«УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой энергетики _Ю.В. Мясоедов _2012 г. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ для специальности 140106.65 – Энергообеспечение предприятий Составитель: ...»

2.3. Сети водоснабжения Системы производственного водоснабжения. Представляют собой комплекс взаимосвязанных сооружений, предназначенных для обеспечения объекта водоснабжения водой. В самом общем случае система водоснабжения должна обеспечивать:

отбор воды из природного источника;

доводку ее качества в соответствии с требованиями потребителя (например, доменного производства);

транспортирование ее ко всем объектам водоснабжения при заданных значениях давления в точках отбора водопроводной сети;

очистку и охлаждение воды перед повторной ее подачей к потребителю в соответствии с индивидуальными требованиями к ее качеству.

Для удовлетворения этих требований система производственного водоснабжения включает:

водозаборные сооружения, обеспечивающие забор воды из выбранных для данного объекта водоснабжения источников;

насосные станции, поддерживающие необходимые давление и расход в водопроводных трубах и обеспечивающие транспорт воды к отдельным потребителям;

сооружения для дообработки и очистки воды, улучшающие качество отбираемой природной воды в водопроводы и водопроводные сети;

регулирующие емкости;

очистные сооружения (групповые и индивидуальные для отдельных технологий).

Расположение основных сооружений системы водоснабжения завода показано на рис. 2.2 из [7]. Здесь обращает внимание отсутствие сброса технической воды в источник водоснабжения (1), так как использование последнего для сброса может допускаться в исключительных случаях, удовлетворяющих специальным требованиям и условиям, предъявляемым в России [1,6], и с разрешения государственного санитарного надзора.

Рис. 2.2. Принципиальная схема водоснабжения промышленного предприятия: 1 – природный источник водоснабжения; 2 – заборное устройство; 3 – насосная станция; 4 – водовод свежей (подпиточной) воды; 5–насосная оборотной воды; 6 – напорный водовод оборотной воды; 7 – промышленное предприятие;

8 – возврат продуктов в основную технологию или переработку (обезвреживание и получение побочного технологического продукта); 9 – сборник продуктов, загрязняющих оборотную воду; 10 – общезаводские очистные устройства;

11 – водоохлаждаюшие устройства Системы производственного водоснабжения классифицируются по следующим признакам.

По видам потребителей различают: хозяйственно-питьевые, производственные, противопожарные системы.

По кратности использования воды, отбираемой из природного источника, – оборотные, прямоточные и системы с последовательным использованием воды в разных технологиях.

По виду природных источников водоснабжения – системы, использующие воды поверхностных источников (реки, водохранилища, озера), и системы, использующие подземные воды (артезианские и грунтовые).

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству воды, предназначенной потребителям каждой из категорий, а также мощности промышленного предприятия применяют ту или иную систему водоснабжения.

В городах обычно устраивают единый хозяйственно-противопожарный водопровод, к которому присоединяются предприятия, для технологий которых требуется вода питьевого качества (предприятия пищевой промышленности и др.).

Для крупных промышленных предприятий, расположенных в городской черте, устраивают самостоятельные, отдельные от городских, производственные водопроводы (часто такие водопроводы объединяют группу заводов). При этом всегда нужно иметь в виду, что единую систему подачи воды на производственные и хозяйственные нужды сооружают в случаях, когда к качеству технической воды предъявляют те же требования, что и к питьевой.

Вопросы такого объединения решаются на основе технико-экономического обоснования.

Надежность системы водоснабжения. Под надежностью функционирования системы водоснабжения следует понимать свойство объекта сохранять заданные эксплуатационные характеристики. Условие надежности при проектировании является основным критерием сопоставимости вариантов.

Основным способом обеспечения требуемой надежности системы водоснабжения является ее резервирование путем введения избыточных элементов (метод структурного резервирования).

Вероятность безотказной работы нерезервированной системы из [7] (рис.

2.3, а и б) может быть представлена так:

где fi – безотказность работы i-го элемента системы; п – общее число элементов.

В соответствии с формулой (2.1) вероятность отказа то есть надежность работы схемы снижается с увеличением числа элементов.

Резервирование системы (рис. 2.3, в) представляет собой комплекс элементов, из которых п обеспечивают заданную производительность. При этом, чем выше кратность резервирования k = m/n, тем выше надежность системы.

Рис. 2.3. Схемы, иллюстрирующие надежность работы системы водоснабжения:

а – нерезервированная не разветвленная; б – нерезервированная разветвлении;

в – резервированная Обозначив полный расчетный расход воды через V, а подачу, при которой наступает отказ тракта, через Vотк (Vотк V1, а также Vотк > V2+V3.

Если одновременно работают все тракты, то F1-3 = f1f2f3 = же отказал тракт 2, то F1,3 = f1f3(1– f 2), и, когда отказ произошел по вине тракта 3, то F1,2 = f1f2(1– f 3).

В этом случае вероятность безотказной работы системы Из формулы (2.2) видно, что с ростом числа источников т надежность функционирования системы производственного водоснабжения увеличивается (согласно данным рис. 2.3, в, п = 2).

Для увеличения надежности функционирования системы применяют также временное резервирование, предусматривающее использование резервных и аккумулирующих емкостей для хранения запасов воды, в отличие от структурного, когда к объекту водоснабжения (одиночному водоразбору) подача осуществляется по нескольким самостоятельным водоводам (система кольцевого водопровода).

Учитывая сказанное, по условию надежности следует различать тупиковые разветвленные (рис. 2.4, а) и кольцевые (рис. 2.4, б) водопроводы.

Расчет сетей заводского водоснабжения. Различают поверочный и конструкторский расчеты сетей. При конструкторском расчете на каждом участке определяют наивыгоднейший диаметр труб и потери напора в них, а при поверочном по имеющимся значениям диаметров труб находят расходы на каждом участке разветвленной или кольцевой сети. В этом случае исходными данными служат:

диаметры и длины всех расчетных участков (их гидравлические сопротивления);

фиксированные условные отборы воды;

напорно-расходные характеристики V – H всех водопитателей и нефиксированных отборов;

геодезические отметки узлов сети.

Рис. 2.4. Схемы систем водоснабжения: а – разветвленная; б – кольцевая Для нахождения расхода воды на участке i – k (i–k) сети может быть использован первый закон Кирхгофа, выражающий баланс расхода в узлах, где i, k – номера узлов; Vi – величина отбора в i-ом узле.

Уравнение (2.3) может быть записано для каждой узловой точки разветвленной сети. Подставив значения Vi, заданные по условию для каждого узла, и решив систему определим численные значения расходов i–k на каждом участке разветвленной сети, что в свою очередь позволяет рассчитать диаметры труб на участке.

Что же касается кольцевых сетей, то значения расходов воды на отдельных участках должны удовлетворять не только условию (2.3), но и второму закону Кирхгофа, по которому алгебраическая сумма потерь напора на каждом из колец сети равна нулю, то есть где j – порядковый номер кольца; п – общее число колец в сети.

Число таких уравнений равно числу п элементарных колец.

Требования, предъявляемые к технической воде объектами водоснабжения. В соответствии с особенностями промышленной технологии к технической воде предъявляются различные требования.

По надежности водоснабжения все потребители технической воды подразделяются на три категории [2].

Так, к первой категории относятся водоводы пожаротушения, ТЭЦ, газоочистка чугуно- и сталеплавильного производств, вращающихся печей цементной промышленности и огнеупорных производств и др.

Ко второй категории относятся цеха прокатного и кузнечного производств, термические цеха, кислородные и компрессорные станции, аглофабрики, огнеупорные и метизные производства и др.

Все вспомогательные производства предприятий относятся к третьей категории надежности водоснабжения.

Требования к качеству технической воды полностью диктуются технологией объекта водоснабжения.

Необходимый напор у абонента (свободный напор, МПа) для разных технологий металлургических производств составляет:

в мартеновских, электро-сталеплавильных и прокатных цехах – 0,15-0,2;

в компрессорных и кислородных станциях – 0,2-0,3;

в конвертерных цехах – 0,3-0,5;

в доменных цехах – 0,6-1 МПа.

Требования к качеству воды в этих же производствах иллюстрируются из [7] табл. 2.6.

Требования к качеству технической воды, используемой в металлургическом производстве [1,7] Потребитель воды Содержание Темпера- Размер Содержание солей Холодильники доменных, ных печей компрессорных станций Водоохлаждаемые элементы электропечей Газоочистка доменного и сталеплавильного цехов Использование жесткой воды в производственных целях во многих случаях не допускается, так как оно связано с рядом нежелательных последствий.

Применение жесткой воды не допускается для питания паровых котлов, промежуточного охлаждения сжатого воздуха, ряда технологий текстильных производств, в бумажной промышленности, при производстве искусственного волокна и др. Высокая карбонатная жесткость (наличие двууглеродистых солей кальция и магния) не допускается в системах оборотного водоснабжения.

Графики технического водопотребления. Фактические графики водопотребления в пределах суток отражают работу основных технологий промышленного предприятия. Они составляют основу расчета водопроводных сетей и сооружений (вместимость резервуаров при временном резервировании, мощность и число насосов и др.) и в значительной степени определяют капитальные затраты на сооружение системы и эксплуатационные издержки. При проектировании водоснабжения промышленного предприятия график водопотребления может быть задан достаточно точно в соответствии с режимами работ основных технологий.

Фактический график водопотребления кузнечного цеха заготовительного производства машиностроительного завода показан на рис. 2.5 из [7]. Здесь:

даны суточные графики трехсменного производства с факт порядка 4500 ч (ночная смена обеспечивает подготовку производства); линии 1-3 отражают водопотребление закалочными баками (охлаждение закалочной жидкости) и расходы, связанные с периодичностью работы печных агрегатов, а также расходы на охлаждение основного (кузнечно-прессового) и вспомогательного оборудования (печей) соответственно.

Рис. 2.5. Фактический график водопотребления 2.4. Элементы систем производственного водоснабжения Системы водоснабжения представляют собой комплекс взаимосвязанных сооружений, предназначенных для обеспечения водой объектов промышленного водоснабжения. Производственное водоснабжение должно удовлетворять требованиям защиты природных источников от загрязнения.

В состав системы водоснабжения в соответствии с ее назначением входят следующие сооружения:

водозаборы и насосные станции;

устройства для очистки и обработки воды внутри отдельных технологий и общезаводские очистные сооружения (реагентное и катионитное умягчение воды, опреснение, удаление железа и растворенных газов, фильтрация и очистка оборотной технической воды);

водоводы и водопроводные сети, регулирующие и запасные емкости.

В качестве примера на рис. 2.6 из [7] дано расположение основных систем оборотного водоснабжения промышленного предприятия, использующего два природных источника водоснабжения.

