной

печи:

/ — индукционная тигельная печь; 2 — насос; 3 — клапаны; 4 - теплообменник; 5 — потребитель теплоты; 6- дополнительный источник горячей воды

догрев бытовой воды, составляющее 10—15 % всей потребляемой ими энергии, может быть почти целиком покрыто за счет утилизации энергии. Удельный расход электроэнергии при выплавке ферросплавов при утилизации вторичной энергии отходящих печных газов и охлаждающей воды может быть снижен на 20— 30 % [21,23].

СПЕЦИФИКА УСЛОВИЙРАБОТЫ МАТЕРИАЛОВ В ЭТУ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬНЕСПЛОШНЫХ ЗАГРУЗОК

Значения насыпной массы и эффективной теплопроводности некоторых загрузок при нагреве в окислительной среде (воздух) приведены в табл. 3.9 [17].

Эффективная теплопроводность определяется передачей теплоты излучением, конвекцией и теплопроводностью в местах соприкосновения мелких изделий, составляющих несплошную загрузку [10].

Эффективная теплопроводность загрузки, Вт/(м- К):

для деталей округлой формы

3,46Cs.10-8T3d[3pen + (l-p)eM] —l+ll-rtd-..)—13 8)

для мелких и средних изделий произвольной формы

(3.9)

где Хг, Хм — теплопроводности газа в загрузке и материала загрузки; р — порозность загрузки; с, = 5,67 Вт/(м2-К4) —коэффициент излучения абсолютно черного тела; еп, е„ — интегральные коэффициенты теплового излучения стенок печи и материала загрузки;

для цилиндрических деталей, уложенных хаотично, рекомендуется порозность определять по формуле

/ t\0,371

р = 0,326 + 0,148( —-l,25j

при 1,25^-^-С 10. а

Эффективная теплопроводность пакетов и рулонов из п листов при направлении теплового потока:

перпендикулярно листам

/16, +(п — 1) 62

'экв = /i6,/X,+(/i-l)62/X2 ’

параллельно листам

лХ|6| +(л— 1) Х^г

Х’кв = пб,+(п-1)62

(3.10)(3.10)(З.Н)(З.Н)В (3.10), (3.11) Х|—теплопроводность листа толщиной 6ь Х2 = Хг4-а6г; Хг— теплопроводность газа между листами; а = = 4cs-Ю^впрГ3, где епр = ^—1^ ; е — степень черноты листа.

(3.10)

(3.10)

(З.Н)

(З.Н)

РЕКОМЕНДАЦИИ ПОПРИМЕНЕНИЮ ФУТЕРОВОЧНЫХМАТЕРИАЛОВ В ЭТУ

Условия работы футеровочных материалов в ЭТУ значительно отличаются от условий их работы в пламенных печах. В ЭТУ отсутствует воздействие на материал футеровки компонентов топлива, а также эрозионное воздействие факела пламени и дымовых газов. Однако появляются специфичные требования, связанные с использованием в ЭТУ контролируемых (защитных) атмосфер и наличием электрического напряжения. В печах сопротивления футеровка контактирует с электронагревателями. Поэтому футеровка в ЭТУ должна обладать определенными химическими и физическими, в том числе электроизоляционными, свойствами. В табл. 3.10 приведены рекомендации по применению футеровочных материалов в электропечах сопротивления с контролируемыми атмосферами. Рекомеиду-

Таблица 3.9. Насыпная масса и эффективная теплопроводность несплошиых стальных загрузок

Вид загрузки

Насыпная масса, кг/м3

Теплопроводность, Вт/(м-К)

Мелкие болты и гайки диаметром 12—25 мм

1650—1800

4,65

Шарики диаметром 10—12 мм

4400

6—10,5

Ролики диаметром 12—30 мм

4350

8—11,6

Тонкие кольца

4350

7—10

Детали в металлической стружке

2000—3000

0,8—1,5

Проволока в бунтах

—

2,3—3,5

Стопа листов толщиной 1 мм

—

0,4—0,6

емые области применения огнеупорных мате- стоящей серии. Рекомендации по применению риалов в различных видах ЭТУ приведены теплоизоляционных материалов в различных в табл. 3.11. Теплофизические свойства футе- типах ЭТУ имеются в справочных изданиях ровочиых материалов см. в разд. 8 кн. 1 на- [12, 28].

Таблица 3.10. Огнеупоры для электропечей [12]

Атмосфера печи

Рекомендуемые материалы футеровки

Эндотермическая, цемеитациои- иая, экзотермическая

Корундовые, высокоглиноземистые плотные, муллитокремнеземистые легковесные, шамотные, карбидкремниевые на нитридной и оксинитридной связках, цирконистые, из алюмосиликатных волокон, кордиеритовые

Водород, диссоциированный аммиак (осушенные)

Корундовые, цирконистые, карбидкремниевые, из чистых оксидов тория, гафния, бериллия, иттрия

Водород, диссоциированный аммиак (иеосушеиные)

Корундовые, высокоглиноземистые плотные, циркоии- стые, карбидкремниевые, из алюмосиликатных волокон

Воздух

Любые, кроме материалов на основе графита

Инертные газы

Любые

Вакуум

Корундовые, цирконистые, карбидкремниевые, высокоглиноземистые плотные, шамотные легковесные, из алюмосиликатных волокон, карбидкремниевые, чистые оксиды бериллия, тория, иттрия

Таблица 3.11. Области применения огнеупорных материалов в ЭТУ [12]

Материал

Область применения

Динас

Своды электросталеплавильиых печей, высокотемпературные нагревательные печи непрерывного действия

Шамот

Кладка электропечей (плавильные, нагревательные, для термообработки) с воздушной средой

Шамот-легковес

Кладка электропечей различного назначения

Муллитокремнеземистые и муллитовые огнеупоры

Огнеупорный слой футеровки электропечей различного назначения

Муллитокорундовые огнеупоры

Огнеупорный слой футеровки электропечей различного иазиачеиия, в том числе плавильных

Корундовые огнеупоры

Огнеупорный слой футеровки высокотемпературных вакуумных, водородных печей, печей с углеродсодержащей атмосферой, нагревательных, плавильных, для химико-термической обработки

Магнезиальные и магиезиально- шпииелидные огнеупоры

Плавильные электропечи

Продолжение табл. 3.11

Материал

Область применения

Бадделеитовые и бадделеитокорундовые огнеупоры

Футеровка высокотемпературных электропечей с окислительной, восстановительной углеродсодержащей атмосферой и вакуумом

Бакор

Футеровка стекловаренных электропечей

Карбидкремниевые огнеупоры

Износостойкие изделия, работающие в воздушной или инертной среде

Оксид алюминия (корунд)

Тигли для плавки металлов, фасонные футеровочные изделия (стаканы, трубки, бусы, соломка, чехлы для термопар)

Диоксид циркония

Тигли для плавки металлов и кислых расплавов, защитные обмазки и покрытия на огнеупорах и металлах

Оксид магния

1

Тигли для плавки чистых металлов, футеровка индукционных печей, чехлы термопар

Оксид бериллия

Тигли для плавки чистых веществ и металлов

Оксид тория

Тигли для плавки в вакууме активных металлов

Оксид иттрия

Высокотемпературный электроизолятор

Огнеупорные муллитокремиезе- мистые волокнистые изделия

Огнеупорная и теплоизоляционная часть футеровки электропечей сопротивления

Муллитовые (на основе AI2O3) огнеупоры

Огнеупорная часть футеровки электропечей различного назначения

Огнеупорные бетоны и массы

Сложнофигурные футеровки электропечей сопротивления, футеровки канальных и тигельных электропечей

Огнеупорные порошки

Футеровка подовых камней индукционных медеплавильных печей, тигли индукционных печей для плавки чугуна и стали

3.5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИСЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ЭТУК серийно выпускаемым промышленностью ЭТУ относятся главным образом электропечи сопротивления различных типов, дуговые сталеплавильные печи, руднотермические печи, индукционные тигельные и канальные печи, индукционные нагреватели и закалочные установки. Технико-экономические характеристики этих видов ЭТУ приведены в табл. 3.12 — 3.18, в которых использованы данные прейскуранта оптовых цен на промыш3.5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИСЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ЭТУК серийно выпускаемым промышленностью ЭТУ относятся главным образом электропечи сопротивления различных типов, дуговые сталеплавильные печи, руднотермические печи, индукционные тигельные и канальные печи, индукционные нагреватели и закалочные установки. Технико-экономические характеристики этих видов ЭТУ приведены в табл. 3.12 — 3.18, в которых использованы данные прейскуранта оптовых цен на промышленные печи и нагревательные установки [15]. В этот прейскурант постоянно вносятся дополнения с характеристиками вновь разработанных ЭТУ, что частично нашло отражение в таблицах.Дополнительная информация о выпускаемых в стране ЭТУ и комплектующем электрооборудовании содержится в справочных изданиях по электротермическому оборудованию [27, 28], а также в каталогах, проспектах и информационных листках, издаваемых ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО) и Ииформэлектро Минэлектро- техпрома СССР. ■ ■ленные печи и нагревательные установки [15]. В этот прейскурант постоянно вносятся дополнения с характеристиками вновь разработанных ЭТУ, что частично нашло отражение в таблицах.Дополнительная информация о выпускаемых в стране ЭТУ и комплектующем электрооборудовании содержится в справочных изданиях по электротермическому оборудованию [27, 28], а также в каталогах, проспектах и информационных листках, издаваемых ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО) и Ииформэлектро Минэлектро- техпрома СССР. ■ ■

3.5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИСЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ЭТУ

К серийно выпускаемым промышленностью ЭТУ относятся главным образом электропечи сопротивления различных типов, дуговые сталеплавильные печи, руднотермические печи, индукционные тигельные и канальные печи, индукционные нагреватели и закалочные установки. Технико-экономические характеристики этих видов ЭТУ приведены в табл. 3.12 — 3.18, в которых использованы данные прейскуранта оптовых цен на промыш

3.5. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИСЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ЭТУ

К серийно выпускаемым промышленностью ЭТУ относятся главным образом электропечи сопротивления различных типов, дуговые сталеплавильные печи, руднотермические печи, индукционные тигельные и канальные печи, индукционные нагреватели и закалочные установки. Технико-экономические характеристики этих видов ЭТУ приведены в табл. 3.12 — 3.18, в которых использованы данные прейскуранта оптовых цен на промыш

ленные печи и нагревательные установки [15]. В этот прейскурант постоянно вносятся дополнения с характеристиками вновь разработанных ЭТУ, что частично нашло отражение в таблицах.

Дополнительная информация о выпускаемых в стране ЭТУ и комплектующем электрооборудовании содержится в справочных изданиях по электротермическому оборудованию [27, 28], а также в каталогах, проспектах и информационных листках, издаваемых ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО) и Ииформэлектро Минэлектро- техпрома СССР. ■ ■

ленные печи и нагревательные установки [15]. В этот прейскурант постоянно вносятся дополнения с характеристиками вновь разработанных ЭТУ, что частично нашло отражение в таблицах.

