Зависимость термодинамических характеристик смесей теплоносителей от их состава

64 Издательство «Грамота» www.gramota.net

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Самарский государственный технический университет

Зависимость термодинамических характеристик смесей теплоносителей от их состава

Никитин Максим Николаевич

Неотъемлемым условием осуществления любого промышленного производства является наличие стабильного и экономичного энергоснабжения. Во многих случаях требуется тепловая энергия, которая может быть доставлена к технологическому оборудованию посредством теплоносителя (например, нагрев раствора в ваннах химической обработки изделий с помощью паровых змеевиков) либо посредством электроэнергии (например, нагрев раствора в ваннах с помощью электронагревателей (ТЭНов)).

Теплоносители можно разделить на две группы: основные (водяной пар, вода, воздух) и альтернативные (технические жидкости, технические газы, смеси теплоносителей). Альтернативные тепловые агенты, как правило, загрязнены вредными для человека и агрессивными по отношению к материалам оборудования компонентами. С другой стороны, удельная стоимость производства альтернативных теплоносителей во многих случаях оказывается ниже стоимости основных (без потери качества). Это стало мощным стимулом перехода на альтернативные теплоносители в связи с мировой тенденцией к повышению энергоэффективности производства в целом и теплотехнического оборудования в частности.

Развитие технологий промышленного производства в конце 20-го века позволило осуществить замену основных теплоносителей альтернативными во многих сферах производства. Так, например, сушка древесины может осуществляться не только водяным паром или горячим воздухом, но и смесью воздуха и продуктов сгорания природного газа.

Целью данной статьи является раскрытие термодинамических характеристик трех наиболее востребованных альтернативных теплоносителей: паровоздушных, газовоздушных и многокомпонентных парогазовых смесей. Выработка этих теплоносителей осуществляется в теплогенераторах смесительного типа. Паровоздушные смеси

В состав паровоздушных смесей (ПВС) входят водяной пар и воздух. Таким образом, эти двухкомпонентные теплоносители не содержат агрессивных компонентов, отрицательно влияющих на здоровье человека и срок службы технологического оборудования. Очевидным недостатком паровоздушных смесей является присутствие водяного пара, который необходимо вырабатывать отдельно (т.е. необходимо наличие парового котла или другого парогенератора).

Важнейшим показателем любого теплоносителя является его теплосодержание. Значительная энтальпия позволяет существенно снизить расход теплоносителя, гидравлические потери и все соответствующие экономические затраты.

Существенным преимуществом любой смеси перед однокомпонентными основными теплоносителями является простота регулирования термодинамических показателей теплового агента за счет изменения пропорций его компонентов. В общем случае базовым компонентом ПВС является водяной пар, а воздух выступает в качестве регулирующего компонента, т.к. общий случай ПВС предполагает подмешивание холодного воздуха (с температурой окружающей среды). Так, например, если базовым компонентом ПВС является насыщенный водяной пар с температурой 1000С и давлением 1 ата, а регулирующим - воздух с температурой 200С, то диапазон регулирования температуры смеси может составить более 400С. Однако следует отметить, что помимо снижения температуры ПВС, увеличение доли подмешиваемого воздуха окажет существенное влияние и на другие термодинамические параметры смеси: плотность, давление, энтальпия и др.

На Рис. 1 представлены зависимости плотности (с), температуры (Т) и энтальпии (Н) ПВС от доли подмешиваемого воздуха. Масштаб шкалы процентной доли воздуха (ось абсцисс) прогрессивный с шагом, соответствующим 0,1 м3 воздуха на 1 м3 водяного пара. Очевидно, что увеличение доли подмешиваемого воздуха приводит к заметному снижению температуры и, соответственно, удельной энтальпии смеси.

После некоторого снижения плотности ПВС до 0,47 кг/м3 (доля воздуха - 23%) наблюдается постепенный рост данного параметра, оканчивающийся превышением исходного значения при доли воздуха более 50,4%. Такой характер зависимости плотности от доли подмешиваемого воздуха легко объясняется обобщенным газовым законом: степень термического расширения снижается пропорционально температуре.

Паровоздушная смесь, в состав которой входит предварительно нагретый воздух, является частным случаем. Такой способ получения ПВС применим, когда основным регулируемым параметром смеси является не температура, а объем или влажность. Подогрев подмешиваемого воздуха позволяет избежать стремительного снижения теплосодержания ПВС при увеличении доли подмешиваемого воздуха даже в зимний период, когда подмешивание неподготовленного воздуха приводит к значительному снижению температуры смеси. Однако использование подогрева оправдано только при наличии термических отходов (твердых, жидких или газообразных сред с температурой выше окружающей среды, удаляемых из производственного цикла).

Примером использования такого частного случая паровоздушной смеси является сушка пиломатериалов. Подмешивание холодного воздуха в зимний период не позволяет получать теплоноситель, соответствующий требованиям технологии мягкого режима низкотемпературной сушки: температура 70-770С и относительная влажность 27-35% [1, с. 2]. Достижение таких значений относительной влажности ПВС требует предварительного нагрева подмешиваемого воздуха до 40-500С.