Рис. 2.6. Размещение элементов системы заводского водоснабжения: 1 – блок потребителей технической воды; 2 – общезаводские очистные сооружения; 3 – удаление отходов (утилизация или захоронение); 4 – водовод; 5 –источник водоснабжения (подпитка оборотного водоснабжения и обеспечение хозяйственно-питьевого водоснабжения предприятия); 6 – охлаждающее устройство; 7 – насосная станция; 8 – насосная станция первого подъема; 9 – заборное устройство, 10 – водовод охлажденной технической воды; 11 – водовод хозяйственнопитьевого водоснабжжения Крупные заводы являются характерными объектами водоснабжения, где могут устраиваться как раздельные, так и объединенные системы для подачи воды на производственные и хозяйственно-питьевые нужды, причем объединенная система возможна в тех случаях, когда к качеству производственной воды предъявляют те же требования, что и к питьевой (предприятия пищевой промышленности, ТЭЦ и др.). Во всех остальных случаях устраиваются раздельные системы производственного и хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Рис. 2.7. Схема производственного водоснабжения с двумя самостоятельными системами: общая (а); каскадного водоснабжения цехов (б): 1 – береговая насосная; 2 – артезианская скважина для подпитки системы и хозяйственно-питьевого водопровода; 3 – химическая обработка поступающей воды; 4 –насосная станция водоснабжения группы потребителей; 5, 6 – цеха промышленного предприятия; 7 – очистные сооружения цехов; 8 – удаление отходов; 9 – водовод обратной воды; 10 – общезаводские очистные сооружения По кратности использования технической воды системы водоснабжения разделяются на прямоточные и оборотные.

Прямоточные схемы водоснабжения промышленных предприятий (даже при наличии эффективно работающих очистных сооружений) теперь не используются, вследствие возможного загрязнения природных источников водоснабжения и больших расходов воды в технологиях. Как правило, используются оборотные схемы [1,3,7,8] с одной (см. рис. 2.6) или несколькими самостоятельными системами (рис. 2.7, а). Такая децентрализация позволяет сократить капитальные затраты на сооружение водоводов и магистралей крупных разбросанных предприятий в пределах промплощадки; суммарные расходы энергии на перекачку воды и одновременно повысить надежность водоснабжения (включение избыточных элементов в систему). Наряду с этим снижаются капитальные и текущие затраты на очистные сооружения, так как отдельные производства требуют сравнительно недорогих методов очистки воды. Из рис.

2.7, а видно, что в пределах цехов возможно последовательное (каскадное) использование технической воды, что позволяет существенно сократить ее расход. В начале каскада находятся производства, требующие достаточно чистую воду, а затем – по степени загрязненности технологий (рис. 2.7, б).

2.4.1. Охлаждающие устройства систем оборотного водоснабжения В системах оборотного водоснабжения происходит повторное (многократное) использование части воды. При этом техническая вода нагревается.

Перед повторным использованием температура воды должна быть снижена в соответствии с требованиями технологии. Снижение температуры технической воды достигается в специальных охлаждающих устройствах (охладителях).

По способу отвода теплоты охладители подразделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные). В испарительном охладителе отвод теплоты достигается в результате испарения при непосредственном контакте с воздухом, в поверхностном – вода движется в трубках, омываемых с внешней стороны воздухом.

Выбор типа охладителя производится на основе технико-экономического сравнения по минимуму приведенных затрат с учетом показателей работы всей заводской системы технического водоснабжения. При сопоставлении вариантов учитываются гидрологические и метеорологические условия применительно к району строительства системы водоснабжения.

Испарительные охладители могут быть представлены: прудамиохладителями (водохранилища-охладители), брызгальными бассейнами и градирнями башенного или вентиляторного типов.

Пруды и водохранилища-охладители обладают рядом несомненных достоинств. Они обеспечивают более низкие температуры охлаждения воды в течение года; являются регуляторами поверхностного стока; просты в эксплуатации и могут обеспечить водой оборотное водоснабжение любого крупного завода.

Однако создание водохранилищ-охладителей сопряжено со значительными капитальными затратами как на основное сооружение, так и на строительство очистных сооружений.

Брызгальные бассейны требуют сравнительно небольших капиталовложений и применяются при небольших расходах технической воды (до 300м3/ч).

Обладают плохой охлаждающей способностью и допускают большие потери воды.

Башенные градирни используются в системах оборотного водоснабжения с расходами воды до 100·103 м3/ч. Благодаря организованному движению воздуха обеспечивается устойчивое охлаждение и более низкая температура воды, чем в брызгальном бассейне. К недостаткам нужно отнести высокие капитальные затраты.

Вентиляторные градирни обеспечивают наиболее глубокое и стабильное охлаждение технической воды. Затраты на строительство оказываются меньше, чем у башенных. Большой расход электроэнергии и возможность образования туманов и обледенения существенно влияют на выбор варианта водоснабжения с вентиляторными градирнями. Их применение оказывается экономически обоснованным, когда требуется низкая и стабильная температура охлаждаемой воды (холодильные и компрессорные станции, производственные технологии в районах с жарким климатом).

Некоторые характеристики испарительных охладителей [7] приведены в табл. 2.7.

Характеристика испарительных охладителей Вид охладителя удельная тепловая Водохранилища и прудыохладители Применение радиаторных охладителей позволяет сократить до минимума потери воды в системе оборотного водоснабжения. Вода в «сухих» градирнях не засоряется пылью окружающего воздуха и солями (минерализация воды), как это имеет место в градирнях «мокрого» типа. «Сухие» градирни имеют больший объем по сравнению с «мокрыми», так как интенсивность теплообмена в них ниже. Их применение может быть оправдано невозможностью восполнения потерь воды в системах охлаждения.

Охлаждение воды в испарительных охладителях всегда сопровождается ее потерями вследствие испарения (снижение температуры воды на 6°С в системах испарительного охлаждения сопряжено с потерями воды до 1 %). Потери воды (%) подсчитываются по формуле где Vисп – доля испарившейся воды; Vун – доля уноса с воздухом за пределы охладителя от циркуляционного расхода по [7] (табл. 2.8).

с расходом воды, м /ч:

Значение Vисп определяется по формуле где k – коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи испарением от общего коэффициента теплоотдачи (испарение и конвекция), % (табл. 2.9); Т – абсолютная величина перепада температур, °С.

Сезон года В результате испарения в охладителе части воды повышается концентрация минеральных солей, растворенных в оборотной воде. При этом соли временной жесткости MgCО3 и СаСО3 (главным образом, СаСО3) выпадают на поверхности устройства, что ухудшает его эксплуатационные показатели и резко снижает коэффициент теплопередачи.

Для предотвращения этого явления производится непрерывная продувка системы оборотного водоснабжения, то есть удаление из нее части циркулирующей воды и восполнение свежей водой из природного источника водоснабжения. Продувку осуществляют водой из глубинных слоев охладителя. Тогда уравнение солевого баланса имеет вид [7,8] где Сд, Сц – концентрация солей жесткости в добавочной и циркулирующей воде соответственно, мг-экв/л; Vисп, Vун – потери воды с испарением и уносом, %;

Vпрод – объемная доля удаляемой воды по отношению к циркулирующей, %.

Если принять для циркуляционной системы Сц на уровне максимально допустимой, то выражение (2.3) можно переписать в виде Из равенства (2.4) находят значение Vпрод, выраженное в процентах. Однако нужно помнить, что регулирование солевого баланса системы оборотного водоснабжения путем непрерывной продувки эффективно лишь в случае, когда Сд 0,06 МПа, то фактическая температура Тср.ф находится по формуле где Т – поправка (см. рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. Графики зависимостей: а – Тср = f(Т, tвл); б – Т = f(Т, Н) Размеры брызгального бассейна определяются расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения площади брызгального устройства. Принимают плотность орошения в пределах 0,8-1,3 м 3 /(м 2 · ч). Тогда площадь брызгального бассейна F =V/k, м2, где V – расход оборотной воды.

Компоновка площади F брызгального бассейна может выполняться в соответствии с данными табл. 2.11.

Для обеспечения продувания брызгального устройства ветром распределительные линии должны располагаться в направлении господствующих ветров.

Длина одной распределительной линии не должна превышать 45 м (расстояние между крайними соплами в распределительной линии). При размещении и компоновке брызгальных бассейнов руководствуются [1,5].

Характеристика брызгальных устройств Марка сопел Подача Площадь Число Расстояние Расстояние Расстояние МОТЭП, диаметром 50/20 мм Эвольвлентные, диаметром, мм:

Рис. 2.10. Графики зависимостей: а – Тср = f(Т, V); б – Т = f(, V) Методика теплового расчета градирни была предложена В. В. Проскуряковым и достаточно подробно освещена в учебной и справочной литературе. На рис. 2.10, а из [7] представлен график для определения температуры Тср в зависимости от расхода охлаждаемой воды V и Т = Т1 –. Если условия = 25 °С и = 54 % не соблюдаются, то Тср.ф находится с учетом поправки Т (рис. 2.10, б):

В России, наряду с небольшими, построены градирни производительностью до 100·103 м3/ч оборотной воды с гиперболическими башнями высотой до 150 м, выполненными из сборного железобетона или металлического каркаса, обшитого алюминием.

2.5. Обработка воды в системах производственного водоснабжения 2.5.1. Основные физико-химические и бактериологические свойства воды Качество воды определяется присутствием в ней различных веществ неорганического и органического происхождения, а также – микроорганизмов. Эти примеси содержатся во взвешенном состоянии. Различают грубодисперсную взвесь, коллоидное состояние и раствор.

Содержание взвешенных веществ в системах производственного водоснабжения регламентируется требованиями производственных технологий. Известно, что многие производственные потребители могут использовать воду с содержанием примесей более высоким по сравнению с допустимым для хозяйственно-питьевого водоснабжения, где масса взвешенных веществ не должна превышать 1,5 мг на 1л воды. Однако для отдельных производственных потребителей использование мутной воды также недопустимо, так как при охлаждении это приводит к засорению поверхности охлаждения и порче оборудования.

Важным показателем качества воды является ее цветность (например, желто-зеленый оттенок природных источников или приобретенный в промышленной технологии при контакте воды с технологическим сырьем или конечным продуктом). Использование воды со значительной цветностью в технологиях, где происходит ее непосредственное соприкосновение с технологическим сырьем, может вызвать снижение качества конечного продукта (текстильная, бумажная, пищевая и другие отрасли промышленности).

Еще одним важным показателем качества воды является ее температура.

В течение года температура воды поверхностных источников изменяется от близкой к нулю до 25-30 °С. Подземные воды (в особенности артезианские) имеют практически постоянную температуру 8-12°С. Температура воды в системе оборотного водоснабжения имеет исключительно важное значение, так как влияет на ее расход и определяет содержание растворимых газов. Для хозяйственно-питьевых целей используется вода, температура которой составляет 7С.

Ряд технологий предъявляет специфические требования к жесткости подпиточной и оборотной воды. Жесткость воды определяется содержанием в ней солей кальция и магния. Различают карбонатную (определяется наличием двууглекислых солей кальция и магния) и некарбонатную воду (содержит сульфиты, хлориды, нитриты этих элементов). Суммарная (общая) жесткость складывается из карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткостей.