Дополнительная информация о выпускаемых в стране ЭТУ и комплектующем электрооборудовании содержится в справочных изданиях по электротермическому оборудованию [27, 28], а также в каталогах, проспектах и информационных листках, издаваемых ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО) и Ииформэлектро Минэлектро- техпрома СССР. ■ ■

Таблица 3.12. Электропечи сопротивления

Типоразмер печи

Рабочая температура, °C

Мощность, кВт

Масса садки, кг (производительность, кг/ч)

Габариты рабочего пространства, мм

Оптовая цена за штуку [15], руб.

Область применения

сно^

500

15

30—40

500 X 500 X 500

1600

Сушка электродов и

СНА 6,5-22. Ю 0

650

100

1250

650X2200X100

15 800

флюсов

Газовое азотирование

сно7лзпо СНО^^

600

26

230

700 X 630 X 1000

4200

Отжиг стекла, термообработка

1000

14

100

300X600X200

890

Та же

CHO 3 4 2,5 сшз^

1300

30

120

300X400X250

3000

Нагрев под закалку или штамповку

700

37,2

600

Диаметр 600,

3600

Отпуск стальных из-

США-^^

высота 600

делий

650

42,5

400

Диаметр 500, высота 750

3150

Газовое азотирование

сгз2баь

700

148

10 000

Диаметр 1600,

35 000

Диффузионный отжиг

СдО1№10

500

79,4

1700

высота 1600

1000Х 1250Х 1000

11 600

Подогрев штампов,

пресс-форм

СДО*™2 скз!^1

1200

210

8000

1400 X 2000 X 1000

8000

Нагрев крупногабаритных деталей

900

149,5

(100—160)

400 X 2000 X ЮО

38 000

Закалка

cks^Z.

900

387,3

(400—600)

800 X 4000 X ЮО

45 000

Закалка

CKO I2 J5-4

350

134,2

(400—640)

1400X7500X400

17 300

Отпуск

10.100.5

950

606

(400)

1000Х 10 000X500

107 900

Агрегат для цемента-

СРО 11305

800

388,8

(1500)

1100X7860X500

48 700

НИИ

Отжиг листа

САО21 |‘3

500

75

(250)

2100 диаметр -^у,

9000

Термообработка цвет-

Саз21^

высота 400

ных сплавов

950

44

(ЮО)

300X250X400

6400

Закалка

сиз 1^1

900

88,6

(160)

400 X 2000 X 100

9000

Закалка

Примечание. В типоразмере печи первая буква (С) обозначает нагрев сопротивлением, вторая — основной конструктивный признак (Н — камерная, Ш — шахтная, Г — колпаковая, Д — с выдвижным подом; К — конвейерная, Т — толкательная, Р — рольганговая, А — карусельная, И — с пульсирующим подом), третья — атмосферу нагрева (О — окислительная, 3 — защитная, А — азот, Ц — цементационная). В числителе дроби — размеры рабочего пространства печи, дм, в знаменателе — рабочая температура печи (сотни градусов Цельсия).

Таблица 3.13. Дуговые сталеплавильные электропечи

Типоразмер печи

Мощность трансформатора, МВ-А

Удельный расход электроэнергии, кВт.ч/т

Время расплавления, ч

Оптовая цена за штуку [15,29], руб.

ДСП-0,5

0,63

558

0,75

11 500

ДСП-1,5

1,25

479

0,75

29 000

ДСП-3

2,0

465

1,2

39 000

ДСП-6

4,0

480

1,0

72 000

ДСП-12

8,0

470

—

—

ДСП-25

12,5—15,0

460

1,5

290 000

ДСП-50

20,0

440

—

—

ДСП-100

32—50

405

—

—

ДСП-200

125

400

—

—

Примечание. В типоразмере печи первая буква обозначает вид нагрева (дуговой), вторая — выплавляемый металл (С — сталь), третья — конструктивную особенность (П — поворотный свод). Цифры после букв — вместимость печи, т.

Таблица 3.14. Рудиотермические печи

Типоразмер печи

Мощность траис- форматора, кВ-А

Размеры ванны, м

Основное назначение

Диаметр

Глубина

РКО-2,5

2500

2700

1200

Выплавка малоуглеродистого ферромарганца

РКО-3,5

3500

2500

1100

Выплавка рафинированного феррохрома

РКО-4,5

4500

3500

1340

Выплавка рудно-известкового расплава для получения рафинированного феррохрома

РКО-16,5

16 500

6100

2300

Выплавка ферросилиция, силикомарганца, феррохрома

РКЗ-16,5

16 500

6630

2800

Выплавка ферросилиция, силикомарганца

РКЗ-33

33 000

8400

3500

Выплавка ферросилиция, силикохрома, силикомарганца, феррохрома

РКЗ-80

80 000

16 860

6760

Возгонка желтого фосфора

РКЗ-48

48 000

8500

4350

Возгонка желтого фосфора

РПЗ-48

63 000

20 400X7100 (прямоугольная)

4500

Выплавка марганцевых сплавов

РПЗ-63

63 000

23 000 X 8200 (прямоугольная)

4500

Выплавка марганцевых сплавов

Примечание. В типоразмере печи первая буква обозначает вид нагрева (Р — руднотермический, дуговой смешанный), вторая форму ванны (К — круглая, П — прямоугольная), третья — коиструк- тивный признак печи (О— открытая, 3 — закрытая); цифры после букв — мощность печи, МВ-»А.

Таблица 3.15. Индукционные плавильные тигельные печи промышленной и повышенной частоты

Типоразмер печн

Частота тока, Гц

Габариты, мм

Масса, кг

Оптовая цена, руб.

Дополнение к прейскуранту

ИСТ-0,06/0,05

2400

1010X1203X1325

5550

4700

ИСТ-0,16/0,25ИЗ

2400

1220X1042X2052

2590

10 000

№ 38 от 1.02.83

ИСТ-0,25/0,ЗИ1

2400

1220X1175X930

640

11 000

№ 16 от 19.02.82

ИСТ-0.4/0.5ИЗ

2400

1192X1300 X 2800

—

16 000

№ 96 от 8.04.86

ИСТ-1 /0.8М5

1000

1710 X 2680X1947

4530

27 000

№ 3 от 12.05.81

ИСТ-2,5/2,4МЗ

500

2400 X 3060 X 2660

28 700

59 000

№ 4 от 26.05.81

ИСТ-2/2.4М1

500

12 000X20 900X6460

58 630

119 000

№ 63 от 28.08.84

ИЧТ-1/0.4С2

50

5600X8700X5600

5000

39 000

—

ИЧТ-2.5/1С4

50

5600X11 600X12 000

9600

64 000

—

ИЧТ-6/1,6С7

50

7000X16 000X5860

17 500

74 800

—

ИЧТ-10/2.5С4

50

4060X6900X7630

65 300

114 000

№ 89 от 24.12.85

ИЧТ-31/7,1И1

50

13 250X10 500 X 8640

117 100

500 000

№ 89 от 24.12.85

ИЧТМ-10/1.3М1

50

3600 X 4000 X 6950

36 500

87 300

—

ИСВ-0,6НИМЗ

1000

И 295X10 735X7560

94 500

400 000

—

Примечания: 1. В обозначении типоразмера печи: ИСТ, ИЧТ, ИЧТМ, ИСВ-— соответственно открытая печь для плавки стали, то же для плавки чугуна, миксер для чугуна, вакуумная печь для стали; числитель в дроби — вместимость печи, т, знаменатель — мощность, МВт; буква и цифра — модификация конструкции.

2. Стоимость и масса источника питания не учтены.

Таблица 3.16. Канальные индукционные печи

Типоразмер печи

Мощность, кВ-А

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

Оптовая цена, руб.

Дополнение к 1 прейскуранту

ИЧКМ-6 01

630

12 500Х 14 300Х 10 055

44 100

53 000

№ 5 от 25.06.81

ИЧКМ-10 С1

630

2766X3900X4767

28 500

45 000

№ 43 от 31.5.83

ИЧКМ-40/1.0-И1

970

5120 X 8200 X 5000

65 500

84 000

№ 120 от 15.6.87

ИЛК-1 С2

400

7930X5790X5800

5050

15 300

№ 28 от 6.7.82

ИЛК-0,4С1

100

1060X1355X1500

900

4300

—

ИЛК-1,6 С2

1000

6000 X 7010 X 5896

14 858

26 000

—

ИЛКМ-6 С5

400

4594X3953X4032

23 200

39 000

№ 43 от 31.5.83

ИАК-40/3,5-И1

4800

6900 X 6040

128 395

450 000

№ 105 от 12.9.86

Примечания: 1. В обозначении типоразмера печи: ИЧКМ, ИЛК, ИЛКМ, ИАК — соответственно миксер для чугуна, печь для плавки латуни, миксер для латуни, печь для алюминия; цифра — вместимость печи, т; цифра в знаменателе — мощность базового варианта, МВт; буква и цифра — модификация конструкции.

Стоимость и масса трансформатора, комплектно-распределительного устройства и шкафов управления не учтены.

Таблица 3.17. Индукционные нагревательные установки

Типоразмер установки

Габариты загрузки, мм

Масса установки, кг

Оптовая цена, руб.

Длина

Диаметр

ИК1-250/2,4

70—250

25—60

27 000

И КЗ-500/1

100—600

70—150

—

51 000

ИК4-500/2.4

70—600

30—80

52 000

ИК1-750/1

100—600

70—150

56 000

КИН 11-250/2,4

70—400

20—45

17 800

КИН 12-250/10

70—400

20-45

—

16 000

КИН14-500/1

100—600

70—150

18 000

КИН 15-500/2,4

70-600

30—80

21 000

КИН 16-500/10КП

70—600

20—45

21 000

КИН 10-750/1

100—600

70—150

22 000

КИН 11-750/2,4

70—600

30—80

22 000

ИНГЭ-250/2,4

70—250

25—60

4720

33 000

ИНТ1-500/2,4

70—400

25—80

7800

56 000

ИНТ2-500/1

100—400

60—130

7950

57 000

ИНЗ-500/10

2500—3000

17—30

3460

24 000

ИНЗ-1250/4

4500—5000

50

8130

50 000

ИН 1-3250/2,4

4000—6000

40—60

27 660

76 700

ИН5-750/10

2500—10 000

20—32

—

34 700

ИН2-250/10

2500—10 000

12—18

—

18 050

ИН4-750/2,4

2500—6000

35—80

—

39 600

ИНЗ-1500/1

3500— 6000

80—100

—

58 100

Примечания: I. В обозначении типоразмера установки: буквы и цифра — модификация нагревателя стальных заготовок; числитель в дроби мощность, кВт; знаменатель частота тока, кГц.

2. Температура нагрева стальных заготовок 1200 °C.

Таблица 3.18. Индукционные установки для поверхностной закалки

Типоразмер установки

Площадь нагреваемой поверхности, см2; минимальный диаметр загрузки, мм; глубина

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

Оптовая цена, руб.

