Испарительном охлаждении

Немалую роль в общем балансе теп-лопотребления предприятия могут играть котлы-утилизаторы и устройства испарительного охлаждения технологического оборудования (см. далее гл. 2). На ряде предприятий за счет использования вторичных энергоресурсов покрывается до половины потребности в теплоте. В качестве источников теплоты могут также использоваться атомные станции теплоснабжения (ACT), представляющие собой по существу атомные котлы.

Широкое распространение в настоящее время получили системы испарительного охлаждения элементоЕ! высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла — прежде всего это несущие и поддерживающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и подвижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие проходное сечение газоходов, и т. д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400— 600 °С, а температура в печи много выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной.

Рис. 24.5. Упрощенная схема котла-утилизатора с системой испарительного охлаждения: / - питательный насос; 2 — водяной экономайзер; 3 — испарительная поверхность котла; 4 — барабан котла; 5 - охлаждаемые элементы печи; 6 — циркуляционный насос; 7 — пароперегреватель

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При комплексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. д.

Рис. 6.1. Физическая модель процесса испарительного охлаждения пористой стенки: 1 - жидкостный участок; 2 — область испарения; 3 — паровой участок; I - первая зона области испарения; II — вторая

* Полнев В.М., Бочарова И.Н. Исследование пористого испарительного охлаждения при докритических, критических параметрах охладителя. - ТВТ, 1978, т. 16, № 2, с. 425-428.

* Поляев В.М., Бочарова И.Н. Исследование пористого испарительного охлаждения при докритических, критических и сверхкритических параметрах охладителя // ТВТ, 1978, т. 16, № 2. С. 425-428.

Для теплозащиты с помощью испарительного охлаждения наиболее предпочтительной является конструкция двухслойной стенки. Внутренний слой из металла малой пористости является несущей конструкцией и на нем создается перепад давлений при движении жидкого охладителя, достаточный для эффективного регулирования его расхода. Внешний теплозащитный слой изготовлен из термостойкого материала высокой пористости и малой теплопроводности и химически инертного для испаряющегося охладителя и внешнего потока. Он защищает внутренний слой от воздействия высокой температуры и обеспечивает условия для полного испарения охладителя и перегрева образующегося пара.

Условие безопасной (без прогара стенки) работы системы испарительного охлаждения накладывает ограничение на ее параметры, и его можно записать в виде

Влияние отдельных параметров на изменение величины (р** показано на рис. 6.9. Эти результаты рассчитаны при тех же условиях, что и данные, приведенные на рис. 6.8. Эффективность использования охладителя возрастает при углублении начала парового участка (уменьшении k), при увеличении разности температур между проницаемой матрицей и охладителем в начале парового участка и при увеличении интенсивности внутрипорового конвективного теплообмена. Очевидно, что при равных прочих условиях процесс испарительного охлаждения следует организовать так, чтобы использовать под паровой участок как можно большую часть пористой стенки.

Для иллюстрации основных качественных особенностей гидродинамической составляющей процесса испарительного охлаждения приведем некоторые результаты именно для этого наиболее простого случая (k — Г) -» 0. Рассмотрим режим постоянного перепада давлений. Из представленных на рис. 6.10 данных очевидна наиболее существенная особенность режима — резкое уменьшение расхода охладителя при незначительном углублении области испарения с внешней поверхности (/ = 1) внутрь стенки.

Особенно эффективны для теплозащиты пористые стенки из тугоплавких металлов при испарительном охлаждении их жидким металлом, а также при пропитке или подаче через них сублимирующего состава. Применение щелочных металлов позволяет сочетать теплозащиту с одновременным вводом паров в рабочий поток в МГД-генераторах в качестве ионизирующейся присадки. Электродуговой испаритель, трубчатый проницаемый электрод которого охлаждается испаряющимся металлом, может быть использован для получения мелкодисперсного металлического порошка.

Рис. 6.3. Экспериментальные данные (точки) для температуры Т2 горячей поверхности в зависимости от удельного расхода охладителя (воды) при пористом испарительном охлаждении конвективно обогреваемой стенки (t*, = 3200 К, Р„ = 1 • Ю5 Па, М„, = = 2,43) и сравнение экспериментального скачка температуры Та с расчетным: 1 - расчет по формуле (6.58); 2 -расчет по формуле (6.56)

при испарительном охлаждении 200 °С с соответствующим перепадом по толщине холодильника 50 и 150°;

Процесс теплообмена при кипении чрезвычайно широко распространен в технике. Кипение жидкостей имеет место в многочисленных выпарных аппаратах, работающих в химической, пищевой, нефтяной и других отраслях промышленности, при генерации пара в паровых котлах и испарителях на электростанциях, при испарительном охлаждении конструкций металлургических печей, в атомных реакторах и во многих других аппаратах современной техники.