Использование жесткой воды для питьевых целей не вредно для здоровья.

Высокая жесткость также не снижает вкусовых качеств воды. Однако использование жесткой воды для хозяйственных целей (стирка, варка пищи и др.) связано с неудобствами (образуется накипь, увеличивается расход моющих средств). Поэтому в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения общая жесткость регламентируется [6] и не должна превышать 7мг-экв/л. По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы общая жесткость должна составлять не более 10 мг-экв/л.

Использование жесткой воды для производственных целей во многих случаях недопустимо, так как это может привести к порче оборудования и нарушению нормального течения технологических процессов (предприятия бумажной промышленности, заводы искусственного волокна, технология получения сжатого воздуха, пара энергетических параметров и др.).

В воде природных источников присутствуют растворимые газы (О2, СО2 и H2S), которые наносят ощутимый вред, снижая качество конечного продукта и воздействуя на элементы технологического оборудования. Поэтому содержание в воде растворенных газов является одним из показателей ее качества.

Согласно [6], в воде, подаваемой в хозяйственно-питьевой водопровод, допустимое содержание железа не превышает 0,3 мг/л. В техническом водопроводе, где вода используется для промывки, указанное содержание железа оказывается недопустимым, так как его присутствие портит целевой продукт, переводя его в брак (текстильная, бумажная и другие отрасли).

Бактериологическая загрязненность воды в непищевых промышленных технологиях не препятствует ее использованию. Что же касается хозяйственнопитьевого водопровода, то, согласно [6], питьевая вода не должна содержать более 100 бактерий в 1 мл. Особую важность для санитарной оценки имеет определение наличия в воде бактерий группы кишечной палочки. Присутствие кишечной палочки свидетельствует о загрязнении воды фекальными стоками.

Согласно требованиям стандарта, в воде, подаваемой в хозяйственно-питьевой водопровод, может содержаться не более 3-х кишечных палочек на 1 л.

Нужно добавить, что в практике использования воды разными категориями потребителей приходится сталкиваться с целым рядом ее дополнительных специфических свойств.

2.5.2. Основные функции очистных сооружений подпиточной и оборотной воды Назначение очистных сооружений. Функции, выполняемые очистными сооружениями, сводятся к следующему: устранение нерастворимых примесей и цветности воды; удаление из воды катионов кальция и магния (умягчение воды) и уничтожение болезнетворных бактерий (обеззараживание воды). В отдельных случаях очистные сооружения стабилизируют воду. Эта операция обработки диктуется требованиями промышленных потребителей и условиями эксплуатации системы водоснабжения.

Часть операций по обработке воды может быть отнесена к процессам собственно очистки воды: устранению мутности и цветности, удалению планктона, бактерий и избыточного количества растворимых солей. Но такие операции, как стабилизация воды, поддержание требуемого значения щелочности воды рН, в отдельных технологиях уже не относятся к процессам очистки воды, которые выполняются в комплексе обработки подпиточной и оборотной воды системы общезаводского водоснабжения, а выполняются непосредственно в самих технологиях, возвращающих воду в систему оборотного водоснабжения завода лишь для указанной выше дообработки.

В соответствии со сказанным, очистные сооружения являются наиболее важным элементом системы заводского водоснабжения. Вопрос о месте расположения очистных сооружений решается при выборе схемы водоснабжения объекта. Обычно они располагаются вблизи источника водоснабжения, непосредственно за насосной станцией первого подъема. Наибольшее распространение в практике водоочистки имеют схемы очистных сооружений с самотечным движением воды. По такой схеме вода, подаваемая насосами первого подъема, самотеком, последовательно проходит все очистные сооружения и поступает в сборный резервуар чистой воды, из которого забирается насосами второго подъема.

Для решения поставленных задач, связанных с очисткой воды, используют следующие методы [1,3,4]: флотация, коагулированияе фильтрование, умягчение воды и др.

Флотация. В ряде случаев для удаления взвеси используют свойство пузырьков воздуха выносить взвешенные частицы на поверхность жидкости. Для образования пузырьков в части осветляемой воды (примерно 10%) растворяют под давлением воздух и подают эту воду в остальную, находящуюся под атмосферным давлением (в открытой ванне). При сбросе давления выделяются мельчайшие пузырьки, флотирующие взвесь, удаляемую затем со свободной поверхности специальными скребками.

Коагулирование. В практике очистных сооружений различают реагентное коагулирование и электрокоагулирование. Коагулирование делается до фильтрации с целью удаления нерастворимых взвесей, при этом взвешенные частицы образуют хлопья, что упрощает их механическое удаление.

При реагентном коагулировании используется сернокислый алюминий Al2(SО4)3, железный купорос FeSО4 и хлорное железо FeCl3 При использовании в качестве коагулянта A12(SО4)3 в воде происходит его диссоциация [8]:

Далее протекает ионный обмен катионов алюминия на катионы, сорбированные содержащимися в воде взвесями. В результате гидролиза оставшихся в избытке катионов алюминия образуется выпадающая в осадок гидроокись алюминия Использование в качестве коагулянта FeCl3, дает хлопьевидную взвесь:

Скоростное фильтрование. Скоростное фильтрование применяется для осветления мутных и цветных вод после коагулирования при реагентном умягчении, обезжелезивании и др. Для его обеспечения требуется достижение скорости воды 2-15м/ч при прохождении через фильтрующий слой, а в ряде случаев – 25-50 и даже 100 м/ч (скоростные фильтры системы Г. Н. Никифорова).

При скоростном фильтровании к прозрачности фильтрата (воды) не предъявляют таких высоких требований, как в системах оборотного технического водоснабжения. Для некоагулированной воды скоростное фильтрование не применяется.

Выбор фильтрующего материала необходимо производить исходя из возможностей его получения на месте строительства системы водоснабжения.

Обычно для этих целей используется песок, гравий, антрацит, керамзит, полимерные материалы.

Анализ работы очистных сооружений показал, что сохранение требуемого эффекта фильтрации может быть получено при различной крупности зерен фильтрующего материала при условии, что одновременно изменяется высота фильтрующего слоя. Характеристики загрузки скоростных фильтров приведены в [4].

Умягчение воды. В практике широкое распространение получили следующие методы [4,8]:

1) реагентный, сущность которого состоит в связывании ионов кальция и магния химическими веществами в малорастворимые и легко удаляемые фильтрованием (коагулирование с последующим фильтрованием) соединения – карбонат кальция и гидроокись магния:

2) катионитный, заключающийся в способности ионообменных материалов (катионитов) замещать присутствующие в воде катионы кальция и магния катионами натрия или водорода (не придают воде свойств жесткости), которыми предварительно заряжается катионит (обмен ионов натрия называют Naкатионированием, а ионов водорода – Н-катионированием).

При Na-катионировании происходят следующие химические реакции [8]:

а при Н-катионировании:

где К – сложный радикал катионита (органический скелет), практически не растворимый в воде и играющий роль неподвижного аниона; – знак, указывающий на способность катионита диссоциировать на нерастворимый анион и катионы Na+, H + ;

3) диализный, протекающий на мембранах. Сущность этого способа состоит в том, что жесткая вода движется с одной стороны мембраны, а рассол NaCl – с другой. При этом ионы натрия мигрируют в мембрану и далее в исходную воду, а ионы кальция (магния) – в противоположном направлении (из жесткой воды в рассол).

Принцип диализа базируется на законе действующих масс. Уравнение обмена между ионами кальция (магния) жесткой воды и ионами натрия в мембране имеет вид где Na+, Са2+ – ионы, содержащиеся в рассоле; х, х – прочие ионы, содержащиеся в рассоле и мембране.

Константу К1 равновесия реакции можно представить в виде Аналогично устанавливается равновесие между рассолом и мембраной:

При условии К1 = К2 запишем где п – показатель степени, зависящий от содержания ионов в составе раствора.

Из формулы (2.5) следует, что если отношение числа ионов натрия в рассоле и исходной жесткой воде равно 10, то жесткость исходной воды может быть снижена в 100 раз по сравнению с жесткостью рассола.

Движущей силой процесса умягчения на ионообменных мембранах является разность активностей растворимого вещества по обе стороны селективной мембраны, разделяющей растворы, где Срас, Сисх – соответственно концентрация солей в рассоле и исходной жесткой воде, мг-экв/л; Жрас, Жисх – жесткости рассола и исходной воды, мг·экв/л.

Скорость процесса диализа где С рас = Срас/Жрас, С исх = Сисх/Жисх; b – константа, определяющая свойства мембраны и жидкостей; Fм – общая площадь поверхности мембран.

Выходная жесткость умягченной воды в диализаторной камере где L – длина пути раствора в диализаторной и рассольной камерах аппарата умягчения, м; д – скорость движения умягченной воды в диализаторной камере, м/с.

Удаление железа. Для окисления двухвалентного железа в трехвалентное, задерживаемое фильтром в виде гидрата его оксида, воду обогащают кислородом, доводя его содержание до 0,6-0,9 мг на 1 г двухвалентного железа. При использовании напорных фильтров воздух (кислород) подается компрессором в трубу, по которой вода поступает в фильтр, загруженный песком. Скорость фильтрации при диаметре частиц песка dч – 0,8-1,8 мм и высоте фильтрующего слоя h = 1 м составляет 5-7 м/ч.

Удаление растворенных газов. В процессе подготовки воды часто нужно удалить растворенные в ней О2, СО2 и H2S (дегазация воды). С этой целью применяются химические и физические методы дегазации воды [4,7].

По химическому методу обескислороживание воды достигается введением сульфита натрия Na2SО3, сернистого газа SО3 и гидрозина N2Н4. Соответственно имеем:

Способ обескислороживания воды путем введения в нее гидрозина N2H является наиболее совершенным (однако очень дорогостоящим). Обычно он применяется в качестве шлифующей стадии удаления О2 после физических методов (доведение воды до кипения в деаэраторах с головками, обогреваемыми водяным паром, сброс давления).

Удаление сероводорода достигается обработкой воды хлором, следствием чего являются химические реакции:

Стабилизация технической и подпиточной воды. Стабилизация воды относится к особым видам ее обработки и применяется, как правило, только для технических целей. Стабильной считают воду, не вызывающую коррозии металлических элементов технологического оборудования и системы водоснабжения и не дающую отложений на них карбоната кальция. Основным признаком агрессивности (коррозийности) воды служит присутствие в ней углекислого газа.

Стабильность воды определяют по индексу насыщения где рНо – щелочность исходной воды; pHs – щелочность при равновесном насыщении исходной воды карбонатом кальция.

Таким образом, при j = 0 вода считается стабильной; при j < 0 – агрессивной (обладает коррозийными свойствами) и в случае j > 0 возможно отложение карбоната кальция.

Согласно [4,5], нестабильную воду нужно подвергать стабилизации, если j > + 0,5 в течение 10 месяцев в году или j То.с на рабочем теле с Tкр Tо.с (фреоны, аммиак, некоторые углеводороды) в паровых компрессионных трансформаторах теплоты, отличаются тем, что давления нагнетания и всасывания зависят от характерных температур установки Tо.с и То.