теплоноситель паровоздушный термодинамический

Рис. 1.Зависимости основных термодинамических параметров ПВС от доли подмешиваемого воздуха: Н - энтальпия ПВС, МДж/м3; Т - температура ПВС, 0С; с - плотность ПВС, кг/м3

Газовоздушные смеси

В состав газовоздушных смесей входят продукты сгорания органических топлив и воздух. Аналогично паровоздушным теплоносителям, газовоздушные смеси (ГВС) нуждаются в отдельном производстве одного из компонентов. Однако очевидно, что производство продуктов сгорания значительно проще выработки водяного пара. Более того, дымовые газы являются побочным продуктом многих технологических процессов, т.е. типичным примером термических отходов, на утилизацию тепла которых затрачиваются значительные усилия. Таким образом, использование газовоздушных смесей позволяет значительно упростить глубокую утилизацию теплоты уходящих дымовых газов.

В то же время, у газовоздушных теплоносителей имеется ряд недостатков и наиболее значимые из них - токсичность и агрессивность по отношению к контактным поверхностям оборудования и трубопроводов (при определенных условиях). Тем не менее, газовоздушные смеси находят широкое применение в различных сферах производства и строительства: от обогрева грунтового покрытия стадионов, до сушки древесины. Причем во многих случаях ГВС оказывается значительно дешевле ПВС.

Рассмотрим частный случай ГВС - смесь воздуха с температурой 200С и продуктов стехиометрического сгорания природного газа (при адиабатической температуре 20300С) из газопровода Уренгой-Ухта (CH4 =

98.72%, C2H6 = 0.12%, C3H8 = 0.01%, C4H10< 0.01%, CO2 = 0.14 %, N2 = 1%) [2, с. 61] (Рис. 2). В этом случае базовым компонентом являются дымовые газы, а регулирующим - воздух. Основным регулируемым термодинамическим параметром теплоносителя, таким образом, является температура. В данном случае температура подмешиваемого воздуха 200С соответствует летнему периоду средней полосы, однако даже в зимний период, когда температура составляет -200С, подогрев воздуха не осуществляется. С одной стороны, если дымовые газы не охлаждаются в рекуперативном оборудовании, то их температуры (1600-20000С) достаточно для нагрева подмешиваемого воздуха даже в зимний период. С другой стороны, если для формирования ГВС используются продукты сгорания на последней ступени рекуперации (120-6000С), то отдельный подогрев подмешиваемого воздуха не эффективен с энергетической точки зрения.

На Рис. 2 представлены зависимости плотности (с), температуры (Т) и энтальпии (Н) ГВС от доли подмешиваемого воздуха. Масштаб шкалы процентной доли воздуха (ось абсцисс) прогрессивный с шагом, соответствующим 10 м3воздуха на 1 м3 сжигаемого природного газа. Аналогично ПВС, увеличение доли подмешиваемого воздуха приводит к снижению температуры и удельной энтальпии смеси. Степени зависимости температуры и теплосодержания от доли подмешиваемого воздуха заметно меньше, чем у ПВС. Это объясняется высокой температурой (значительным теплосодержанием) базового компонента (20300С и 35,302 МДж/м3). Это позволяет подмешивать большую долю воздуха, сохраняя достаточно высокую температуру (2090С при процентной доле воздуха 91%).

Рис. 2. Зависимости основных термодинамических параметров ГВС от доли подмешиваемого воздуха: Н - энтальпия ГВС, МДж/м3; Т - температура ГВС, 0С; с - плотность ГВС, кг/м3

Характер зависимости плотности ГВС разнится с характерами зависимости температуры и энтальпии. Аналогично ПВС наблюдается увеличение плотности при увеличении доли подмешиваемого воздуха, что также объясняется обобщенным газовым законом. Однако в отличие от ПВС, наблюдаются большая выраженность зависимости и отсутствие участка временного снижения плотности смеси. Это объясняется высокотемпературным диапазоном рассматриваемого случая (большей степенью температурного расширения).

Многокомпонентные парогазовые смеси

Рассмотрим частный случай парогазовой смеси, в состав которой входят водяной пар и продукты стехиометрического сгорания природного газа (при адиабатической температуре 20300С) из газопровода Уренгой-Ухта (CH4 = 98,72%, C2H6 = 0,12%, C3H8 = 0,01%, C4H10< 0,01%, CO2 = 0,14 %, N2 = 1%) [2, с. 61] (Рис. 3). В данном случае основными компонентами дымовых газов будут воздух (9,42 м3/м3 газа), азот (N2 = 7,46 м3/м3 газа), углекислый газ (CO2 = 0,99 м3/м3 газа) и водяной пар (H2O = 2,13 м3/м3 газа) [2, с. 70], поэтому такая смесь является многокомпонентной парогазовой (МКПГС).

Как и многие альтернативные теплоносители МКПГС является вредной для человека и при определенных условиях может оказаться весьма агрессивной к материалам оборудования и трубопроводов. Объясняется это наличием в продуктах сгорания природного газа оксидов углерода и азота. В газообразном состоянии они опасны для человека, а в жидкой фазе (при образовании кислот) вызывают коррозию контактных поверхностей. С другой стороны, аналогично ГВС, МКПГС могут использоваться для глубокой утилизации теплоты уходящих дымовых газов.