закаленного слоя,

ММ

И34-100/8

200; 19; 1,5—5

1300X3300X2035

3405

7900

ИЗЗ-200/2,4

400; 35; 2,5—10

1300X5000X2035

5014

9300

ИЗЗ-100/2,4

200; 35; 2,5—10

1300 X 3300 X 2035

2960

7900

И34-200/8

400; 19; 1,5—5

1300X5000X2035

5904

9300

И36-100/2,4

210; 35; 2,5—10

—

2582

12 500

И37-100/8

210; 19; 1,3—5

—

2582

12 500

И36-200/2,4

420; 35; 2,5—10

—

2819

14 000

И37-200/8

420; 19; 1,3—5

—

2819

14 000

И32-250/10

—— 1,1—4,5

—

—

25 000

ИЗ 1-250/4

—- 1,8—7,5

—

—

23 400

И31-160/4

—- 2,5-7,5

—

—

21 800

И31-500/1

—— 3,6—16

—

—

27 300

И32-500/4

—— 1,8—7,5

—

—

29 200

Примечание. В обозначении типоразмера установки: ИЗI — И37 — закалочная установка соответствующей модификации; числитель в дроби — мощность, кВт; знаменатель — частота тока, кГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Альтгаузен А. П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. М.: Эиергоатомиздат, 1987.

Альтгаузен А. П., Берзин В. А. Снижение энергетических затрат при термоупрочне

нии с применением электронагрева // Электротехника. 1986. № 3. С. 8—10.

Альтгаузен А. П., Бородачев А. С., Попов А. Н. Широкое внедрение электротермии — важнейшее направление энергосбережения // Электротехника. 1986. № 3. С. 2—5.

Глуханов Н. П., Федорова И. Г. Высо-

кочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиностроении.— 2-е изд., пере- раб. и доп. Л.: Машиностроение, 1983.

Гутман М. Б., Проиько М. Г., Пылаева 3. Л. Электрические печи сопротивления с принудительной циркуляцией атмосферы. М.: Энергоатомиздат, 1985.

Долгов И. Ю. Перспективы применения тепловых насосов для экономии энергетических ресурсов // Электротехника. 1986. № 3. С. 32—35.

Егоров А. В., Моржин А. Ф. Электрические печи для производства сталей. М.: Металлургия, 1975. ‘

Жуковский В. Е., Кувалдин А. Б. Индукционные установки низкотемпературного нагрева для различных технологических процессов // Электротехника. 1986. № 3. С. 16—19.

Каллистратов В. А., Ковалев В. Н., Давыдов В. П. Энергосберегающая автоматика крупных электротермических установок // Электротехника. 1986. № 3. С. 10—13.

Кацевич Л. С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических печей. М.: Энергия, 1977.

Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергоатомиздат, 1988.

Материалы для электротермических установок: Справочное пособие / Под ред. М. Б. Гутмана. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Методы снижения и использования потерь энергии в индукционных установках / А. Б. Кувалдин, И. П. Сальникова, Э. Кольбе, X. Зеебер // Электротехника. 1984. № 4. С. 42—45.

Перспективы применения криогенной техники в электротермии / В. А. Григорьев, М. М. Соколов, В. М. Бродянский, А. Б. Кувалдин, Е. В. Аметистов // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1980. № 1. С. 9—11.

Прейскурант № 15—14. Оптовые цены на промышленные печи и нагревательные установки. М.: Прейскурантиздат, 1981.

Простяков А. А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна. М.: Энергия, 1977.

Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. Часть первая. Электрические печи сопротивления.— 2-е изд. М.: Энергия, 1975.

Смоляреико В. Д., Кузнецов Л. Н. Энергетический баланс дуговых сталеплавильных печей. М.: Энергия, 1973.

Соколов М. М., Кувалдин А. Б., Ан

дрюшин Н. Ф. Энергетическая эффективность индукционных электротермических установок с использованием криорезистивных систем // Экономия эиергоресурсов в электротермических и термических установках и процессах. М. МДНТП, 1984. С. 56—60.

Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого. Л.: Энергия, 1981.

Утилизация вторичной энергии, выделяемой в ферросплавных электропечах / В. Л. Розенберг, Л. А. Рязанцев, А. Г. Лыков // Электротехника. 1986. № 3. С. 20—23.

Химические аппараты с индукционным обогревом / С. А. Горбатков, А. Б. Кувалдин, В. Е. Минеев, В. Е. Жуковский. М.: Химия, 1985. ■

Цишевский В. П. Возможности утилизации тепловых потерь плавильных электропечей // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. М. Информэлектро. 1982. № 1. С. 3—5.

Электрические печи сопротивления и дуговые печи / М. Б. Гутман, Л. С. Кацевич, М. С. Лейкаид и др. М/. Энергоатомиздат, 1983.

Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева / Под ред. А. Д. Свенчанского.— 2-е изд., перераб. и доп. М.: Эиергоиздат. 1981.

Электронные плавильные печи / Под ред. М. Я. Смелянского. М.: Энергия, 1971.

Электрооборудование и автоматика электротермических установок / Под ред. А. П. Альтгаузена, М. Д. Бершицкого, М. Я. Смелянского, В. М. Эдемского. М.: Энергия, 1978.

Электротермическое оборудование: Справочник / Под общ. ред. А. П. Альтгаузена.— 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1980.

Электротехника СССР. Электротермическое оборудование. М.: Информэлектро, 1987.

Эффективность применения криоох- лаждаемой короткой сети рудовосстанови- тельиой печи / А. Б. Кувалдин, А. А. Капранов, В. Л. Розенберг и др. // Оптимизация процессов в электротермических установках с применением ЭВМ. Сб. научи, трудов. № 122. М.: Изд-во МЭИ, 1987. С. 50—59.

СОг-лазеры для термоупрочиеиия сталей и чугунов / А. С. Бородачев, М. Б. Гутман, Г. К. Рубин // Электротехника. 1986. № 3. С. 5—7. _

Elecktrowarme. Theorie und Praxis. Essen: Verlag W. Girardet. 1974.

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ'

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕАППАРАТЫ И УСТАНОВКИ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

КЛАССИФИКАЦИЯТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменные аппараты— устройства, в которых осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия теплообменные аппараты (теплообменники) разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках горячая н холодная среда протекают одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку (котлы, подогреватели, испарители, конденсаторы н др.).

В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В период контакта стенкн с горячим теплоносителем стенка нагревается, а в период подачн холодной среды охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты. К таким аппаратам относятся воздухоподогреватели газотурбинных установок, мартеновских и доменных печей.

Смесительные теплообменники предназначены для осуществления тепло- и массо- обмеиных процессов при непосредственном контакте теплоносителей. К таким теплообменникам относятся оросительные полые, насадочные и барботажные аппараты.

Наибольшее применение в промышленности находят рекуперативные теплообменники, которые по взаимному направлению движения теплоносителей разделяют на прямоточные, противоточные, с перекрестным и смешанным током.

По принципу взаимодействия теплоносителей различают системы: жидкость — жидкость, пар — жидкость, газ — жидкость, пар — пар, пар — газ и газ — газ.

По конструктивным признакам рекуперативные теплообменники подразделяются на

змеевиковые, трубчатые, труба в трубе, кожухотрубчатые, спиральные, пластинчатые и специальные.

Наиболее доступными и распространенными теплоносителями, применяемыми в теплообменниках, являются вода, водяной пар, воздух, дымовые газы. В ряде случаев более эффективными оказываются кремнийоргани- ческне, жидкометаллические и другие высокотемпературные теплоносители [9, 12].

РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Принято выделять проектный (или конструкторский) и поверочный расчеты теплообменников.

Проектный расчет проводят, если требуется создать новый, не выпускаемый промышленностью аппарат. При этом известны его тепловая мощность, расходы и начальные параметры (температура, давление) теплоносителей, их теплофизические свойства, условия эксплуатации теплообменника и другие сведения, необходимые для выбора конструкционных материалов, конструктивных размеров, компоновки теплообменника. Проектный расчет включает тепловой конструктивный, гидравлический, механический, компоновочный и технико-экономический расчеты.

Результатом теплового конструктивного расчета является значение площади поверхности теплообмена F, м2, для расчета которой используют один из трех методов: метод среднего температурного напора, метод эффективности, метод средней интенсивности теплообмена.

В первом случае используют уравнение теплопередачи

F = Q№M\

где Q — тепловая мощность; h — коэффициент теплопередачи; А/ — средний температурный напор.

Тепловую мощность теплообменника определяют из уравнения теплового баланса

Q = G, 6^,7] = 626^2,

где Gi и Gi — массовые расходы горячего и холодного теплоносителей; 6А|=А(—А" и 6h2=Hi — hi— изменения энтальпий соот

ветственно греющего и нагреваемого теплоносителей; Ль Аг н А" А? — начальные и конечные значения их энтальпий (при отсутствии фазовых превращений h = cpt, здесь ср и t — удельная изобарная теплоемкость и температура теплоносителя); т] — коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду (т] = 0,97-^0,99).

Коэффициент теплопередачи поверхности нагрева трубчатых, пластинчатых, спиральных промышленных аппаратов рассчитывают обычно по формуле для плоской стенки (см. п. 3.3.4 кн. 2 настоящей серии)

к =к =——И#! +Яст + Я2+~——И#! +Яст + Я2+~где а, н аг — коэффициенты теплоотдачи греющего и нагреваемого теплоносителей; RCT = = 6/Х— термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители; здесь 6 — толщина и X — теплопроводность материала стенки; Ri и Ri— термические сопротивления загрязнений поверхности нагрева со стороны каждого из теплоносителей.1

к =

к =

——И#! +Яст + Я2+~

——И#! +Яст + Я2+~

Ориентировочные значения Ri и Ri можно принять по табл. 4.1. Значения коэффициентов теплоотдачи рассчитывают по формулам,

Таблица 4.1. Ориентировочные термические сопротивления различных загрязнений на стейках теплообменников ,

Теплоноситель и загрязнение

R, м2-К/Вт

Пары:

ВОДЫ

0,0009

органических жидкостей

0,00011

хладагентов (хладонов)

0,00010

Жидкости:

вода речная

0,00017—0,00035

вода оборотная

0,00018—0,00023

вода морская

0,00021—0,00053

органические жидкости

0,00020—0,00035

нефть

0,00029

масла

0,00035

мазут

0,00050

Загрязнения в виде твер-

дых веществ при толщине слоя 0,5 мм:

накипь

0,00033

ржавчина

0,00050

гипс

0,00083

известь

0,00042

рекомендованным в § 3.6 кн. 2 настоящей серии; см. также [29,31,32,37].

При расчете а, и аг предварительно выбирают тип теплообменника, характерные размеры каналов и задаются скоростями теплоносителей с учетом их вязкости:

ц, Па-с 1,50,5—1,0 0,1—0,5

ю, м/с 0,60,750,85

ц, Па-с 0,035—0,1 0,001—0,035

w, м/с 1,52,4—1,8

Рекомендации по выбору скоростей газов и паров приведены в табл. 4.2.

После расчета размеров поверхности и проходных сечений выбранные значения скоростей проверяют по уравнениям неразрывности каждого теплоносителя

G|=p1tO|f|; G2 = P2^2$2’

где pi, рг и ш|р wi — средние плотности и скорости теплоносителей в каналах теплообменника; fi и fi — площади живых (проходных) сечений каналов.