Давление нагнетания определяется температурой охлаждающей среды (воды, воздуха) или рабочего тела верхней ступени каскада, а давление всасывания – температурой испарения рабочего тела и в некоторой степени тепловой нагрузкой испарителя. Компрессоры парожидкостных установок работают в широком диапазоне отношений давлений нагнетания и всасывания.

Особенность этих машин связана и с тем, что пары рабочего тела могут поступать в компрессор из испарителя при температурах значительно ниже температуры окружающей среды. Физические свойства жидкой и паровой фаз определяют возможность реализации процесса расширения рабочего тела в двухфазной области.

Для каждого из рабочих тел с Tкр>Tо.с свойства жидкости и пара, особенно плотность, значительно различаются, поэтому осуществление процесса расширения с образованием жидкости в объемных машинах затруднено из-за возможности возникновения гидравлических ударов.

Для рабочих тел с Tкр k, так как температура поршня и цилиндра компрессора выше температуры сжимаемого газа; поэтому теплоты передается от корпуса к газу. В конце процесса сжатия m0,то дросселирование приводит к уменьшению потребляеdМ мой мощности и в этом смысле допустимо.

Однако более экономично дросселирование перед компрессором, поскольку уменьшение расхода в этом случае отчасти происходит вследствие уменьшения начального давления Рн. Чтобы убедиться в этом и дать количественную оценку, перестроим характеристики компрессора так, чтобы они соответствовали постоянному конечному давлению. Очевидно, что подаче М характеристике, полученной при постоянном начальном давлении, соответствует подача М1 при том же объемном расходе V1 = V при постоянном конечном давлении. Рассчитанная таким образом характеристика показана на рис. 3.25, а штриховой линией. Предполагается, что дросселирование начинается с расчетного режима работы (точка А). Поскольку в соответствующих точках В и Bj отношение давлений одно и то же, потребляемая компрессором мощность изменяется пропорционально расходу Следовательно, кривая мощности при дросселировании на всасывании D1C проходит ниже кривой мощности DC при дросселировании на нагнетании. Если при дросселировании на нагнетании расходу М соответствует мощность Nd, то тому же расходу при дросселировании на всасывании соответствует мощность Nd1 < Nd.

Если дросселирование в установках второй группы осуществляется за компрессором, то при снижении конечного давления режим работы остается в расчетной точке (точка А на рис. 3.25, б) независимо от конечного давления Рк.

Потребляемая компрессором мощность, следовательно, остается неизменной и равной Nc. Очевидно, что дросселирование на нагнетании в этом случае нерационально, поскольку не приводит к уменьшению потребляемой компрессором мощности. Более того, если кривая мощности правее точки С (при М > Мp) хаdN рактеризуется производной > 0, то вместо дросселирования целесообразно при уменьшении конечного давления (связанного с переходом режима работы, например, в точку В) избыточный воздух подавать в специальную турбину или даже выбрасывать в атмосферу, так как потребляемая компрессором мощность в этом случае уменьшается.

Иначе обстоит дело при дросселировании на всасывании. Покажем, что и в этом случае дросселирование на всасывании более целесообразно, чем дросселирование на нагнетании [4]. С этой целью перестроим участок характеристики правее расчетного режима (начиная с него, необходимо дросселирование для сохранения неизменной подачи), исходя из условия М = Мp = const. Кривая -М превратится в отрезок вертикальной прямой. Очевидно, что уменьшение подачи возможно вследствие уменьшения начального давления Рп. И если отношению давлений соответствует при отсутствии дросселирования расход М (режим работы в точке В), то уменьшение расхода от М до Мp вследствие дросселирования означает, что начальное давление упало в отношении расходов (штриховая кривая на рис. 3.25, б) Уменьшение начального давления вызывает соответствующее снижение мощности (штриховая линия на рис. 3.25, б) Можно доказать, что всегда эта кривая характеризуется отрицательной произdN водной и что, следовательно, дросселирование всегда приводит к уменьdМ шению потребляемой компрессором мощности.

Построенные на рис. 3.25, б из [4] характеристики позволяют найти потребляемую мощность при дросселировании как на нагнетании, так и на всасывании. Произвольному отношению давлений Е}, которое соответствует требуемому конечному давлению Рк:

в нормальных условиях работы (при Рн = const) соответствует режим работы в точке В с параметрами М, ь и Nd. Если дросселирование осуществляется на всасывании, то расход равен расчетному Мp, а потребляемая мощность определится точкой пересечения вертикали, проведенной через точку В, и характеристики мощности (точка D1), причем всегда Ndl < Nc.

Итак, всегда дросселирование на всасывании более целесообразно, чем дросселирование на нагнетании.

Изменение частоты вращения двигателя. Весьма просто и сравнительно экономично регулирование в тех случаях, когда двигатель, приводящий компрессор, допускает изменение частоты вращения в широких пределах без значительного снижения КПД. К таким двигателям из применяемых в настоящее время, относятся паровые и газовые турбины. Однако, как уже указывалось, при значительном диапазоне изменения подачи (в установках первой группы) или давления (в установках второй группы) такой способ регулирования не обеспечивает достаточной экономичности компрессорной установки, что с очевидностью следует из рис. 3.24.

Кроме того, крупные компрессоры, приводимые паровыми турбинами, должны оборудоваться специальными автоматами-ограничителями частоты вращения, воздействующими на паровпускную систему турбины, во избежание опасности разгона компрессоров до недопустимой частоты вращения при снятии нагрузки сети. В случае электропривода компрессора необходимо применение специальных типов двигателей с регулируемой частотой вращения.

Регулирование производительности лопастных (осевых и центробежных) Регулирование дросселированием на нагнетании (см.рис. 3.26) из [1].

Рис. 3.26. Дросселирование на нагнетании: а – принципиальная схема; б – диаграмма Р = f(Q) Установка состоит из компрессора (К), всасывающего воздухопровода с дроссельной шайбой (ШДр), электродвигателя переменного тока (ЭД), нагнетательного воздухопровода с регулируемой дроссельной задвижкой (Др) с сервомотором. Контрольное сечение 1-1 выбрано на входе в компрессор, 2-2 – за компрессором (перед регулируемой дроссельной задвижкой) и 3-3 – в газопроводе за дросселем.

На диаграмме P-Q и из-Q сплошными линиями изображены характеристики компрессора. Верхняя кривая на этом графике представляет собой зависимость из=f(Q) и нижняя – зависимость P2=fI(Q). Штрихпунктирными линиями с цифрой 1 обозначена характеристика сети с полностью открытой дроссельной задвижкой, когда ее сопротивление Рдр0 и Р2Р3, и цифрой 2 – характеристика сети с частично закрытой дроссельной задвижкой. Совместная работа компрессора с сетью (1) возможна только в точке А.

Если частично закрыть дроссельную задвижку, то есть увеличить ее сопротивление, то характеристика такой сети (суммарные потери в сети и дросселе) будут изображаться кривой (2). Совместная работа компрессора с этой сетью возможна только в точке В' при расходе Q 1), но энергетическая эффективность его не высока. При снижении производительности более 50% из-за чрезмерного повышения температуры газа повышается износ трущихся поверхностей, что может привести к взрыву компрессорной установки.

Рис. 3.31. Регулирование подачи компрессора дросселированием на всасывании Рис. 3.32. Схема автоматического устройства для регулирования подачи дросселированием на всасывании Отжимание пластин всасывающего клапана (регулирование пропусками подачи). Схема регулирования отжиманием пластин всасывающего клапана показана на рис. 3.33 из [5].

Если вследствие уменьшения расхода из сети давление в ресивере (1) повысится, то повышенное давление, передаваясь по импульсной рубке (2) к поршневому механизму (3), преодолеет натяжение пружины и подвинет вниз поршень (4). Шток поршня имеет на конце вилку (5), рожки которой будут препятствовать пластине всасывающего клапана садиться на седло. При этом сжатия и подачи газа не произойдет, потому что всасывающий клапан будет открыт, и газ из цилиндра будет выталкиваться во всасывающий трубопровод.

Вследствие этого, произойдет пропуск сжатия и подачи. Это будет продолжаться до тех пор, пока давление в ресивере (1) не понизится и поршень (4) не приведет вилку (5)в нормальное положение, не препятствующее пластине клапана (К1) плотно садиться на место.

Рис. 3.33. Схема регулирования подачи отжиманием пластин всасывающего клапана Таким образом, уменьшение подачи достигается здесь пропусками подачи.

Индикаторная диаграмма для этого случая представлена на рис. 3.34. Это очень простой способ регулирования, но энергетическая эффективность его мала, так как на холостой ход при пропуске подачи затрачивается не менее 15% полной мощности. Такой способ регулирования применяется для компрессоров с любыми степенями сжатия и подачи.

Рис. 3.34. Индикаторная диаграмма при регулировании подачи пластин всасывающего клапана (пропусками) Отжим клапанов линии всасывания в течение всего хода поршня приводит, как указано, к пропускам подачи, то есть к снижению подачи компрессора до нуля.

В настоящее время применяют отжим клапанов на части хода поршня, получая возможность плавного изменения подачи от номинальной до 0,1 номинальной.

Изменение объема мертвого пространства. Из формулы {V = Vтv = =Vт[1–(Vм/Vh)(1/k–1)тр]} видно, что при постоянных Vр, n и можно регулировать подачу изменением объема мертвого пространства (Р,V-диаграмма на рис. 3.35).

Рис. 3.35. Регулирование подачи изменением объема мертвого пространства При объеме мертвого пространства Vм всасываемый объем газа составляет V1. Если увеличить объем мертвого пространства до Vм.рег > Vм,то политропа расширения, построенная при новом положении центра системы координат 0’ займет положение 3-4' и всасываемый объем газа V1pee будет меньше V1. Новая политропа сжатия 1-2' будет соответствовать объему подаваемого газа V2рег< V2.

В предельном случае объем мертвого пространства можно увеличить столь значительно, что политропы расширения и сжатия совпадут и индикаторная диаграмма представится линией 1-3. При этом компрессор не всасывает и не подает: оба клапана закрыты и в цилиндре происходят расширение и сжатие постоянного количестве газа. Конструктивно такое регулирование выполняется в виде дополнительных полостей постоянной или переменной емкости, присоединяемых к мертвому пространству вручную или автоматически.

Для осуществления плавного регулирования, подачи дополнительный объем мертвого пространства выполняется в виде вариатора объема, состоящего из цилиндра с поршнем.

Рассмотренный способ регулирования подачи очень экономичен и получил распространение в компрессорах большой мощности.

Прочие способы регулирования. Кроме указанных способов применяют регулирование остановками компрессора (при мощности на валу до 200 кВт), перепуском газа из полости сжатия в полость всасывания, а также холостым выпуском из сети через автоматический клапан. Первый из этих способов вполне экономичен, а два последних неэкономичны, и применять их не следует.