МКПГС имеют большой потенциал применения как в роли греющего теплоносителя (взамен водяного пара), так и в роли средства обработки (пропаривание бетона, термическая обработка сельскохозяйственных угодий и др.). Значительное содержание в МКПГС углерода (до 2 кг/м3 газа) и азота (до 1,5 кг/м3 газа) позволяет использовать такие смеси в качестве основы углеродных и азотных подкормок.

Существует два основных способа выработки МКПГС: подмешивание водяного пара к потоку продуктов сгорания и впрыск воды в поток дымовых газов. Рассмотрим второй случай, когда не требуется отдельная выработка водяного пара: впрыск воды с температурой 200С в поток продуктов стехиометрического сгорания 1 м3 природного газа (при адиабатической температуре 20300С) из газопровода Уренгой-Ухта. Вскипание впрыскиваемой воды резко снижает температуру потока за счет расхода теплоты на парообразование. Кроме того, мгновенное вскипание воды в ограниченном объеме приведет к скачку давления, т.е. к некоторому увеличению динамического давления МКПГС.

На Рис. 3 представлены зависимости плотности (с), температуры (Т) и энтальпии (Н) МКПГС от доли подмешиваемого пара (без учета доли водяных паров, входящих в состав продуктов сгорания). Масштаб шкалы процентной доли пара (ось абсцисс) прогрессивный с шагом, соответствующим изменению температуры смеси на 2000С. Приведенная шкала процентной доли подмешиваемого пара начинается с 0.43% (здесь округлено до нуля) и соответствует температуре смеси 19000С, т.к. следующий шаг (21000С) даст теоретическую долю пара -0,22%.

Рис. 3.Зависимости основных термодинамических параметров МКПГС от доли подмешиваемого пара: Н - энтальпия МКПГС, МДж/м3; Т - температура МКПГС, 0С; с - плотность МКПГС, кг/м3

Очевидно, что разбавление базового компонента приводит к изменению удельной энтальпии, причем диапазон энтальпий ГВС и МКПГС сопоставим (~30 МДж/м3). Однако значительная доля водяного пара в смеси означает, что при утилизации (охлаждении) МКПГС произойдет конденсация и кроме разницы энтальпий, к тепловому потоку добавится теплота конденсации. Плотность, в данном случае, изменяется пропорционально доли подмешиваемого пара и весьма предсказуемо.

Рис. 4.Зависимости температуры МКПГС и доли подмешиваемого пара от массы впрыскиваемой воды: Т - температура МКПГС, 0С

На Рис. 4 представлены зависимость доли подмешиваемого пара, которые позволяют дать количественную оценку расхода впрыскиваемой воды для рассматриваемого случая производства МКПГС. Масштаб шкалы расхода воды (ось абсцисс) прогрессивный с шагом, соответствующим изменению температуры смеси на 2000С. Таким образом, зависимости на Рис. 3 и Рис. 4 единообразны. Зависимость температуры смеси от количества впрыскиваемой воды приведена для ориентира.

Заключение

Рассмотрены частные случаи альтернативных теплоносителей, которые широко применимы в промышленном производстве.

Приведенные зависимости показывают общую тенденцию всех рассмотренных смесей к увеличению плотности пропорционально доле регулирующего компонента. Причем диапазон значений плотности ГВС и МКПГС значительно шире, чем у ПВС, что объясняется сравнительно низкими температурами рассматриваемого случая ПВС.

Аналогичная ситуация с температурой смесей: она снижается во всех рассмотренных случаях пропорционально доле регулирующего компонента. Причем воздух оказывает весьма слабое влияние на температуру смеси (особенно ГВС), ввиду его малой теплоемкости, а впрыск даже небольшого количества воды приводит к резкому падению температуры МКПГС, в виду ее значительной теплоемкости и затрачиваемой теплоты на парообразование.

Как было сказано выше, теплосодержание является важнейшим термодинамическим показателем любого теплоносителя. Однако следует отметить, что, несмотря на всю его значимость, решающим фактором, с точки зрения технологии, является степень утилизации теплоты, содержащейся в теплоносителе. Так теплота конденсации водяных паров, входящих в состав ГВС и МКПГС, является весомым аргументом использования паросодержащих смесей. Утилизация теплоты является задачей теплоиспользующего оборудования, тем не менее предпочтительнее использование теплоносителя, который позволяет проводить более глубокую утилизацию теплоты при прочих равных условиях.

Список использованной литературы

ГОСТ 19773-84. Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия. Введ. 1985-01-01. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1984. 17 с.

Григорьев К. А. Технология сжигания органических топлив. Энергетические топлива. СПб.: Издательство Политехнического университета, 2006. 92 с.

Клименко А. В. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. М.: Издательство МЭИ, 2007. 632 с.

Ривкин С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1975. 80 с.

Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: Издательство НПО ЦКТИ, 1998. 256 с.

Размещено на Allbest.ru