При заметном влиянии разницы температур теплоносителей и стенок каналов на тепло-

Таблица 4.2. Допустимые скорости паров и газов в теплообменниках, м/с, при различных значениях молекулярной массы

Давление в аппарате, МПа

Молекулярная масса

18

29

44

100

200

400

0,17

36

25

21

15

12

10,5

0,45

18

15

12

9

7

6

0,8

15

12

9

7

5,5

5

3,6

10

8,5

6

5

4

3,5

7,0

9

7,5

5

4

—

—

Таблица 4.3. Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи теплообменников со стальной поверхностью

Теплоноситель

к, Вт/(м2-К)

Воздух — воздух

5—25

Воздух — вода

10—40

Воздух — конденсирующийся

15—50

пар

Вода — вода

150—1000

Вода — конденсирующийся

1000—2000

пар

Конденсирующийся пар — ки-

1500—3000

пящая вода

Конденсирующийся пар —

300—500

масло

Рис. 4.1. Графики изменения температур теплоносителей в теплообменниках:а — при прямотоке; б — при противотоке без фазовых превращений; в — при изменении фазового состояния (коидеисацни) греющего теплоносителяРис. 4.1. Графики изменения температур теплоносителей в теплообменниках:а — при прямотоке; б — при противотоке без фазовых превращений; в — при изменении фазового состояния (коидеисацни) греющего теплоносителяобмен, например при вынужденном течении жидкостей с числом Прандтля более пяти, при естественной конвекции и фазовых изменениях теплоносителей, температурой стенки предварительно задаются, поскольку оиа заранее неизвестна. После вычисления коэффициентов теплоотдачи ее проверяют, используя условие постоянства плотности теплового потока через стенку для установившегося режима. Можно также задаться предварительно плотностью теплового потока или коэффициентом теплопередачи с последующей их проверкой.

Рис. 4.1. Графики изменения температур теплоносителей в теплообменниках:

а — при прямотоке; б — при противотоке без фазовых превращений; в — при изменении фазового состояния (коидеисацни) греющего теплоносителя

Рис. 4.1. Графики изменения температур теплоносителей в теплообменниках:

а — при прямотоке; б — при противотоке без фазовых превращений; в — при изменении фазового состояния (коидеисацни) греющего теплоносителя

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи для промышленных теплообменников приведены в табл. 4.3.

Средний температурный напор рассчитывают как среднелогарифмический при выполнении условия Д/6/Л/м>4,5, если движение теплоносителей без изменения фазового состояния является прямоточным или противоточным (рис. 4.1; здесь Мб и М„ — соответственно наибольший и наименьший температурные напоры):

^6-Л<мIn (Д/6/Д/м)'^6-Л<мIn (Д/6/Д/м)'(4.1)(4.1)При кипении или конденсации одного из теплоносителей формула (4.1) справедлива для любой схемы движения теплоносителей. Если Д/6/Д/„<4,5, можно пользоваться упрощенной зависимостью Д/ = 0,5(Д/в + + Д/„) — 0,1 (Д/6 — Д/„), а при Д/6/Д/„<1,8 — зависимостью Д/ = 0,5 (Д/б + Д/м). На участке поверхности, где происходит фазовое изменение обоих теплоносителей, температурный напор равен разности температур насыщения теплоносителей при их давлениях в каналах.

^6-Л<м

In (Д/6/Д/м)'

^6-Л<м

In (Д/6/Д/м)'

(4.1)

(4.1)

При отсутствии фазовых превращений теплоносителей для перекрестной и более

сложных схем

где М” — среднелогарифмический температурный напор для противотока; еД( --- поправочный коэффициент, значение которого определяется схемой движения и параметрами Р = 6<2/Д<н=(<2— ^/(fl — Й); R = btl/6t2 = ^(Х — ^/^—Г^. Номограммы ед/(Р;/?) для некоторых распространенных схем приведены на рис. 4.2.

При выполнении расчетов на ЭВМ удобней использовать аналитические зависимости для М или еД( (Р, Р) [37, 42]. Однако они, как правило, громоздки и не являются универсальными, что затрудняет их практическое применение.

В последнее время все большее распространение находит метод эффективности, основанный на использовании в (^, <в)-характе- ристик. Здесь в — эффективность теплообменника, принимаемая равной

b=Q/[(Gc)m(^-^)] =

= 0/[(6С)мД/н] = 6/6/Д/н =

=(б^Д<„)[(бр)б/(бри;

(Gc)M = min (G,c,; G2c2);

(Gc)6 = max (О,с,; G2c2);

N = kF/(Gc)„ — число единиц переноса;

“=(Gc)M/(Gc)6 = 4/6Z6-

Характеристики теплообменников с прямоточным, противоточным, а также перекрестным течением теплоносителей показаны иа рис. 4.3. В предельном случае, при со—>-0, например при конденсации пара, охлаждаемого

Рис. 4.2. Поправочный коэффициент к среднему температурному напору:

схемы с перекрестным движением теплоносителей: а — оба теплоносителя ие перемешиваются; б — перемешивается греющий теплоноситель; в — оба теплоносителя перемешиваются; г — перемешивается один теплоноситель;

0,1 0,20,3 0,4 0,5 0,60,7 0,8 0,9 Р 3’

Рис. 4.2. Продолжение

д, ж, з — одни теплоноситель перемешивается непрерывно, другой — только между ходами; е — однитеплоноситель ие перемешивается, другой перемешивается между ходами; схемы со сложным движе-нием теплоносителей;

0.6

0,5

Рис. 4.2 Продолжение

и, о, п — прямоточно-противоточные в теплообменниках без поперечных перегородок в межтрубном пространстве; к— н—в многоходовых теплообменниках с поперечными перегородками в межтрубиом пространстве;

Рис. 4.2 Продолжение р — с двумя противоточными ис — с двумя прямоточными ходами

водой или воздухом, независимо от схемы движения теплоносителей

e=l-e-N.

Характеристики е (N, со) также не являются универсальными, поскольку для каждой конкретной схемы получены из совместного решения дифференциальных уравнений теплопередачи и теплового баланса с учетом взаимного направления движения теплоносителей. Однако их удалось унифицировать для

некоторых часто встречающихся схем методом линеаризации среднего температурного напора (см. п. 6.4.2). Обобщенная практически для любых схем характеристика приведена в [32]:

е2 =

l-exp(-N2 [1+ю2(1-2/ф)])

“ 1 +со2 (1 -/Ф)-О2/Ф exp V-N2 [1 +о (1 — 2^)])’

гдеЕ2 = 6/2/А/и;о)2= 6гС2/(6|С|); Ni =

Рис. 4.3. е (^, ^-характеристики теплообменников:

а — при прямотоке; б — при противотоке; в — при перекрестной схеме без перемешивания теплоносителей; г — при перекрестной схеме с перемешиванием одного теплоносителя;(Ос)с«еш =

= (GC)„„„;(бр)смеш (бс)макс

= kF/(G2c2y, fT — характеристика схемы тока, изменяющаяся, как правило, в пределах от О (для прямотока) до 1 (для противотока).

Обычно ^2^ 1,54-2, а при ^2^2 fT можно считать величиной постоянной. Значения fT при ^2<2 приведены в табл. 4.4. Там же для сравнения указаны предельные (при Nt-^-eo и сог—*■ 1) значения /т = ^ = 2—1/е..

Тепловые расчеты теплообменников при фазовых превращениях обоих теплоносителей проводят по методу среднего температурного напора.

Тепловой конструктивный расчет по методу эффективности проводят в следующей последовательности: выбирают (Gc1)» из G,Ci и GiCi; рассчитывают е по уравнению е = = б/б/Д/и; рассчитывают к, со и по одному из характеристических уравнений е (N, со) значе

ние N; затем вычисляют площадь поверхности нагрева F = N (Gc^/k.

С помощью е (N, со)-характеристик легко рассчитываются средние температурные напоры: M=eMK/N, а также поправочные коэффициенты: eM = Nn/N, если е = е„, где еп и ^n — соответственно эффективность и число единиц переноса для противотока.

В методе средней интенсивности теплообмена [37] используют зависимости или номограммы 6 (/?; /V), где 9 = М/М„, и соотношения e = N9 и P = N29.

Гидравлический расчет теплообменника проводят с целью определения гидравлических (аэродинамических) сопротивлений и затрат мощности на перемещение каждого из теплоносителей.

Таблица 4.4. Характеристики схемы тока и предельной эффективности аппаратов для различных схем движения теплоносителей

Схема тока

Условное обозначение

L при Л/2<2

N2-*- ОО

fl

е*

Поперечный, один ход

Поперечный, два хода

Перекрестный

0,39

0,501

0,555

0,418

0,628

1,000

0,632

0,729

1,000

1 4-4-

Поперечно-прямоточный зигзаг, два хода

—1-

— 0,004

-0,315

0,432

Поперечно-прямоточный зигзаг, число

0,000

0,000

0,500

ХОДОВ СО

111 .

Поперечно-противоточный зигзаг, два хода

0,660

0,688

0,762

Поперечно-противоточный зигзаг, число ХОДОВ СО

1,000

1,000

1,000

1

Прямоточио-противоточный, два хода

)

0,398

0,500

0,667

1

1

Противоточно-прямоточный, два хода

)

0,398

0,500

0,667

Прямоточно-противоточный, три хода

Противоточно-прямоточный, три хода

♦

1

0,350

0,438

0,400

0,500

0,625

0,667

i

Прямоточно-противоточный, четыре хода

♦

0,394

0,438

0,640

Противоточно-прямоточный, четыре хода

1

0,394

0,438

0,640

Поперечно-прямоточный двухходовой

0,320

-1,500

0,400

с шестью перегородками

1

1

Поперечно-противоточный двухходовой с шестью перегородками

)

0,363

0,815

0,844

1

", (4.2)", (4.2)

", (4.2)

", (4.2)

Гидравлическое сопротивление теплообменника

Др=дрт + 2 дрм+Дру + ДРгс •

где Дрт — потери на трение в каналах; 2Др„ — сумма местных сопротивлений; Дру — потери на ускорение теплоносителя при нагреве или охлаждении из-за изменения его плотности (для капельных жидкостей Дру = = 0); Дргс — гидростатические потери (для замкнутых систем они равны нулю). Расчет каждой из составляющих см. в п. 1.6.2 разд. 1 кн. 2 настоящей серии; см. также [31, 32, 37].

В компоновочном расчете устанавливают основные соотношения между линейными размерами, площадью поверхности теплообмена и проходными сечениями каналов, число ходов, габаритные размеры теплообменника с учетом требований ГОСТ 9929-82, 12067-80; при выборе фланцев — ГОСТ 12815-80. Внутренний диаметр штуцеров рассчитывают предварительно по уравнению неразрывности

^ = V?G7(^J, принимая скорость теплоносителя в штуцере и>ш примерно равной скорости его в каналах теплообменной поверхности.

Детальную разработку теплообменника проводят при отсутствии стандартных аппаратов или при модернизации существующих. В остальных случаях рекомендуется подбирать стандартные теплообменники.

Поверочный расчет выполняют для выявления возможности использования имеющегося или выбираемого стандартного аппарата в заданных эксплуатационных условиях, для расчета режимов работы, отличных от номинального. По известным расходам, начальным параметрам теплоносителей и конструктивным размерам теплообменника рассчитывают параметры теплоносителей на выходе из аппарата, механические напряжения в элементах теплообменника, гидравлические потери и затраты мощности иа прокачку теплоносителей и сравнивают их с заданными или допустимыми.