При регулировании подачи многоступенчатых компрессоров необходимо регулировать подачу всех ступеней одновременно. Если в многостуcпенчатом компрессоре регулировать подачу только первой ступени, то автоматически происходит перераспределение работы между ступенями, и температуры конца сжатия в нерегулируемых ступенях достигают недопустимых значений. Регулирование многоступенчатых компрессоров описано в [5].

Контрольные вопросы 1. Методы определения нагрузок на компрессорную станцию.

2. Назовите основные показатели работы компрессоров различного типа.

3. Признаки классификации компрессоров.

4. Нарисуйте в Р-V диаграмме теоретический и действительный рабочие процессы поршневого компрессора.

5. Принципиальное отличие компрессора и детандера.

6. Основные критерии выбора компрессора и детандера.

7. Нарисуйте принципиальную схему компрессорной станции с поршневыми компрессорами и объясните назначение и принцип действия ее оборудования.

8. Нарисуйте принципиальную схему компрессорной станции с центробежными компрессорами и объясните назначение и принцип действия ее оборудования.

9. Способы осушки атмосферного и сжатого воздуха.

10. Что понимают под характеристикой сети и компрессора?

11. Способы регулирования производительности поршневых компрессоров.

12. Способы регулирования осевых и центробежных компрессоров.

13. Как изменяются суммарная производительность и напор при параллельной и последовательной работе компрессоров?

14. Основные правила техники безопасности и эксплуатации компрессорной станции и сети сжатого воздуха.

15. Адиабатический, изотермический и политропный процессы сжатия и их практическое осуществление.

16. Промежуточное охлаждение – назначение и практическое осуществление.

17. Т-S диаграмма воздуха.

18. Определение электрической мощности на привод компрессора.

19. Определение объемной и массовой производительности компрессоров.

20. Принцип действия аппаратов очистки и осушки воздуха.

Библиографический список 1. Гофлин А.П., Гладышев Н.Н. Компрессорные станции целлюлознобумажных производств: Учеб.пособие. – Л.: ЛТА, 1988. – 88 с.

2. Панкратов Г.П. Сборник задач по общей теплотехнике: Учеб.пособие для студентов теплоэнергетических специальностей вузов. – М.: Высш. школа, 1977. – 239 с.

3. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб.пособие для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 320 с.

4. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учеб.пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 1972. – 344 с.

5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учеб.пособие для теплоэнергетических специальностей вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 416 с.

4. СИСТЕМЫ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ

Холодильная техника достигла современного уровня, пройдя длительный путь развития. Первый лабораторный аппарат для получения искусственного холода был создан в середине 18-го века в У. Куленом.

Только во второй половине 19-го века машинное охлаждение приобретает промышленную основу и начинает применяться при заготовке и транспортировании скоропортящихся продуктов.

Первая такая установка для замораживания мяса была построена в Сиднее (Австралия) в 1861г. Первые стационарные холодильники появились в Бостоне и Лондоне в 1881 г., в России – в 1888г. на рыбных промыслах в Астрахани.

Год спустя они были построены на пивоваренных заводах и кондитерских фабриках.

В 1895 году в Белгороде построен первый заготовительный яично-птичный холодильник вместимостью 250 т.

Одна треть построенных до революции холодильников во время гражданской войны была выведена из строя, однако к 1941 г. холодильная вместимость увеличилась в 6,5 раз. То же произошло во время Великой Отечественной войны (разрушено 95 тыс. холодильников). Восстановление в основном завершено к 1947 г.

В послевоенные годы предприятия торговли и общественного питания интенсивно оснащаются легкими холодильниками (шкафами, прилавками, витринами). Увеличивается выпуск бытовых холодильников. В 50-ые и 60-ые годы 20-го века вагоны-ледники заменяются рефрижераторными поездами и секциями с машинным охлаждением.

Создается рефрижераторный рыбопромысловый флот, транспортные суда оснащаются автоматизированными холодильными установками, для внутригородских и межгородских перевозок строятся авторефрижераторы.

В настоящее время искусственный холод получил широкое применение во всех отраслях народного хозяйства – пищевой, химической, торговле, общественном питании, при проходе шахт и тоннелей, кондиционировании воздуха, закалке стальных изделий, в медицине, шелководстве, цветоводстве, фармацевтической промышленности и др.

Применение холода обеспечивает условия для получения особо чистых веществ. Так, абсорбционные процессы связаны с загрязнением основного получаемого продукта, последующей трудоемкой и дорогостоящей его очисткой, что приводит к более громоздкой схеме, чем использование конденсации при низких температурах. Замена абсорбционных процессов конденсационными упрощает схему, улучшает санитарные условия труда, уменьшает случаи травматизма и профессиональной заболеваемости, так как при меньшем давлении в системе сокращаются утечки хладоагента в производственном помещении.

Расширяется сфера применения холода в процессах хроматографии, технологическом кондиционировании (кабины и конвейеры переработки полимерных материалов), рекуперации тонкой очистки выбросов в атмосферу от высокотоксичных производств.

Значительное количество холода потребляется в производствах кислорода, азота, гелия, редких газов, диоксида углерода и сухого льда, фото- и киноматериалов, в лакокрасочной промышленности и в производстве пластических масс.

Экономический эффект за счет использования холодильных установок с применением средне- и низкопотнециальных вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) значительно возрастает, поскольку снижаются выбросы и сбросы теплоты и загрязняющих веществ в окружающую среду.

4.1. Классификация трансформаторов теплоты Установки для трансформации теплоты классифицированы по следующим признакам:

По принципу работы: термомеханические (основаны на использовании процессов повышения и понижения давления рабочего тела: компрессионные, сорбционные, струйные) и электромагнитные (основаны на использовании постоянных или переменных электрического и магнитного полей).

Принцип работы компрессионных установок (паро- и газожидкостных, газовых) основан на повышении давления посредством механического или термического воздействия на рабочее тело (агент). В паро- и газожидкостных установках агрегатное состояние агента в процессе работы изменяется (конденсация и испарение). Конденсация – при температурах ниже критической (Т < Ткр) и близких к ней; испарение – при температурах ниже Ткр.

В газовых установках агрегатное состояние агента в процессе работы не изменяется (Т > Ткр).

В сорбционных установках [7] повышение давления рабочего тела происходит термохимическим способом путем последовательного осуществления термодинамических реакций поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом с отводом теплоты и выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента с подводом внешней теплоты.

Струйные установки [7] основаны на использовании кинетической энергии потока пара или газа для повышения давления рабочего агента. По характеру изменения состояния рабочего тела струйные установки обычно относят к парожидкостным.

К электромагнитным трансформаторам теплоты относятся:

термоэлектрические системы (основаны на эффекте Пельтье) – процесс трансформации теплоты осуществляется путем непосредственного использования постоянного электрического поля в последовательно соединенных разнородных полупроводниках. При пропускании через эти элементы электрического тока на спаях между ними возникает разность температур. При подводе к холодным спаям теплоты низкого потенциала от горячих спаев отводится теплота повышенного потенциала;

магнитокалорические системы – процесс трансформации теплоты осуществляется последовательным намагничиванием и размагничиванием парамагнетиков или ферромагнитных тел, температура которых повышается при увеличении напряженности магнитного поля и снижается при ее уменьшении;

термомагнитные системы – основаны на совместном действии магнитного и электрического полей на полупроводники (эффект Эттингсхаузена);

электрокалорические системы – основаны на действии электрического поля на сегнетоэлектрики.

Наибольшее распространение получили термоэлектрические трансформаторы теплоты.

По повышающей схеме работает большинство рефрижераторных (R) теплонасосных (Н) и комбинированных (RН) установок – теплота, подведенная к установке при температуре Тн, отводится с более высокой температурой Тв.

При расщепительной схеме к установке подводится поток теплоты среднего потенциала (Qс) с температурой Тс, который в установке делится (расщепляется) на два потока – низкого (Тн) и повышенного (Тв) потенциалов.

По характеру трансформации теплоты – все установки с повышающей и расщепительной трансформацией (абсорбционные трансформаторы теплоты и струйные вихревые трансформаторы теплоты).

По характеру протекания процесса во времени – непрерывного и периодического действия.

По термодинамическому признаку:

с циклическими процессами (замкнутый процесс) – рабочее тело, совершив определенные процессы периодически возвращается в исходное состояние;

с квазициклическими процессами – разомкнутый процесс (квазицикл) – рабочее тело в определенной последовательности совершает процессы и частично или полностью выводится из системы, а взамен него поступают новые порции рабочего тела непрерывно или периодически;

с ациклическими процессами – состояние рабочего тела и его параметры постоянны по времени (эффект Пельтье);

каскадные и регенеративные – применяют при необходимости осуществить трансформацию теплоты в большом интервале температур и давлений рабочего тела.

Заслуга разработки каскадного метода принадлежит Р. Пикте (первая каскадная холодильная установка, 1877 г.). Регенерация применительно к прямому циклу изобретена Р. Стирлингом (1816 г.), применительно к обратному – В.

Сименсом (1857 г.).

4.2. Способы получения низких температур В соответствии с выше приведенными признаками классификации трансформаторов теплоты существуют следующие способы получения низких температур:

фазовое превращение однородных тел;

расширение газов;

дросселирование (эффект Джоуля-Томсона);

вихревой эффект;

с использованием электрических и магнитных полей.

Фазовое превращение однородных тел. Агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) зависит от внешних условий (температура и давление).

Фазовое превращение однородных тел происходит при постоянной температуре, зависящей от условий перехода и физических свойств тела, сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты, которая расходуется на изменение связи между молекулами.

Фазовые превращения не сопровождаются химическими изменениями и являются физическими процессами. Вещества при этом поглощают большие количества теплоты при низкой температуре, что позволяет применять их для получения охлаждающего эффекта.

На рис.4.1 из [3] показана фазовая диаграмма диоксида углерода (углекислоты):

линия АБ разделяет области твердого вещества и газа;

линия АВ – области твердого вещества и жидкости;

линия АГ – области жидкости и газа.

В отдельных точках линий АБ, АВ, АГ тело может быть одновременно в двух фазах: твердой и газообразной, твердой и жидкой, жидкой и газообразной.

Такое состояние называется эвтектическим. Параметры тройной точки зависят от физических свойств вещества. При t > tкр (см. рис.4.1), в точке Г – критической, остается только газообразная фаза.

Рис.4.1. Фазовая диаграмма диоксида углерода (углекислоты) Расширение газов. В процессе адиабатного расширения сжатого газа температура понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа. Применяется в технике глубокого охлаждения и в воздушных холодильных машинах. Связь между температурой (Т) и давлением (Р) в адиабатном процессе расширения для идеального газа записывается уравнением Так для воздуха, сжатого до 9 МПа при Т1 = 298 К (25°С) и расширяющегося до 0,1 МПа, конечная температура Т2 составит 82,2 К (-191°С).

Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона) – снижение давления жидкости и газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран).