При использовании пресных охлаждающих вод в европейских странах широко применяются трубки из ингибированных мышьяком латуней, преимущественно оловянистой (28 % Zn, 1 % Sn) и алюминиевой (20 % Zn, 2 % А1). При повышенной агрессивности пресных вод и оборотных системах водоснабжения, в которых происходит упаривание циркуляционной воды при ее испарительном охлаждении, рекомендуются медно-никелевые (90 % Си, 10 % Ni) сплавы и нержавеющая сталь [1].

Чтобы в процессе регенерации катализатора температура его не повышалась сверх допустимой, избыток тепла снимают за счет установки в регенераторе специальных змеевиков, охлаждаемых водой или пароводяной смесью (при испарительном охлаждении). Обычно эти змеевики включаются в состав котла-утилизатора для охлаждения уходящих газов.

В отличие от обычного водяного охлаждения двигателей ГМК, когда охлажденная на градирне вода подается насосами в зарубашечное пространство силовых цилиндров, при высокотемпературном испарительном охлаждении вода в зарубашечном пространстве частично испаряется (при температуре 100—120°С) и в виде пароводяной смеси поступает в пароотделитель. Из паро-отделителя пар поступает в воздушный конденсатор, охлаждаемый потоком воздуха. Конденсат снова возвращается в пароотделитель.

При испарительном охлаждении каждый литр воды используется в 54 раза эффективнее, чем при водяном охлаждении. Это по-

Могут быть применены любые контактные аппараты без ограничений, но лучше применять интенсифицированные аппараты, имеющие меньшие объем и металлоемкость. Расчет аппаратов по существующим методикам не представляет затруднений. Вместе с тем поскольку температура и влагосодержание наддувочного воздуха, температура охлаждающей воды могут быть различными, •/о и влагосодержание поступающего на горение воздуха может изменяться в широких пределах. При увеличении влагосодержания воздуха, поступившего в цилиндры двигателя, там при определенных условиях может начаться конденсация влаги. Поступление влаги в смазочное масло ведет к ухудшению его свойств, выходу иэ строя подшипников и двигателя в целом. Кроме того, значительная (10 %) добавка воды вызывает коррозию на внутренней поверхности цилиндра и повышает износ трущихся деталей. Поэтому влажностный режим двигателя является одним из основных вопросов при испарительном охлаждении наддувочного воздуха.

Охлаждение воды происходит только в том случае, если температура газа по смоченному термометру будет ниже исходной температуры воды. Как известно, выхлопные газы, имеющие температуру по сухому термометру 400— 500 "С, в то же время характеризуются температурой по смоченному термометру tu « 60 "С. При непосредственном контакте газов с водой, имеющей более высокую температуру, например tx = 85 °С, на поверхности капель и пле-кок воды в контактном аппарате вследствие испарения влаги температура понижается (по принципу смоченного термометра) до значения /„. Процесс развивается сначала в тонком поверхностном слое практически мгновенно, со скоростью распространения давления (парциального), т. е. со скоростью звука. Затем внутри капли или слоя жидкости, а также в объеме газа, окружающего каплю, в конвективный и кондуктивный тепло- и массообмен вовлекаются слои, отстоящие все дальше от поверхности термодинамического равновесия, имеющей температуру /„. За время контакта газа с жидкостью в соответствии с условиями, определяющими кинетику процесса, и балансом теплоты и массы под действием разности температур /ж — /„ жидкость охлаждается, например с 85 до 70 °С, Одновременно под действием разности температур / — /„ охлаждается газ, причем по мере движения газа его температуры t и /„ меняют свое значение: t понижается, a tM повышается вследствие насыщения газа влагой; соответственно повышается энтальпия газа. Разность энтальпии газа на входе в аппарат и на выходе из него и является тем теплосъемом, который обеспечивается в аппарате при испарительном охлаждении воды выхлопными газами.

о вакуумно-воздушном испарительном охлаждении воды