Тепловой поверочный расчет для аппаратов без фазовых изменений теплоносителей удобнее выполнять по методу эффективности, который позволяет получить зависимости для расчета конечных значений температур теплоносителей в явном виде в аналитической форме (коэффициент теплопередачи и произведения расходов теплоносителей на их удельные теплоемкости считаются при этом постоянными). В этом случае

^=^-A^[(Gc)M/(G,c,®

^=^ + A/„E[(GC)m/(G2c2)];О = (Ос)меД/н.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РЕБРИСТЫХТЕПЛООБМЕННИКОВ

Для ребристых теплообменников коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице поверхности стенки, разделяющей теплоносители (без ребер),

к =

V 1 I 6ст I у в ^1L^0iWi‘ F

где индекс <=1 принят для греющего и 1 = = 2 — для нагреваемого теплоносителей; ц0, = 1 — (1 —Epi) (ф,— 1)/ф, — эффективность ребристой поверхности; ^i=Fi/F — коэффициент оребрения поверхности; F, — полная площадь поверхности ребристой стенки; Fa i — площадь ее поверхности без ребер; Epi — эффективность или КПД ребра, для расчета которого можно использовать номограмму, приведенную на рис. 3.3 кн. 2 настоящей серии, или формулу

где Хр, и 6Р, — теплопроводность материала ребра и его толщина; /р,- — эффективная высота ребра; С, и С„ — поправочные коэффициенты для учета влияния качества контакта ребра и стенки и изменения интенсивности теплоотдачи по высоте ребра. Обычно Ск> >0,8, для накатных и литых ребер Ск=1; Са= 1 -0,058 /' д/2а,./(Хр1.6р,.) [30, 46].

Эффективную высоту ребра для плоских ребер различной конфигурации принимают в соответствии с рекомендациями, приведенными на рис. 4.4. Так, для вариантов рис. 4.4, г — е ее принимают равной высоте плоского круглого ребра, равновеликого по площади боковой поверхности прямоугольного или площади поверхности одной из элементарных ячеек, на которые разбивают пластинчатые ребра пучков труб. Если поверхность ребер покрыта слоем загрязнений (оксидными пленками, ржавчиной) или инеем, то в формуле (4.3) at есть эффективная величи-

Рис. 4.4. Схемы к расчету эквивалентной высоты ребра:

а, б — для плоских прямых ребер; в -- для круглого ребра; г — для прямоугольного; д — для пластинчатого при коридорном расположении труб; е — для пластинчатого при шахматном расположении труб

на, определяемая из выражения а( = [1/аю+ + /?Р i]- \ гДе ®< о — коэффициент теплоотдачи на поверхности ребра; /?р ,■ — термическое сопротивление слоя загрязнения или инея.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТРЕГЕНЕРАТИВНЫХТЕПЛООБМЕННИКОВ

Расчет регенеративных теплообменников с неподвижной насадкой из керамических или огнеупорных материалов, отличающихся низкой теплопроводностью и большой тепловой инерционностью, является наиболее сложным.

Характер изменения температуры такой насадки в поперечном и продольном направлениях и во времени показан на рнс. 4.5.

Наиболее точные расчеты таких теплообменников численными методами с применением ЭВМ или аналитически (в более упрощенной постановке) получают на основе совместного решения дифференциальных уравнений переноса в потоках теплоносителей и теплопроводности насадки с граничными условиями третьего рода на ее поверхности [44].

Для многих практических случаев можно воспользоваться более простыми, хотя и менее точными, интегральными методами. В этом случае используют уравнение теплового баланса, имеющего для наиболее распространенной противоточной схемы вид

Q = G1c1 (Г,—

= ^2С2 ^2 У Т2*

и уравнение теплопередачи

Q = kFM,

где V(= t\ - W , -t'( „)/1п [ W -К „VW - f{ K) ], /2 = (/2и —<2 к)/1п (<2н//2к) — средние во времени значения температур газа и нагреваемого воздуха на выходе из регенератора; т, — период нагрева насадки горячим газом; та — период охлаждения насадки нагреваемым воздухом; Q — тепловая нагрузка, т. е. количество теплоты, передаваемой газами воздуху за _ цикл; Д( = [(/[ — й) —(F"—<&)]/1п [(Л — — <S)/№'~#91—средний температурный напор за цикл Тц = Т|+тг; к — средний коэффи-

Рис. 4.5. Изменение температуры теплоносителей и насадки в регенеративном теплообменнике: а — вдоль каналов в насадке; б — поперечное распределение температуры в элементах насадки: /"„, t"„, «„ t"K — температуры греющего и нагреваемого теплоносителей в конце регенератора в начале и конце циклов нагрева и охлаждения; Г?Т1, t^i — температура поверхности насадки в начале цикла нагрева и конце цикла охлаждения; /?>, th — средняя температура насадки в период нагрева н охлажденияРис. 4.5. Изменение температуры теплоносителей и насадки в регенеративном теплообменнике: а — вдоль каналов в насадке; б — поперечное распределение температуры в элементах насадки: /"„, t"„, «„ t"K — температуры греющего и нагреваемого теплоносителей в конце регенератора в начале и конце циклов нагрева и охлаждения; Г?Т1, t^i — температура поверхности насадки в начале цикла нагрева и конце цикла охлаждения; /?>, th — средняя температура насадки в период нагрева н охлажденияцнент теплопередачи, который рассчитывают по формуле

Рис. 4.5. Изменение температуры теплоносителей и насадки в регенеративном теплообменнике: а — вдоль каналов в насадке; б — поперечное распределение температуры в элементах насадки: /"„, t"„, «„ t"K — температуры греющего и нагреваемого теплоносителей в конце регенератора в начале и конце циклов нагрева и охлаждения; Г?Т1, t^i — температура поверхности насадки в начале цикла нагрева и конце цикла охлаждения; /?>, th — средняя температура насадки в период нагрева н охлаждения

Рис. 4.5. Изменение температуры теплоносителей и насадки в регенеративном теплообменнике: а — вдоль каналов в насадке; б — поперечное распределение температуры в элементах насадки: /"„, t"„, «„ t"K — температуры греющего и нагреваемого теплоносителей в конце регенератора в начале и конце циклов нагрева и охлаждения; Г?Т1, t^i — температура поверхности насадки в начале цикла нагрева и конце цикла охлаждения; /?>, th — средняя температура насадки в период нагрева н охлаждения

здесь R — термическое сопротивление насадки.

Существует несколько методов расчета R [32, 44], точность каждого из которых зависит от конкретных условий работы регенератора. В [44] рекомендовано для насадки из кирпича использовать формулу /? = 2/(£т|рс6), где |=(/ст 1 — /ст г)/(/ст 1 —/ст 2) — коэффициент температурного гистерезиса насадки, которым учитывают то, что средняя во времени температура поверхности насадки в период нагрева больше, чем в период охлаждения ((„ i>tn 2), для доменных воздухонагревателей £ = 243,5; т| =(<S । —/” г)/(/?т i —/?т 2) — коэффициент аккумуляции насадки, которым учитывают снижение аккумулирующей способности насадки из-за поперечного изменения температуры насадки, приближенно т, = 1-|- + б2/[4а (т,+т2)]; рис— плотность и удельная теплоемкость материала насадки; 6 — толщина кирпича, омываемого теплоносителем с обеих сторон; а — температуропроводность материала насадки.

Формулы для расчета а, и аг приведены в [44]. Прн расчете а, необходимо учитывать как конвективную, так и лучистую составляющие, т. е. a,=ai « + «> „.

Для регенеративных теплообменников с металлической насадкой, элементы которой имеют малую толщину и высокую теплопроводность, R->-0.

Для регенераторов с вращающейся насадкой, работающих прн постоянных расходах теплоносителей и их начальных температурах, t" н /г имеют постоянные значения. Поэтому тепловой расчет проводят по уравнениям, сходным с уравнениями для рекуперативных теплообменников. Отличие заключается в формуле для коэффициента теплопередачи

а,Х| «2*2

где х, и хг — доли площади поверхности насадки F, омываемой соответственно греющим и нагреваемым теплоносителями.

Известен также метод расчета регенераторов с вращающейся насадкой с использованием е (^, ш)-характеристик [42].

РАСЧЕТ СМЕСИТЕЛЬНЫХГАЗОЖИДКОСТНЫХ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Выбор метода теплового расчета аппаратов этого типа зависит от способа создания межфазной поверхности, через которую осуществляется тепломассообмен.

В полых скрубберах с форсуночным распылом жидкости, например в оросительных камерах систем кондиционирования, в пенных

Рис. 4.6. Смесительные теплообменники: а — полый форсуночный; б — пенный; в — барботажный тарельчатый каскадного типа; г — водо- подогреватель с погружным трубчатым барботером; д- насадочный; Г — газ; Ж- жидкость;

/ — решетка (тарелка); 2 — насадка

аппаратах, барботажных тарельчатых аппаратах (рис. 4.6), размеры межфазной поверхности зависят не только от конструктивных характеристик, но и, так же как коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, от гидродинамических условий и режимов движения теплоносителей. Каждая из этих величин в отдельности не может быть определена с необходимой точностью. Поэтому расчет таких аппаратов выполняют обычно с использованием эмпирических зависимостей, в которые в качестве определяемого параметра входит нормированный коэффициент теплопередачи, т. е. число единиц переноса kF/(Gc) или связанные с ним функционально безразмерные числа, составленные из начальных и конечных параметров теплоносителей, типа температурной или энтальпийной эффективности 6//Д(„ и бА/ДАн. В качестве определяющих факторов они содержат соотношения расходов, безразмерные геометрические числа, числа Прандтля, учитывающие влияние свойств теплоносителей [3,7].

Отличительной особенностью работы аппаратов с погружными барботерами (рис. 4.6), к которым относятся контактные водоподогреватели, является то, что на выходе из барботажного слоя газ имеет равновесную с жидкостью температуру /7 при относительной влажности 100 %, если глубина погружения барботера в жидкость й превышает равновесную hp. Обычно это условие выполняется. Поэтому в тепловом расчете можно ограничиться уравнением теплового баланса

6г (Пр — //г) т) — Ожсж (/ж — <ж) +

+ ДОжсж(",уравнением материального баланса

ДОж = °Ж— <0

и соотношениями типа

^p=/ip/do = O,85ArOJ О0'71;

L,=L/do = O,87 Аг0'6;

Do = Do/do=(O,3O8 L/d+2,63) Аг0'3, справедливыми для трубчатых барботеров при Аг = 0,14-3 [1].

В приведенных выражениях ДОЖ — количество сконденсировавшегося пара или испарившейся жидкости; Н'— //"и х(—х?— изменения энтальпии и влагосодержания газа (кг пара/кг сухого газа) в аппарате; G, — расход сухого газа; Аг = гу2 о pr/[gd0(p« — рг)] — модифицированное число Архимеда; щго и рг — скорость и плотность газа на выходе из барботера при температуре Т, 0; рж — плотность жидкости при ее средней температуре в аппарате Гж; 6 = Гг о/Гж; g = 9,81 м/с2.