При этом не совершается внешняя работа и энтальпия остается постоянной.

Внутренняя энергия газа при прохождении через суженное отверстие расходуется на преодоление внутреннего сопротивления. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона.

Применяется в технике глубокого охлаждения. Степень снижение температуры ниже, чем при расширении.

Вихревой эффект (предложил инженер Ранк в 1931 году). На рис.4.2. из [3] воздух, сжатый в компрессоре и охлажденный до температуры окружающей среды (Tо.с), поступает к соплу (2). После расширения газ выходит из сопла с большой скоростью, образуя свободный вихрь, в котором угловая скорость вращения мала на периферии и очень велика вблизи оси трубы.

Рис. 4.2. Схема вихревой трубы: а – продольный разрез; б – поперечный разрез по сопловому сечению; Тд, Рд – температура и давление в диафрагме; Тк, Рк – то же перед клапаном По мере движения к дроссельному вентилю (1) поток, вследствие сил трения между газовыми слоями приобретает почти постоянную угловую скорость вращения, то есть во внутренних слоях скорость уменьшается, a во внешних – возрастает. Так как в начальный момент процесса разделения газа угловая скорость вращения частиц на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент, то получается избыток кинетической энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру, внутренние слои газа охлаждаются. Внешние горячие слои газа выходят через дроссельный вентиль (1), а внутренние – через отверстия в диафрагме (3) – охлажденными. Могут быть получены: холодный поток (tх =-10 – -50С); горячий поток (tг = 100-130°С).

Холодильный процесс в вихревой трубе требует большого расхода электрической энергии. Достоинство вихревой трубы – конструктивная простота, надежность и быстрота пуска. Применение его целесообразно при получении холода в малых количествах, особенно при наличии сети пневматических трубопроводов.

С использованием электрических и магнитных полей:

Гермоэлектрические трансформаторы теплоты. Рассмотрим электрическую цепь, составленную из двух различных электропроводных материалов А и В (рис. 4.3 из [7]).

Энергия валентных электронов, определенная для каждого проводящего твердого тела, меняется в зависимости от температуры.

Если в данном материале существует градиент температур Т=Тг – Тх, то электроны на его горячем конце приобретают более высокую энергию, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца с температурой Тг >Тх к холодному с температурой Тх, продолжающийся до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не уравновесит движущую силу, связанную с разностью температур T. В результате этого установится равновесие, при котором на холодном конце накопится некоторый отрицательный заряд, а на теплом – положительный, соответствующие некоторой ЭДС.

Рис. 4.3. Схема, иллюстрирующая эффект Зеебека: а – одинаковые проводящие стержни; б – разные-проводящие стержни; I – теплоприемник с температурой Тх; II – теплоотдатчик с температурой Тг; III – электроизмерительный прибор Если составить, как показано на рис. 4.3,а, цепь из двух проводящих стержней, сделанных из одного и того же материала А, то в цепи не возникает ток, так как термо-ЭДС обоих стержней А равны и противоположны по направлению. Если же второй стержень изготовлен из другого материала В (рис.

4.3,б), то в цепи возникнет электрический ток, благодаря тому, что термо-ЭДС обоих стержней различны. Это явление, на котором основана работа измерительных термопар, открыто Зеебеком в 1821 г.

Электродвижущая сила Е термопары (В) определяется по формуле где А и В – коэффициенты термо-ЭДС материалов А и В, В/К.

У веществ с вырожденными электронами (металлов) энергия носителей тока [7] мало зависит от температуры, поэтому значения у них невелики.

Разница в значениях А и В также невелика, так как она определяется в местах спая тем, что энергия электронов, связанная с тепловым движением, у разных металлов при данной температуре Т может только немного различаться.

У полупроводников, напротив, ЭДС, получаемая за счет эффекта Зеебека, может быть очень значительной; на этом основана работа термоэлементов, генерирующих электроэнергию за счет теплоты.

В дырочных полупроводниках (р-типа) возникновение термо-ЭДС аналогично описанному, но разница состоит в том, что на холодном конце скапливаются положительно заряженные дырки, а на горячем – соответствующий отрицательный заряд. На рис. 4.3,б в этом случае в стержне В знаки электрических зарядов изменяются на обратные и ЭДС термопары в соответствии с формулой (4.1) возрастает, так как абсолютные величины А и В будут не вычитаться, а складываться. Поэтому в термоэлементах всегда применяются пары, составленные из разных – дырочных и электронных полупроводников (р- и n-типа).

Вещества со смешанной проводимостью в термоэлементах не используются, так как в них на холодном конце стержней одновременно концентрируются и электроны, и дырки, заряды которых компенсируют один другой. В результате термо-ЭДС или не возникает совсем (когда концентрации и подвижности обоих видов носителей тока равны), или очень мала.

В 1834г. французский часовщик Пельтье открыл эффект, противоположный явлению Зеебека: при пропускании тока через цепь, состоящую из различных проводящих материалов, в местах контакта возникает разность температур – один спай нагревается, другой охлаждается.

Если холодный спай использовать для отвода теплоты от какого-либо объекта при низкой температуре, а теплый для отдачи теплоты при более высокой температуре, то получится трансформатор теплоты, работающий непосредственно за счет электрического тока. Однако, эффект Пельтье (как и эффект Зеебека) в металлах очень невелик. Выделение или поглощение теплоты на контакте двух металлов связано только с тем, что энергия теплового движения электронов несколько различается у разных металлов. Поэтому энергия электронов, образующих ток при переходе из одного металла в другой, должна либо несколько возрасти (что приводит к поглощению теплоты), либо уменьшиться (что дает выделение теплоты). По этой причине до появления полупроводников эффект Пельтье не находил практического применения, несмотря на то, что идея его использования для охлаждения была известна и экспериментально проверена.

В полупроводниках эффект Пельтье во много раз сильнее и проявляется в наибольшей степени в парах из разнородных проводников р- и n-типа.

Если ток в цепи направлен так, что электроны и дырки движутся к месту спая стержней (рис. 4.4,а) из [7], то электрон, перейдя из материала А в материал В, попадает на свободное место – в дырку.

При этом исчезают и электрон и дырка. В теплоту переходят три вида энергии:

1) затраченная в электронном полупроводнике (n-типа) на заброс электрона с донорного уровня в зону проводимости;

2) затраченная в дырочном полупроводнике (р-типа) на заброс электрона на акцепторный уровень из валентной зоны;

3) энергия теплового движения электрона и дырки.

Если направление тока противоположно (рис. 4.4,б), процесс идет в обратном направлении – в месте спая при температуре Т2 поглощается теплота Q2, необходимая для образования пары электрон – дырка.

Тепловой поток Q (Вт), поглощаемый или выделяемый в данном спае, определяется уравнением где – коэффициент Пельтье, В; I – сила тока, А.

Рис. 4.4. Эффект Пельтье в парах полупроводников при перемене направления тока: а – Т2>Т1; б – Т2 Тк, которое при Т < То.с осуществляется только посредством трансформаторов теплоты.

5.1.1. Идеальные процессы ожижения и замораживания (конденсирования) газов Рассмотрим с помощью T-S и lgР-h (l-i) диаграмм процессы перевода газа в жидкое и твердое состояние (рис. 5.1, 5.2) из [6].

Начальное состояние газа соответствует условиям окружающей среды То.с и Ро.с. Будем рассматривать только те случаи, когда То.с > Ткр, то есть когда начальная температура газа выше критической.

При То.с > Ткр ожижение газа не представляет существенных трудностей, так как может быть достигнуто изотермическим сжатием без применения других процессов [2,4,6,7]. Кроме того, при То.с, давлнеи окружающей среды ниже критического (Ро.с lож.

2. Перевод газа в жидкое или твердое состояние при Р > Ро.с. Если Р Pос, когда вся теплота изотермического сжатия будет отводиться адиабатно, то есть в процессе расширения (процесс 1-10-3).

Рис.5.2. Процессы перевода газа в жидкое и твердое состояние в е-h(е-i)диаграмме Чтобы расширить газ до перехода в твердое состояние (точка 5), надо его сжать до Р > Р10:

Таким образом, идеально возможны следующие процессы конденсирования газа:

1) отводом теплоты при Р = const и Т, изменяющейся от Тж до Т фазового превращения;

2) отводом части теплоты при То.с в процессе изотермического сжатия с последующим изобарным охлаждением при понижении температуры до Т фазового превращения;

3) изотермическим сжатием газа с отводом теплоты при То.с с последующим адиабатным расширением до конечного состояния при Ро.с.

Во всех процессах (1, 2, 3) минимальная работа ожижения lмин = e3 – e1.

Первый процесс – осуществляется при наличии охлаждения за счет затраты работы.

Второй процесс – работа затрачивается на сжатие и охлаждение.

Третий процесс – за счет сжатия и расширения, работа затрачивается только на сжатие.

5.1.2. Дифференциальный эффект дросселирования. Дроссель-эффект Джоуля-Томсона (аi =(дТ/дР)i) В зависимости от природы газа и параметров проведения процесса температура может понижаться (дТ < 0), повышаться (дТ > 0) или оставаться неизменной (дТ = 0). Так как величина изменеия давления (дР) при этом всегда отрицательна (при дросселировании давление снижается), то в первом случае аi > 0 (положительный дроссель-эффект), во втором ai < 0, в третьем – ai = 0.

Рис. 5.3. Температурный эффект дроссели- Рис. 5.4. Изменение эффекта рования Тдр при одной и той же начальной дросселирования в зависимости температуре и трех начальных давлениях от температуры и давления; ---Р1" >Р1' >Р1 при Р1" > Ринв – инверионная кривая Как видно из T-S-диаграмм (рис. 5.3, 5.4) из [6] линии постоянной энтальпии имеют максимум, который по мере повышения температуры передвигается в сторону меньших давлений, становится менее выраженным и при Тинв (Т3-4 =0) исчезает.

Инверсионная кривая, соединяющая точки максимума, разделяет диаграмму на две области. Вправо – приводит к охлаждению газа, влево, где h = const, в направлении более высоких давлений – к нагреванию (аi < 0) – процесс 5-6.

Так у водорода и гелия инверсионная кривая проходит ниже То.с, поэтому дросселирование при Т > 180 К (Н2) и > 40 К (Не4) приводит к нагреванию и не может быть использовано для снижения температуры.

Наибольшая аi для каждого криоагента существует в области влажного пара и близко к критической температуре Ткр.

При ai > 0 охлаждение тем больше, чем выше начальное давление, Тмакс при дросселировании достигается от начального давления, лежащего на кривой инверсии, для воздуха при То.с – при давлении 42 МПа.

5.2. Хранение и транспорт ожиженных газов Главным условием, определяющим возможность перевозки и длительного хранения жидких газов при низких температурах, является обеспечение тепловой изоляции. От наружной среды обеспечение тепловой изоляции важно при хранении, перевозке низкотемпературных жидкостей, транспорта их по трубопроводам, а так же при хранении и получении их в аппаратах, работающих при низких температурах.

Низкотемпературная тепловая изоляция. Работоспособность низкотемпературных установок, их КПД определяется в значительной мере качеством тепловой изоляции, защищающей аппараты и коммуникации от притоков теплоты из окружающей среды.

В зависимости от температуры, типа, назначения низкотемпературной установки используются различные виды тепловой изоляции [1,2,6,7].

Блоки разделения воздуха защищают с помощью пористых изоляционных материалов, находящихся под атмосферным давлением.

В низкотемпературных установках, в блоках, работающих при температурах ниже азотного уровня, применяют высоковакуумную, вакуумнопорошковую и экранно-вакуумную изоляции.

Тепловая изоляция блоков. Материалы, используемые для изоляции должны иметь низкую тепло-проводность (), должны быть негорючими, нетоксичными, обладать высокой химической и биологической стойкостью, то есть не взаимодействовать с металлами и влагой, не разрушаться микроорганизмами и грызунами.

Теплопритоки через изоляцию в современных воздухоразделительных установках (ВРУ) в зависимости от количества перерабатываемого воздуха составляют [6]:

При выполнении тепловых расчетов принимают следующие соотношения теплопритоков: 40% – на теплообменные аппараты; 60% – на ректификационные колонны.

В наибольшей степени вышеприведенным требованиям удовлетворяют:

перлит (состав SiO2 = 70-75%; А12О3 = 12-15%; щелочные окислы – 4-8%;

Н2О = 4%). В процессе тепловой обработки перлит вспучивается, его насыпная плотность уменьшается в 5-15 раз, затем его просеивают и для изоляции используют фракцию зерен до 1мм ( = 0,03 Вт/(мК) при 180-190К);

минеральная вата (производится путем распыления жидких расплавов металлургических и топливных шлаков, диаметр капель – около 10мкм). Выпускают вату марок – 100, 150, 200 [по величине плотности (кг/м3) при усилии сжатия 2 кПа]. При Т = 180-190К теплопроводность минеральной ваты = 0,025-0,04 Вт/(мК). Теплоизоляционные свойства минеральной ваты резко ухудшаются при 20-30% влажности, за счет конденсации водяных паров из воздуха. Для предотвращения пылеобразования минеральная вата обрабатывается маслом (допускается содержания масла в вате не более 0,45%). Поэтому она может стать пожароопасной;

ультратонкое волокно (УТВ) – состоит из стеклянных нитей диаметром d = 1-2 мкм. Его плотность – 5-7 кг/м3, = 0,023 Вт/(мК).

Высоковакуумная изоляция – эффективное средство защиты от теплопритоков. При ее использовании оборудование низкотемпературных установок размещается, как правило, внутри криостатов с двумя стенками, выполненными из металлов. Полость между стенками вакуумируется, внутренние стенки тщательно полируются для снижения теплового излучения.

Перенос теплоты Q от более нагретой поверхности к менее нагретой осуществляется свободной конвекцией (Qк) и теплопроводностью газа (Qm), находящегося в зазоре, и излучением (Qл), то есть:

При снижении давления уменьшается произведение критериев Грасгофа и Прандля (GrPr) и быстро падает доля теплоты, переносимой конвекцией (прямо пропорционально квадрату плотности газа). При Р < 133Па (1мм рт.ст.) молярный перенос теплоты практически отсутствует.

Теплопроводность газа зависит от числа Кнудина (Кп = L/ – отношение средней длины свободного пробега молекулы к расстоянию между поверхностями).

Значение длины свободного пробега молекулы газа где k, Tу – соответственно константы газа: k = 8,42-10-3 Н/м; Тy, = 113К.

При Кп 1 снижение давления газа не оказывает влияние на теплопроводность. При L> и Кп > 1 – интенсивность свободного молекулярного переноса теплоты возрастает, определяется числом молекул и зависит от давления Р.

При давлении в зазоре между поверхностями, расположенными одна в другой, меньше 10-3 Па перенос теплоты остаточным газом теплопроводностью настолько мал, что им можно пренебречь по сравнению с лучистым, тогда где п – приведенный коэффициент теплового излучения; со = 5,67 Вт/(м2·К4) коэффициент излучения абсолютно черного тела; F1,2 – взаимная площадь поверхности излучения.

Значение если внутренняя поверхность является выпуклой. При этом значение приведенного коэффициента излучения где 1, 2 – соответственно коэффициенты тепловой изоляции внутренней и наружной поверхностей. Если поверхности – парные пластины, то F1 = F2.

Вакуумно-порошковая изоляция. Основной материал – порошок из перлита и аэрогеля (SiO2), кроме того применяют кремнегель, микпоры. Порошок выполняет роль радиационных экранов. Размер пор так мал, что свободномолекулярный режим переноса теплоты в газе характеризуется Кп > 1 при Р = 1-10 Па (10-1, 10-2 мм рт.ст.), которое получают обычным механическим вакуумным насосом.

В отличие от высоковакуумной изоляции при использовании вакуумнопорошковой не уменьшается плотность теплового потока через изоляцию, так как тепловой поток зависит от излучения и теплопроводности твердого порошка.

При Т2 = 300К (наружная поверхность) основное влияние на теплопритоки оказывает излучение. При снижении Т2 до азотного уровня определяющий фактор – теплопроводность порошка.

Эффективным способом улучшения качества такой изоляции являюется добавки алюминия А1 и меди Си (в соотношении 40:60), которые снижают теплопритоки от излучения (Qл) в 2-4 раза.

Теплопритоки теплопроводностью определяются из выражения где к – кажущийся коэффициент теплопроводности изоляции; – средний размер частиц.

Многослойная экранно-вакуумная изоляция. Значительно снижается перенос теплоты излучением за счет использования большого количества экранов, выполненных из металлической фольги или металлизированных полимерных пленок, которые в свою очередь разделяются пространством с давлением 0,01Па (10-4мм рт.ст.) и теплопроводностью = 0,03-0,05 Вт/(мК).

Эффективность этой изоляции зависит от числа слоев (п), приходящихся на единицу толщины пакета, поппаш = 20-40 1/см.

Расчет теплопритоков, осуществляется так же как и для вакуумнопорошковой изоляции. Однако эта изоляция имеет высокую стоимость и ее сложно размещать в теплоизоляционном объеме, поэтому оно применяется ограниченно.

5.3. Воздухоразделительные установки Промышленные воздухоразделительные установки для извлечения из атмосферного воздуха кислорода (О2), азота (N2), аргона (Аr), криптона, ксенона, неона в газообразном или жидком состоянии работают по принципу низкотемпературной ректификации.

Обобщенная схема криогенного процесса низкотемпературной ректификации представлена на рис. 5.5.

В зависимости от конкретных условий процесс (см. рис.5.5) может осуществляться в разных модификациях, [2,4,6,7]:

1. Процесс Линде. Детандер (II) отсутствует и через теплообменники (IV) и (V) проходит весь воздух (М = 1), охлаждение воздуха – за счет дроссельКартавская В.М. Системы производства и распределения энергоносителей промпредприятий. Метод.указания к курсовому проектированию / В.М. Картавская – Иркутск: ИПИ, 1990. – 27 с.

эффекта. Точки 8 и 10 совпадают (оптимальное по расходу энергии давление сжатия Р2 = 12-20 МПа).

Рис.5.5. Обобщенная схема (а) и ТS диаграмма (б) криогенного процесса:

I – компрессор, II – детандер, III-V – теплообменники, VI – дроссельный вентиль, II – отделитель жидкости, VIII – испаритель 2. Процесс Клода – соответствует изображенному на рис.5.5,б – цикл среднего давления (сжатие газа до 2-6 МПа и охлаждение до температуры всасывания).

3. Процесс Гейландта. Теплообменник (III) отсутствует. Воздух в детандер поступает без предварительного охлаждения – цикл высокого давления (Р2 = 12- 20 МПа).

4. Процесс Капицы. Отсутствует теплообменник (V) и после расширения в детандере (II) воздух имеет параметры точки 6 – цикл низкого давления (Р2 = 0,5-0,8 МПа).

Каждой из указанных модификаций соответствует оптимальное с точки зрения расхода энергии давление Р2 сжатого воздуха. Чем ниже давление Р2, тем большая доля воздуха направляется в детандер.

Доля жидкости (y), получаемой из 1 кг сжатого воздуха, и количество отводимой теплоты (qи)определяются из энергетического баланса процесса [4,6,7]:

где у – доля жидкости, получаемой из 1 кг сжатого воздуха; qи – количество отводимой теплоты; hm = h1 h2 – изотермический дроссель-эффект; hн = h1 h7 – потери от недорекуперации; hож = h1 h5 – теплота ожижения (разность энтальпий атмосферного и ожиженного воздуха); h = h8 h9 – холодопроизводительность 1 кг воздуха, который расширяется в детандере; М – доля дросселируемого воздуха.

Схемы однократной и двукратной ректификации:

1. Колонна однократной ректификации (рис.5.6) –производится технически чистый кислород (O2). В такой колонне может быть осуществлен любой из вышеописанных процессов ожижения (см.рис.5.5).

В процессе ректификации с загрязненным азотом (N2) теряется около трети кислорода, количество отводимого жидкого О2 определяется уравнением (5.1).

Если производятся N2 и О2 в газообразном состоянии, то у = 0, следовательно [см. уравнение (5.1)]:

где К, А – количества кислорода О2 и азота N2 соответственно; TK, TA – соответственно недорекуперация кислорода и азота; с К и с К – соответственно теплоемкости кислорода и азота при постоянном давлении.

При учете притока теплоты через изоляцию (Qо.с = Bqи) уравнение энергетического баланса имеет вид где В – количество подведенного воздуха. Для цикла Линде ATAc p = 0 и М = 1.

2. Колонна двукратной ректификации (рис.5.7) – производятся чистые О2 и N2. В верхней колонне – происходит полное разделение воздуха на О2 и N2. Кислород (К) отводится в теплообменник из нижней части колонны, а азот (А) – из верхней части.

Колонны однократной ректификации используются в небольших установках лабораторного типа для получения газообразного О2 или в установках жидкого О2, работающих по циклу низкого давления. Для полного извлечения О в колонну вместо жидкого воздуха подают жидкий N2 из специального азотного холодильного цикла. Давление в испарителе составляет 0,13 МПа, давление в колонне несколько выше (для обеспечения разности температур в конденсаторе-испарителе).

Конструктивно колонна – вертикальная башня с кубом внизу (на рис. 5.6. – II – испаритель). В змеевик (конденсатор) поступает охлажденный воздух.

Пройдя змеевик, жидкий воздух (Ж) через дроссельный вентиль поступает в верхнее сечение колонны и стекает вниз по насадке или тарелкам.

В испарителе жидкость испаряется, газы (пары-П) поднимаются вверх, встречаются с неравновесной жидкостью, имеющей меньшую температуру.

При бесконечно большой поверхности контакта внизу колонны получается жидкий О2 высокой концентрации, а пар – теоретически равновесен жидкому воздуху. Содержание азота в паре составляет 89-92%.