Наиболее разработанной является методика расчета скрубберов с неподвижной насадкой, орошаемой жидкостью (рис. 4.6) [6]. Характеристики наиболее распространенных насадок приведены в табл. 4.5. В этих аппаратах максимальную площадь поверхности тепломассообмена принимают равной площади поверхности насадки F = Fd. При неполном ее смачивании вводят поправочный коэффициент

р=^рн=\лГ5/цн^рн,

где s — площадь поверхности насадки в единице объема; f(Hw)— вспомогательная функция, значения которой можно определить в зависимости от плотности орошения

Таблица 4.5. Характеристики насадок из колец Рашига *

Тип и размеры насадки (высота, наружный диаметр, толщина стенки), мм

Удельная площадь поверхности S, м2/м3

Свободный объем у, М3/м3

Объемная плотность р, кг/м3

Приведенный диаметр d9 = 4v/s, м

Кольца Рашига керамические, беспорядочно лежащие:

15X15X2

330

0,7

690

0,0085

25X25X3

200

0,74

530

0,015

35X35X4

140

0,78

505

0,022

50X50X5

90

0,785

530

0,035

Кольца Рашига керамические, правильно уложенные:

50X50X5

110

0,735

650

0,027

80X80X8

80

0,72

670

0,036

100X100X10

60

0,72

670

0,048

* Характеристики других типов насадок см. в [6,22].

Я№, = 4Ож/(лО2рж); здесь D — диаметр аппарата; значения f(Hw) в зависимости от значения Ну приведены ниже:

Ну, м3/(м2-ч)1 2 4 6 8 10

f (Ну) 24 15 9,8 7,5 6,6 6,0

Ну, м3/(м2*ч). . 1520304060

f (Ну) 5,34,84,44,23,8

Коэффициент теплопередачи практически равен коэффициенту теплоотдачи в газе, так как ажЭ>аг. Поэтому прн его расчете, например, при охлаждении воздуха водой можно непосредственно использовать критериальное уравнение Т. Хоблера

к = аг = 0,0024 -^Re®'7 Re^7 Рг°'33 (1 +ех),

где Хг — теплопроводность газа; d, — эквивалентный диаметр насадки, d, = 4v/s; здесь у и s — свободный объем и площадь поверхности насадки в единице занимаемого ею объема; Rer = tyr da/vr; Реж = Ну с<3Лж; здесь vr и v„ — кинематические вязкости газа и жидкости; шг — скорость газа в свободном сечении насадки; Ргг — число Прандтля для газа; х — среднелогарнфмическая концентрация пара в газе; х = (х„— хн)/1п (хп/хн); здесь Хп, хн — средние концентрации пара соответственно в потоке газа и у межфазной по

верхности; е= 130 при изменении температуры воздуха в пределах от 20 до 90 °C.

Средний температурный напор необходимо рассчитывать как средненнтегральный в диапазоне изменения параметров воздуха илн воды. Но часто ограничиваются расчетом среднелогарифмического температурного напора [6].

Оптимальная скорость газа в насадочной колонне гУопт не должна превышать скорости эмульгирования, при которой начинается переход к пенному режиму и насадка захлебывается. Последнюю определяют из соотношения

Re' =^2^_=0,045 Аг°'57Ог/Ож,

где Ar = d3g(p„ —pr)/(v?pr).

Гидравлическое сопротивление газожидкостных смесительных аппаратов обычно складывается из сопротивления сухой насадки, тарелок; сопротивления каплеуловителей, устанавливаемых на выходе из аппарата; местных сопротивлений входа и выхода; сопротивлений, вызванных взаимодействием газа и жидкости у межфазной поверхности, включая гидростатическую, капиллярную составляющие и тренне [31,36].

КОЖУХОТРУБЧАТЫЕТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 4.7) состоит из кожуха и пучка труб,

Рис. 4.7. Кожухотрубчатый теплообменный аппарат одноходовой непрерывного действия:

1 — корпус илн кожух; 2 — трубные решетки; 3 — трубы; 4— днища н крышки распределительных камер; 5, 6 — фланцы; 7 — опоры

закрепленных в решетках для создания двух проточных каналов. Первый канал находится в межтрубном пространстве и предназначен для нейтральных сред, а второй, полученный из проходного сечения труб, предназначен для растворов жидкостей, способных загрязнять внутренние поверхности труб. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающие межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах.

При заданном расходе теплоносителя G, кг/с, и выбранной скорости его движения w, м/с, внутри пучка труб количество труб в теплообменнике

W = 4G/(wpn d2\

Площадь поверхности теплообмена

F= л dCptN,

где / — рабочая длина труб; dcp — расчетный диаметр труб, равный

dcp = 0,5(d„ + dB).

Расстояние между трубными решетками /1=//г, где z — число ходов. В соответствии с ГОСТ 9929-82 длину теплообменных труб принимают равной 1000,1500, 2000, 3000, 4000,

6000 и 9000 мм. В кожухотрубчатых теплообменниках с площадью поверхности до 300 м2 рекомендуется принимать рабочую длину труб не более 4000 мм.

Размещение труб в решетках производится по вершинам равносторонних треугольников, по концентрическим окружностям и по вершинам квадратов. Наиболее распространенным способом размещения труб в решетках является первый вариант. Количество труб в аппарате при двух способах размещения в решетках указано в ГОСТ 15118-79. Диаметры отверстий в трубных решетках и перегородках кожухотрубчатых теплообменников при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Диаметры отверстий в трубных решетках и перегородках кожухотрубчатых теплообменников

Наружный диаметр труб, мм

Диаметры d.

отверстий мм

Шаг между отверстияМИ 5, мм

в решетке

в перегородках

16

16,3

17,0

22

20

20,4

20,8

26

25

25,4

26,0

32

38

38,7

39,0

48

57

57,8

60,0

70

Для стандартных труб с наружным диаметром d«, равным 16, 20, 25, 38, 57 мм, размещенных по вершинам равностороннего треугольника (рис. 4.8), при развальцовке принимают шаг $ = (1,34-1,6) d„, при сварке s = = l,25dH. Толщину трубной решетки, мм, принимают из условий развальцовки труб: для стальной 6£„„ = 5 + 0,125 d„, для медной 6К„„ = = 10 + 0,2 d„. Толщина трубной решетки проверяется расчетом на прочность с учетом ослабления ее отверстиями и способа размещения труб.

Внутренний диаметр кожуха одноходового теплообменника, мм, DB = s(b— l) + 4d„ или DB=1,1$^/V; многоходового теплообменника О,= 1,1$ ^N/^, где Ь — число труб иа диагонали большого шестиугольника; s — шаг размещения труб; N — количество труб в пучке; ф — коэффициент заполнения труб-4 ной решетки, равный 0,6—0,8.

Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляют до ближайшего размера диаметра, рекомендуемого ГОСТ 9617-79 из следующего ряда: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600,2800,3000,3200,3400,3600,

3800 и 4000 мм. Цилиндрические кожухи аппаратов можно изготовлять из стальных труб с наружным диаметром 159, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 720, 820, 920 и 1020 мм.

Внутренний диаметр многоходового теплообменника определяют с учетом размещения перегородок в распределительной камере, руководствуясь ГОСТ 9929-82,13202-77,

13203-77.

Перегородки в межтрубном пространстве (рис. 4.9) изменяют направление движения теплоносителя так, что наружная поверхность труб омывается преимущественно в поперечном направлении. Расход теплоносителя в межтрубном пространстве определяется количеством теплоты или тепловой нагрузкой, необходимой для теплообменного процесса. Расход теплоносителя в межтрубном пространстве

G = fwp, где / — площадь сечения для прохода теплоносителя; w — скорость движения теплоносителя; р — плотность теплоносителя.

Для теплообменников без перегородок площадь живого сечения межтрубного пространства.

f = ™ (O2 — N d2\ 'мтр 4 V в "

Если fMTp>f, то межтрубное пространство разделяют перегородками на число ходов 1=

Рис. 4.9. Расположение концентрических (а) и сегментных (6) перегородок в межтрубном пространстве теплообменников

= }мтр/Ь Число ходов в межтрубном пространстве рекомендуется принимать из ряда 1,2, 3, 4, 6. Для теплообменника, у которого межтрубное пространство разделено на I ходов поперечными сегментными перегородками, приведенное сечение

fпр ^мтр^сФ/^эке*

где /с — расстояние между сегментными перегородками; q>—коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства: •

Рис. 4.8. Схема размещения труб в решетке по сторонам правильных шестиугольников

1—d„/s

1 -0,9 (d„/s)2 ’

4 , — о — эквивалентная длина

пути теплоносителя; b — расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата, & = (0,24-0,4) О,.

Расстояние между сегментными перего

родками

/ мтр

D.ll-du/sy

где О, — внутренний диаметр кожуха; s — шаг размещения труб; d„ — наружный диаметр труб.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения изготовляют из углеродистой или нержавеющей стали с площадью поверхности теплообмена от 1 до 2000 м2 на

Рнс. 4.10. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты:

а — TH — теплообменники с неподвижными решетками; б — ТК — теплообменники с температурнымкомпенсатором на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; в — ТП — теплообменникс плавающей головкой, жестким кожухом и одной жестко закрепленной трубиой решеткой; г — ТУ —теплообменник с U-образиымн трубами, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; д —ТС — теплообменник с сальником иа плавающей головке, жестким кожухом и одной жестко закреплен-ной трубной решеткой

Рис. 4.11. Кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе:11 — крышка; 2 — кожух; 3 — трубы; 4 — компенсатор; 5 — опораРис. 4.11. Кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе:11 — крышка; 2 — кожух; 3 — трубы; 4 — компенсатор; 5 — опора

Рис. 4.11. Кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе:

11 — крышка; 2 — кожух; 3 — трубы; 4 — компенсатор; 5 — опора

Рис. 4.11. Кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе:

11 — крышка; 2 — кожух; 3 — трубы; 4 — компенсатор; 5 — опора

условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.10. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.7.Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа TH и ТК (рис. 4.11) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали. Теплообменники типа TH применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от —30условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.10. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.7.Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа TH и ТК (рис. 4.11) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали. Теплообменники типа TH применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от —30до +350 °C на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.При разности температур между теплоносителями свыше 50 °C рекомендуется применять теплообменники типа ТК с линзовыми компенсаторами на кожухе, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа.Кожухотрубчатые теплообменники типа TH, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от темпе-до +350 °C на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.При разности температур между теплоносителями свыше 50 °C рекомендуется применять теплообменники типа ТК с линзовыми компенсаторами на кожухе, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа.Кожухотрубчатые теплообменники типа TH, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от темпе-

условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.10. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.7.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа TH и ТК (рис. 4.11) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали. Теплообменники типа TH применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от —30

условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.10. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.7.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа TH и ТК (рис. 4.11) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали. Теплообменники типа TH применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от —30

до +350 °C на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.

При разности температур между теплоносителями свыше 50 °C рекомендуется применять теплообменники типа ТК с линзовыми компенсаторами на кожухе, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа.

Кожухотрубчатые теплообменники типа TH, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от темпе-

до +350 °C на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.

При разности температур между теплоносителями свыше 50 °C рекомендуется применять теплообменники типа ТК с линзовыми компенсаторами на кожухе, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа.