Рис. 5.6. Схема колонны двухкратной ректификации: I – колонна; II – испаритель; III – змеевик (конденсатор); IV – дроссельный вентиль; V – теплообменник;

VI – компрессор; К – кислород; А – азот Ри.5.7. Схема колонны двойной ректификации: I – нижняя колонна; II – конденсатор-испаритель; III – верхняя колонна; IV-VI – дроссельные вентили; VII – компрессор; VIII – теплообменник; К – кислород; А – азот В крупных установках (колонны двукратной ректификации) используется процесс Капицы, в котором давление воздуха снижено до 0,5-0,6 МПа, необходимо для двойной ректификации.

Для уменьшения габаритов колонны (в небольших установках) ректификационную колонну разделяют на две части высокого и низкого давления.

Низкотемпературная ректификация. Широко используется в технике для разделения воздуха с целью получения кислорода О2, азота N2, аргона Ar, неона Ne, криптона Kr, ксенона Ks. Гелий, метан, этан также получают в установках низкотемпературного охлаждения при разделении природных и попутных нефтяных газов.

Расчет процесса ректификации смесей газов с учетом влияния всех входящих в них компонентов крайне затруднителен, поэтому сложные многокомпонентные смеси рассматриваются как бинарные или тройные. Воздух – как бинарную смесь, хотя в своем составе он имеет более 10 компонентов. При извлечении из воздуха трех компонентов, его рассматривают как тройную смесь.

На рис. 5.8 из [1] приведена фазовая (Т, х, у) диаграмма для смеси азоткислород, на рис.5.9 из [1] – диаграмма равновесной концентрации азота (паржидкость).

Рис.5.8. Т, х, у диаграмма смеси азот-кислород Рис. 5.9. Диаграмма равновесной концентрации (пар-жидкость) Посредством непрерывного испарения и непрерывной конденсации принципиально невозможно выделить из смеси компонент в технически чистом виде.

Полное разделение бинарной смеси на компоненты осуществляется организацией тепло- и массообмена между находящимися в непосредственном контакте встречными потоками жидкости и пара в условиях, когда процессы испарения и конденсации протекают одновременно. Этот метод называется ректификацией и реализуется в аппаратах (ректификационных колоннах).

Для увеличения поверхности соприкосновения между паром, поднимающимся вверх и стекающей жидкостью по высоте колонны размещаются тарелки. На каждой из тарелок с помощью переливных устройств поддерживается некоторый слой жидкости, через который барботирует встречный поток пара, образуя множество мелких пузырьков. Большая межфазная поверхность раздела, получаемая при этом, приводит к интенсификации процессов тепло- и массообмена и снижению габаритов аппарата.

Пар, поднимаясь вверх многократно (по числу тарелок), соприкасается с жидкостью, все более обогащаясь нижекипящим компонентом, содержание которого в жидкости, наоборот, понижается по мере движения ее вниз по колонне. При этом в жидкости возрастает концентрация вышекипящего компонента (нижняя часть колонны).

В пределе потоки жидкости (G)и пара (D) при взаимодействии могут достигнуть равновесных значений (см.рис.5.9). Такие тарелки называются теоретическими (или идеальными) в отличие от действительных, где равновесие между фазами в конце процесса тепло- и массообмена не достигается.

Принципиальные схемы ректификационных колонн:

1. Для извлечения кислорода (рис.5.10 из [1]) Линде разработана схема однократной ректификации, в которой процесс разделения происходит при условии D < G, характерном для отгонной (конценрационной) колонны.

Рис.5.10. Схема аппарата однократной ректификации для извлечения кислорода: 1 – корпус; 2 – тарелки; 3 – куб; 4 – теплообменник; 5 – дроссельный вентиль Воздух (В), предварительно очищенный от примесей, охлажденный и сжатый подается в конденсатор-испаритель (4), где отдает теплоту кипящему в кубе (3) кислороду, ожижается и поступает после дросселирования (5) на орошение верхней тарелки. Увеличивая число тарелок, можно получить жидкий кислород (вышекипящий компонент) высокой чистоты и концентрации 74Ректификация происходит при давлении 0,12-0,14МПа. Из верхней части аппарата выводится азот в виде пара.

2. Для извлечения азота высокой концентрации используется концентрационная колонна, в которой процесс разделения происходит при условии DI > GI (рис.5.11 из [1]).

Рис.5.11. Схема аппарата однократной ректификации для извлечения азота Охлажденный воздух (В) подается на разделение в нижнюю часть аппарата (1) через дроссельный вентиль (6), где его давление снижается до значения Рк = =0,35-0,4 МПа. Пар, поднимаясь по колонне, обогащается на тарелках (2) нижекипящим компонентом до заданной концентрации, соответствующей практически чистому азоту.

В конденсаторе-испарителе (4) часть азота ожижается и в виде флегмы (жидкости) возвращается в колонну на орошение верхней тарелки. Несконденсированные пары азота отбираются из верхней части аппарата в качестве готового продукта азота (А). Давленеи кипения Рк = 0,12-0,13 МПа. Кубовая жидкость (3) содержит значительное количество азота, концентрация которого несколько выше равновесной по отношению к поступающему в колонну воздуху.

Поэтому около 40% азота теряется отбросным потоком (К).

Для производства 1 м3 кислорода или азота при нормальных условиях необходимо переработать соответственно 7,5-8,5 или 2,2-2,4 м3 воздуха вместо или 1,3 м3 случае полного извлечения компонентов.

3. Одновременное получение технически чистых азота и кислорода осуществляется в сдвоенном аппарате однократной ректификации (рис.5.12 из [1]), состоящим из концентрационной (1) и отгонной (2) секций. Для орошения верхней тарелки используется часть отбираемого из аппарата азота в количестве Аф, который нагреваясь до температуры окружающей среды То.с в охладителе флегмы (5) и теплообменнике (6), изотермически сжимается компрессором (7) до давления Р = 0,55-0,6 МПа.

Сжатый азот после охлаждения встречным потоком холодного газа в рекуператоре (6) поступает в конденсатор-испаритель (3), где ожижается вследствие тепло- и массообмена с кислородом, кипящим при более низком давлении. Из конденсатора-испарителя (3) жидкий азот поступает через теплообменник (5) и дроссель (4) в верхнюю часть ректификационного аппарата.

Так как в схеме применяется компрессор, то повышается стоимость установки и увеличивается расход энергии в процессе эксплуатации.

Если сжимать до давления в нижней колонне только часть воздуха, а другую часть воздуха, охлажденного до температуры конденсации, вводить в соответствующее сечение верхней колонны, то расход энергии на разделение воздуха уменьшается. Этот способ предложен Лехманом [1]. В наше время крупные колонны выполняются с вводом части потока воздуха в верхнюю колонну после его расширения в турбодетандере, вторая часть охлажденного воздуха подается в нижнюю колонну. Иногда колонну разделяют на три части.

Рис.5.12. Схема ректификационного аппарата для извлечения азота и кислорода Характеристика продуктов разделения воздуха и область их применения. Характеристика товарного газообразного О2 (технического и медицинского) должна отвечать следующим требованиям:

технический кислород – 3 сорта (содержание О2 – 99,7; 99,5 и 99,2 об.%) медицинский – 99,5 об.%;

содержание водяных паров (г/м3) при 20°С и 0,101 МПа должно быть не более 0,005 об.%;

содержание СО2 – не нормируется (технический О2).

В промышленности находят широкое применение нетоварные (потребляемые только производящим их предприятием) О2 и N2: кислород технический влажный, технологический, азот чистый, кислород технический сухой (табл.

5.2. из [4]).

Теоретический расход энергии для получения 1 м3 газообразного О2 составляет 0,075 кВт-ч (1,62-1,98 МДж).

Характеристика газообразных нетоварных кислорода и азота продукта Кислород технический влажный ческий По использованию кислорода и азота химическая промышленность занимает 2-ое место после металлургической.

Кислород и азот используются:

1) при производстве (м3/т):

с целью интенсификации технологических процессов, создания более компактных, высокопроизводительных агрегатов и автоматизации производства;

2) при газификации твердых топлив – для получения полуводяного газа, применяемого в производстве синтетического аммиака; водяного газа (парокислородное дутье) – для синтеза спиртов и производства водорода;

3) в процессе каталитической конверсии природного газа (CH4) – для получения аммиака и смеси Н2-СО, используемых в синтезе метанола, высших спиртов и альдегидов. Конверсируемый газ имеет состав (об.%): Н2 = 72%; СО = 23%; СО = 4%, около процента – СН4, N2 и Аr. При конверсии природного газа, обогащенного кислородом воздуха, производят технологический кислород;

4) в процессе высокотемпературной конверсии метана (СН4)по реакции:

СН4 + О2 СО + Н2 + Н2О + 66,4 ккал (температура 1400-1500°С).

5) в низкотемпературном окислении углеводородов попутных нефтяных газов – для производства аммиака.

6) в производстве ацетилена из природного газа.

Потребность в кислороде в черной металлургии современного металлургического комбината составляет 150-250 тыс. м3/ч: в доменных печах (25- об.% кислорода в дутье) позволяет применять более бедные руды и снижать расход топлива при выплавке чугуна. На одну доменную печь требуется 50- тыс.м3/ч кислород.

При содержании в дутье кислорода 30-35об.% производительность мартеновских печей повышается на 30%, удельный расход кокса снижается на 25В цветной металлургии кислород применяется:

при шахтной плавке свинцово-цинкового агломерата, возгонке цинка из шлака, обжиге цинковых концентратов в печах с кипящим слоем;

при шахтной плавке окисленных никелевых руд, обжиге никелевого огарка и др.;

при шахтной плавке медного рудного агломерата, конвертировании медных штейнов (промежуточный продукт, содержащий основное количество извлеченного из руды никеля и меди);

при извлечении ценных продуктов из газов (например, серной кислоты).

Кислород также применяется при огневом бурении твердых пород, в двигателях космических ракет, в медицине, микробиологии, при высотных полетах, в энергетике и др.

Основные технические характеристики воздухоразделительных установок. В зависимости от назначения и производительности воздухоразделительные установки подразделяются по организации криогенного процесса на установки высокого, среднего, низкого давления и двух давлений воздуха [4].

Установки высокого и среднего давления предназначены для получения небольших количеств О2 и N2 при переработке не более 1000 м3/ч воздуха (установки высокого давления с поршневым детандером до 7000 м3/ч воздуха). Применямые криогенные процессы:

высокого давления (10-20 МПа) – цикл Линде;

высокого давления с поршневым или турбодетандером (9-20 МПа) – цикл Гейландта;

среднего давления с поршневым или турбодетандером (2-6 МПа) – цикл Клода.

Мощность приводов компрессоров (электрический двигатели) от 200 до 2тыс.кВт.

Получаемые О2 и N2 – газообразные. Для производства одного из продуктов в жидком виде используются установки высокого давления. В разделительных аппаратах используется одно- и двукратной ректификация.