Кожухотрубчатые теплообменники типа TH, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от темпе-

ратуры должны допускаться в работу прн пониженном давлении согласно ГОСТ 1512179, 15122-79, 14244-79. При температурах теплоносителя более 400 °C необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.8.Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивных свойств среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 нли 20, коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т и латуни ЛОМш 70—1—0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторон- инх треугольников. Количество труб в решетках стандартных теплообменников с одним и двумя ходами теплоносителя приведено в табл. 4.9.Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали ВМСтЗсп + X18Н1 ОТ или из 16ГС + Х18Н10Т.Кожухотрубчатые теплообменники типа TH и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов (рнс. 4.12). Количество аппаратов в блоке н габаритные размеры принимают поратуры должны допускаться в работу прн пониженном давлении согласно ГОСТ 1512179, 15122-79, 14244-79. При температурах теплоносителя более 400 °C необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.8.Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивных свойств среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 нли 20, коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т и латуни ЛОМш 70—1—0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторон- инх треугольников. Количество труб в решетках стандартных теплообменников с одним и двумя ходами теплоносителя приведено в табл. 4.9.Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали ВМСтЗсп + X18Н1 ОТ или из 16ГС + Х18Н10Т.Кожухотрубчатые теплообменники типа TH и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов (рнс. 4.12). Количество аппаратов в блоке н габаритные размеры принимают посуммарной площади поверхности теплообмена согласно ГОСТ 15121-79, 15122-79.Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.13) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от — 30 до +450 °C и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном нли межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.10.Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп нли из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 нли сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70—1 — 0,06 или ЛАМш 77—2—0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М нли из коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют нз стали 16ГС или двух слоев стали 16ГС + Х18Х10Т. Фланцевые соединения на аппаратах выполняют с прнвалоч- ной поверхностью выступ — впадина.Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.14) применяют в условиях теплообмена при рабочих температурах среды от —30 до +450 °C. Стан-суммарной площади поверхности теплообмена согласно ГОСТ 15121-79, 15122-79.Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.13) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от — 30 до +450 °C и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном нли межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.10.Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп нли из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 нли сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70—1 — 0,06 или ЛАМш 77—2—0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М нли из коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют нз стали 16ГС или двух слоев стали 16ГС + Х18Х10Т. Фланцевые соединения на аппаратах выполняют с прнвалоч- ной поверхностью выступ — впадина.Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.14) применяют в условиях теплообмена при рабочих температурах среды от —30 до +450 °C. Стан-Таблица 4.7. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты (ГОСТ 9929-82)

ратуры должны допускаться в работу прн пониженном давлении согласно ГОСТ 1512179, 15122-79, 14244-79. При температурах теплоносителя более 400 °C необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.

Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.8.

Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивных свойств среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 нли 20, коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т и латуни ЛОМш 70—1—0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторон- инх треугольников. Количество труб в решетках стандартных теплообменников с одним и двумя ходами теплоносителя приведено в табл. 4.9.

Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали ВМСтЗсп + X18Н1 ОТ или из 16ГС + Х18Н10Т.

Кожухотрубчатые теплообменники типа TH и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов (рнс. 4.12). Количество аппаратов в блоке н габаритные размеры принимают по

ратуры должны допускаться в работу прн пониженном давлении согласно ГОСТ 1512179, 15122-79, 14244-79. При температурах теплоносителя более 400 °C необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.

Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.8.

Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивных свойств среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 нли 20, коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т и латуни ЛОМш 70—1—0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторон- инх треугольников. Количество труб в решетках стандартных теплообменников с одним и двумя ходами теплоносителя приведено в табл. 4.9.

Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали ВМСтЗсп + X18Н1 ОТ или из 16ГС + Х18Н10Т.

Кожухотрубчатые теплообменники типа TH и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов (рнс. 4.12). Количество аппаратов в блоке н габаритные размеры принимают по

суммарной площади поверхности теплообмена согласно ГОСТ 15121-79, 15122-79.

Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.13) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от — 30 до +450 °C и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном нли межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.10.

Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп нли из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 нли сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70—1 — 0,06 или ЛАМш 77—2—0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М нли из коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют нз стали 16ГС или двух слоев стали 16ГС + Х18Х10Т. Фланцевые соединения на аппаратах выполняют с прнвалоч- ной поверхностью выступ — впадина.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.14) применяют в условиях теплообмена при рабочих температурах среды от —30 до +450 °C. Стан-

суммарной площади поверхности теплообмена согласно ГОСТ 15121-79, 15122-79.

Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.13) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от — 30 до +450 °C и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном нли межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.10.

Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп нли из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 нли сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70—1 — 0,06 или ЛАМш 77—2—0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М нли из коррозионностойкой стали 0Х18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют нз стали 16ГС или двух слоев стали 16ГС + Х18Х10Т. Фланцевые соединения на аппаратах выполняют с прнвалоч- ной поверхностью выступ — впадина.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.14) применяют в условиях теплообмена при рабочих температурах среды от —30 до +450 °C. Стан-

Основные параметры и размеры

Нормы по типам

тн

ТК

ТП|ТУ

ТС

Площадь поверхности теплообмена, м2

Условное давление в трубном или межтрубном пространстве ру, МПа

1—1

0,6; 1,0; 1,6;

2,5; 4,0;

(6,4)

1000

0,6; 1,0;

1,6; 2,5

10—125010—1400

1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4

10—315

0,6; 1,0

Диаметр кожуха, мм;

наружный (при изготовлении из труб) внутренний (при изготовлении из листовой стали)

Наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб, мм

Длина теплообменных труб, мм

Схема и шаг размещения теплообменных труб в трубных решетках, мм

159; 273; 325; 426

400; (500); 600; 800;

1000; 1200; 1600;

1800; 2000; 2200 (16X1,6); 20X2; 25X2; 25X2,5; 38X2; (38X3);

(57X3)

1000; 1500; 2000; 3000;

4000; 6000; 9000 По вершинам равносторонних треугольников;

21 для труб диаметром 16

26»»»20

32»»»25

48»»»38

70»»»57

325; 426

400; 500; 600; 800;

1000; 1200; 1400

20X2; 25X2; 25) (38X3)

3000; 6000; 90(

По вершинам квадратов сторонних треугольник

26 для труб диаметр

32>>»

48»»*

400; 500;

600; 800

<2,5;

Ю

или равно- ов:

ом 20

25

38

Таблица 4.8. Теплообменники кожухотрубчатые сварной конструкции с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе (рис. 4.11)

Диаметр кожуха Ов, мм

Давление Ру.

МПа

Размеры труб, мм

Количество ходов по трубам

Площадь поверхности теплообмена аппаратов, м2, при длине труб» мм

Площадь проходного сечения одного хода по трубам, м -102

Площадь проходного сечения, м< 102

2000

3000

4000

6000

9000

в вырезе перегородки

между перегородками

20X2

1

22

34

45

68

3,6

2,1

2,5

400

4,0

20X2

2

21

31

41

62

—

1,7

25X2

1

17

26

35

52

—

3,8

2,2

2,1

25X2

2

15

23

31

47

—

1,7

1

49

73

98

147

7,9

4,7

5,4

600

1,0

1,6

20X2

2

4

46

42

70

63

93

84

140

127

—

3,8

1,7

6

43

64

86

129

—

1,0

2,5

4,0

1

40

61

81

122

9,0

4,9

5,2

25X2

2

38

57

76

114

—

4,2

4

32

49

65

98

—

1,8

6

34

51

68

102

—

0,9

1

91

138

184

276

416

14,8

7,8

7,7

1,0

■ 20X2

2

88

132

177

266

400

7,1

1,6

4

82

124

165

248

373

3,3

800

6

81

123

164

246

371

2,2

2,5

1

74

112

150

226

339

16,7

7,7

7,9

| 25X2

2

70

106

142

212

320

7,8

4

64

96

128

193

290

3,1

4,0

6

62

93

125

187

282

2,2

6,0

1,0

1

220

295

444

667

23,8

12,5

13,5

[ 20X2

2

214

286

430

648

11,6

4

—

202

270

406

610

5,1

1,6

6

203

272

409

614

3,4

1000

2,5

1

183

244

366

551

27,0

12,1

11,7

} 25X2

2

—

175

234

353

530

13,2

4,0

4

—

163

218

329

494

6,0

6

—

160

214

322

486

3,8

1

426

642

964

34,5

17,3

16,5

0,6

20X2

2

.—

—

415

626

942

16,9

1,0

4

.—

—

396

596

897

7,9

1200

6

—

—

397

597

900

5,4

1

348

525

790

39,0

16,8

15,2

1,6

2

—

338

509

766

18,9

2,5

25X2

4

—

—

318

479

722

8,5

6

—

—

316

476

716

5,7

Таблица 4.9. Количество труб в кожухотрубчатых теплообменниках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников по ГОСТ 15118-79

Диаметр аппарата, мм

Диаметр труб (наружный), мм

20

25

38

ОДНОХОДОВЫХ

двухходовых

одноходовых

двухходовых

ОДНОХОДОВЫХ

159

19

13

273

61

—

42

—

—

325

91

80

61

52

—

400

181

166

111

100

—

600

393 (423)

374 (404)

261 (279)

244 (262)

111 (121)

800

729 (771)

702 (744)

473 (507)

450 (484)

197 (211)

1000

1177 (1247)

1142 (1212)

783 (813)

754 (784)

331 (361)

1200

1705 (1799)

1662 (1756)

1125 (1175)

1090 (1140)

473 (511)

1400

2369 (2501)

2318 (2450)

1549 (1629)

1508 (1588)

655 (711)

Примечание. В скобках указано количество труб для теплообменников при размещении без отбойников, когда трубы добавлены с двух сторон большого шестиугольника.

Рис. 4.12. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменниковРис. 4.12. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников/--крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 — кожух; 4 — трубы; 5— крышка кожуха; 6 — крышка плавающей головки; 7 — опора/--крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 — кожух; 4 — трубы; 5— крышка кожуха; 6 — крышка плавающей головки; 7 — опора

Рис. 4.12. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников

Рис. 4.12. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников

/--крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 — кожух; 4 — трубы; 5— крышка кожуха; 6 — крышка плавающей головки; 7 — опора

/--крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 — кожух; 4 — трубы; 5— крышка кожуха; 6 — крышка плавающей головки; 7 — опора

6 и/p Григорьева В. Л., Зорина В. М.

дартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.11. Применение теплообменниковдартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.11. Применение теплообменниковс U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с тем-с U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с тем-Таблица 4.10. Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой (ГОСТ 14246-79, 14244-79) (рнс. 4.13)

дартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.11. Применение теплообменников

дартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.11. Применение теплообменников

с U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с тем-

с U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с тем-

Диаметр кожуха, мм

Диаметр труб, мм

Количе- ст- во ходов по трубам

Площадь поверхности теплообмена, м2, при длине труб, мм, при расположении их в решетке

Площадь проходного сечеиия одного хода по трубам, м2’10 , при их расположении

Площадь проходных сечений, м2« 10\ при расположении труб

по вершинам квадрата

по вершинам треугольника

по вершинам квадрата

по вершинам треугольника

3000

6000

9000

6000

9000

по вершинам квадрата

ПО вершинам треугольника

в вырезе пере- город- ки

между пере- город- ками

в вырезе пере- город- ки

меж

ДУ пере- город- ками

D,

325

20

25

2

2

11,7

9,4

23,4 19,0

—

—

—

6,0

7,0

—

1.2

1,3

2,3

2,6

—

—

426

20

25

2

2

23,4

19,3

47,0

38,6

—

—

—

13,0

14,0

2,1

2,0

4,2

5,1

—

—

500

20

25

2

2

29,4

31,2

79,0

62,4

—

—

—

21,0

23,0

—

2,6

2,5

6,8

7,8

—

—

D.

600

20

20

2

4

—

119,0

111,0

179,0

166,0

135,0

122,0

202,0

183,0

32,0

14,0

36,0

16,0

5,3

9,6

4,7

5,8

25

25

2 4

—

99,0

90,0

149,0

135,0

109,0

97,0

164,0

146,0

36,0

16,0

40,0

17,0

4,9

9,6

4,6

5,5

800

20

20

2

4

—

214,0

200,0

322,0

300,0

249,0

231,0

374,0

346,0

55,0

27,0

64,0

31,0

9,2

15,6

7,7

8,6

25

25

2

4

—

171,0

160,0

258,0

240,0

196,0

178,0

294,0

267,0

60,0

30,0

69,0

30,0

8,4

15,6

7,5

8,8

1000

20

20

2

4

—

352,0

336,0

528,0

504,0

411,0 332,0

610,0

576,0

92,0

45,0

107,0 49,0

14,2

24,0

17,6

14,0

25

25

2

4

—

291,0

275,0

436,0

413,0

332,0

308,0

502,0

462,0

104,0 48,0

119,0 56,0

12,3

24,0

1 1,7

12,5

1200

20

20

2

4

—

525,0

505,0

788,0

756,0

611,0

584,0

916,0

875,0

140,0 68,0

162,0 78,0

20,5

36,0

17,0

20,0

25

25

2

4

425,0

405,0

636,0

607,0

490,0

460,0

735,0

693,0

155,0 74,0

179,0 85,0

19,2

29,0

17,0

18,5

1400

20

20

2

4

—

726,0

708,0

1090,0

1060,0

843,0

805,0

1260,0

1210,0

194,0 91,0

222,0

107,0

25,0

41,0

22,0

23,0

25

25

2

4

—

590,0

567,0

885,0

852,0

686,0

650,0

1030,0

980,0

215,0

104,0

250,0

116,0

24,0

40,5

22,0

21,0

Рис. 4.14. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубами:

/ — крышка распределительной камеры; 2 — кожух; 3 — U-образные трубы; 4 — опора

Таблица 4.11. Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (ГОСТ 14245-79) (рис. 4.14)

Диаметр кожуха, мм

Диаметр труб,

Площадь поверхности теплообмена, м2, при длине труб, мм, и расположении их в решетках

Площадь проходного сечения одного хода по трубам, м2-105, при их расположении

Площадь проходных сечеиий, м2«103, труб при их расположении

по вершинам квадрата

по вершинам треугольника

по вершинам квадрата

по вершинам треугольника

3000

6000

9000

6000

9000

по вершинам квадрата

ПО вершинам треугольника

в вырезе пере- городки

между пере- город- ками

в вырезе пере- город- ки

между пере- город- ками

0„

325

20

25

14

11

28

22

—

—

—

7

8

—

1,0

2,5

2,7

—

—

426

20

25

28

20

55

40

—

—

—

14

14

—

1,8

2,0

4,6

4,7

—

—

О,

500

20

25

44

35

86

70

—

—

—

22

25

—

2,6

2,3

6,0

7,0

—

—

600

20

25

—

126

102

188

153

150

120

224

180

33

37

39

43

5,1

4,8

10,0

9,2

4,4

6,0

800

20

25

—

225

177

335

262

263

208

390

310

58

63

68

74

9,3

9,0

17,0

9,0

7,7

9,0

13,0

1000

20

25

—

383

305

567

450

443

353

656

523

98

108

114

125

13,0

12,7

25,0

24,0

12,6

11,7

13,0

14,0

1200

20

25

—

575

465

850

685

660

530

973

782

148

163

168

185

19,0

36,0

35,0

17,0

17,4

21,0 17,0

1400

20

25

—

796

665

1170

964

923

753

1361

1108

202

227

232

262

24,0

47,0

45,0

22,0

28,0

22,0

6*

пературой среды от 100 до 450 °C рабочее давление снижается в пределах, указанных в табл. 4.11. Кожух и распределительная камера обычно изготовляются из стали ВМСтЗпс или 16ГС. Теплообменные трубы в этом случае применяют из стали 20, а в конденсаторах — из сплава АМг2М.

Расчеты на прочность конструктивных элементов теплообменников из углеродистой или легированной стали выполняют в соответствии с ГОСТ 14249-80 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность».

СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Спиральные теплообменники (рис. 4.15) состоят из двух листов, свернутых в виде спирали и образующих два канала прямоугольного сечения, по которым подают теплоносители. Ширину канала между листами принимают в пределах 6 = 84-16 мм.

Шаг спирального теплообменника е=6 + 6,

где 6 — толщина листа; 6 = 44-6 мм.

Первые витки спирали относятся по радиусам, равным г\ = д.!‘1 и r2 = d/2 + e, где d— диаметр первого полувитка, равного ширине керна. Размер керна выбирают с учетом размеров штуцеров, расположенных на крышках аппарата. Центры, из которых производят построение спиралей, отстоят друг от друга на

шаг витка е. Высоту спирального канала определяют по заданной производительности

Н = V/(bw),

где V — объемный расход теплоносителя; ш — скорость движения теплоносителя в канале.

Эффективная длина спирали, участвующей в теплообмене,

ЦФ = РД2Н\

где F — площадь поверхности теплообмена. Число витков спирали

v ле

\ е /

Наружный диаметр спирали аппарата

D = d + 2ne + 6.

Спиральные теплообменники используют для нагрева или охлаждения жидкостей или газов, а также конденсации паров в различных технологических процессах. Теплообменники работают под избыточным давлением до 1,0 МПа при температуре от —20 до -|-200 °C. Основные параметры и размеры спиральных теплообменников приведены в табл. 4.12 и 4.13.

Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистых сталей

ВМСтЗсп4 и ВМСтЗсн5. При использовании их для агрессивных сред применяют коррозионностойкие стали 12 X18Н1 ОТ и 10Х17Н13М2Т.В зависимости от эксплуатационных требований спиральные теплообменники изготовляют со съемными крышками для чистки каналов и с глухими каналами без крышек для чистых и неагрессивных сред. Спиральные теплообменники могут иметь несколько типов исполнения по крышкам (плоские, конусные, эллиптические) [16]. Все конструкции спиВМСтЗсп4 и ВМСтЗсн5. При использовании их для агрессивных сред применяют коррозионностойкие стали 12 X18Н1 ОТ и 10Х17Н13М2Т.В зависимости от эксплуатационных требований спиральные теплообменники изготовляют со съемными крышками для чистки каналов и с глухими каналами без крышек для чистых и неагрессивных сред. Спиральные теплообменники могут иметь несколько типов исполнения по крышкам (плоские, конусные, эллиптические) [16]. Все конструкции спиральных теплообменников стандартизованы по ГОСТ 12067-80.Рекомендуемая скорость движения теплоносителей в спиральных каналах не должна превышать для жидкостей 3, для пара 70 и для газа 30 м/с.Присоединительные размеры фланцев штуцеров для стальных теплообменников приняты на рабочее давление 0,6 МПа и для коррозионностойкой стали 1,0 МПа, что требует применения обычной запорной арматуры.ральных теплообменников стандартизованы по ГОСТ 12067-80.Рекомендуемая скорость движения теплоносителей в спиральных каналах не должна превышать для жидкостей 3, для пара 70 и для газа 30 м/с.Присоединительные размеры фланцев штуцеров для стальных теплообменников приняты на рабочее давление 0,6 МПа и для коррозионностойкой стали 1,0 МПа, что требует применения обычной запорной арматуры.Таблица 4.12. Спиральные теплообменники

ВМСтЗсп4 и ВМСтЗсн5. При использовании их для агрессивных сред применяют коррозионностойкие стали 12 X18Н1 ОТ и 10Х17Н13М2Т.

В зависимости от эксплуатационных требований спиральные теплообменники изготовляют со съемными крышками для чистки каналов и с глухими каналами без крышек для чистых и неагрессивных сред. Спиральные теплообменники могут иметь несколько типов исполнения по крышкам (плоские, конусные, эллиптические) [16]. Все конструкции спи

ВМСтЗсп4 и ВМСтЗсн5. При использовании их для агрессивных сред применяют коррозионностойкие стали 12 X18Н1 ОТ и 10Х17Н13М2Т.

В зависимости от эксплуатационных требований спиральные теплообменники изготовляют со съемными крышками для чистки каналов и с глухими каналами без крышек для чистых и неагрессивных сред. Спиральные теплообменники могут иметь несколько типов исполнения по крышкам (плоские, конусные, эллиптические) [16]. Все конструкции спи

ральных теплообменников стандартизованы по ГОСТ 12067-80.

Рекомендуемая скорость движения теплоносителей в спиральных каналах не должна превышать для жидкостей 3, для пара 70 и для газа 30 м/с.

Присоединительные размеры фланцев штуцеров для стальных теплообменников приняты на рабочее давление 0,6 МПа и для коррозионностойкой стали 1,0 МПа, что требует применения обычной запорной арматуры.

ральных теплообменников стандартизованы по ГОСТ 12067-80.

Рекомендуемая скорость движения теплоносителей в спиральных каналах не должна превышать для жидкостей 3, для пара 70 и для газа 30 м/с.

Присоединительные размеры фланцев штуцеров для стальных теплообменников приняты на рабочее давление 0,6 МПа и для коррозионностойкой стали 1,0 МПа, что требует применения обычной запорной арматуры.

Параметр

Аппарат типа 1 с тупиковыми каналами и крышками

Аппарат типа 2 со сквозными каналами и крышками

Аппарат типа 3 с глухими каналами без крышек

Исполнение

1-3

Исполнение

1

Исполнение

2

Исполнение

3

Исполнение

3

Площадь поверхности теплообмена, м~

10—100

20

50

20

50

Рабочая среда

Жидкая и парообразная

Высоковязкая газообразная и парообразная

Нитрозная серная кислота .

Сточные воды

Нитрозиая сериая кислота

Расчетное давление, МПа

До 1,0

До 0,6

До 0.6

До 0,8

До 0,6

Расчетная температура, °C

От -20 до +200

От -20 до +200

До +80

От — 20 до +200

До +80

Эквивалентный диаметр, м

0,024

0,016

0,032

0,05/0,024

0,032

Ширина канала, мм

12

8

16

25/12

16

Примечание. Исполнение 1 — аппараты общего назначения из углеродистой стали; исполнение 2 — аппараты из коррозионностойкой стали; исполнение 3 --- аппараты из углеродистой стали и коррозионностойкой стали для теплоносителей с изменением агрегатного состояния. -

Таблица 4.13. Основные размеры спиральных теплообменников из углеродистой стали (рис. 4.15)

Площадь поверхности теплообмена, м2

Ширина канала, мм

Общая высота, мм

Высота аппарата, мм

Ширина, м м

Дли-

Ширина леи-

Длина ленты, м

Плошадь поперечного сечения, капала, м2

Пропускная способность при скорости 1 м/с, м3/ч •

Масса, кг

20

12

1610

1300

1230

1150

100

700

14,3

0,0084

30,24

1650

25

12

1610

1300

1230

1225

100

700

17,9

0,0084

30,24

2000

31,5

12

1610

1300

1230

1350

100

700

22,5

0,0084

30,24

2600

40

12

1610

1300

1230

1450

100

700

28,6

0,0084

30,24

3200

50

12

2030

1760

1525

1500

150

1100

22,7

0,0138

49,68

4000