Физические основы разделения газа, Ректификация воздуха — Энергетическое обеспечение производства

Кислородные установки различают по производительности, типу холодильного процесса и составу получаемых продуктов.

По производительности имеются три группы установок:

1. Малой производительности (30-250 м³/ч О₂).

Применяют холодильный процесс высокого давления и среднего давления с поршневым детандером. Служат для получения О₂ высокой концентрации (99,2-99,5% О₂).

2. Средней производительности (250-3600 м³/ч О₂).

Применяют цикл с двумя давлениями воздуха, иногда – только с низким давлением. Используют как для получения О₂ высокой концентрации, так и содержащего 95-98% О₂, применяемого для интенсификации технологических процессов.

3. Большой производительности (от 3600 м³/ч О₂).

Применяют цикл с низким давлением. Вырабатывают как кислород высокой концентрации, так и 95-98% О₂ для технологического использования.

Для случаев, когда требуется просто обогащенный кислородом воздух, его получают смешением воздуха с О₂, имеющим концентрацию не менее 90% — это экономически целесообразно.

Условные обозначения, используемые для индексации установок:

К – кислород технический газообразный;

К_Т – кислород технологический газообразный;

А_р – аргон газообразный;

А – азот газообразный;

К_ж и А_ж – кислород и азот жидкие.

Основной продукт, получаемый на установке, ставится в индексе на первое место.

Цифры показывают округленное количество основного продукта в тыс. м³/ч для газообразного и в тыс.кг/ч для жидкого продукта.

Для установок на основе базовых моделей К_Т-5, К_Т-12 и К_Т-35 в числовом индексе указывается суммарное количество технического и технологического кислорода.

Установки высокого давления

В таких установках используют циклы Линде и Клода. Основное требование – простота схемы и обслуживания. Энергетические показатели имеют второстепенное значение.

К группе малых установок относятся выпускаемые в настоящее время К-0,04, а также снятые с производства, но эксплуатируемые на заводах С-30, КГ-30, КГН-30, КГ-130, УКГС-100, УКГС-780.

В старых индексах цифры в конце обозначения указывают количество выпускаемого кислорода или азота в м³/ч^, АГ – газообразный, Н — насос, С – среднее давление.

В тех случаях, когда одновременно с кислородом требуется азот с содержанием 99,9-99,95% N₂, используемый в качестве нейтрального газа, применяют установку, работающую по циклу высокого давления с дросселированием КГ-30 (АКГ 115/18). Расход энергии 0,4-0,5 кВт×ч/м³ (N₂ О₂). Схема такой установки соответствует схеме двукратной ректификации (см. рис.29.3.).

Для получения на выходе из установки сухого сжатого кислорода применяют установку с дросселированием и насосом для жидкого кислорода (рис.30.1.).

Кислород отбирают из кармана 8, расположенного под нижней тарелкой верхней колонны. Перед поступлением в насос кислород переохлаждают отходящим азотом в переохладителе 6, что исключает возможность вскипания жидкого кислорода при всасывании в цилиндр насоса 7.

Испарение жидкого кислорода происходит в теплообменнике 1 за счет теплоты поступающего сжатого воздуха.

В этом случае отпадает необходимость в газгольдере, кислородном компрессоре и осушке кислорода. Кроме того, применение насоса исключает загрязнение кислорода, происходящее в кислородном компрессоре вследствие подсосов воздуха.

По такому принципу работают установки К-0,04 (КГН-30) и К-0,04 (КГН-30Т) – 35 м³/ч О₂. Расход энергии 1,8-2,5 кВт×ч/м³ О₂.

Установки среднего давления

Принципиальная схема такой установки представлена на рис.30.2.

Удельный расход энергии в установках среднего давления ниже, чем в установках высокого давления, т.к. в них используется более экономичный холодильный цикл с расширением воздуха в поршневом детандере.

С увеличением производительности кислородных установок потери холода через изоляцию на 1 м³ перерабатываемого воздуха уменьшаются, т.к. поверхность кожуха блока разделения растет в меньшей степени, чем количество перерабатываемого воздуха.

Для получения сжатого кислорода применяется кислородный насос.

Примеры установок: КГСН-150 (150 м³/ч О₂; 1,4 кВт×ч/м³ О₂) К-0,15 (165 м³/ч О₂; К-0,4 (230 кг/ч О₂; 1 кВт×ч/м³ О₂); А-0,6; АК-0,6.

В установках средней производительности для покрытия потерь нет необходимости сжимать воздух до высокого давления. Использовать это обстоятельство можно двояко: либо применять процесс среднего давления с детандером, уменьшая давление по мере увеличения масштабов установки, либо применять два разных давления (рис.30.3.).

В последнем случае перерабатываемый воздух разделяют на две части: воздух холодильного процесса сжимают до более высокого давления для покрытия холодопотерь, а воздух низкого давления, называемый технологическим, сжимают только до давления, необходимого для процесса ректификации.

По схеме двух давлений воздуха изготавливали установки трех модификаций:

КГ-300-М производительностью 1600 м³/ч воздуха;

КТ-1000 производительностью 6000 м³/ч воздуха;

КТ-3600 производительностью 20000 м³/ч воздуха.

Эти установки сняты с производства. Их заменили агрегатами, работающими на одном среднем (К-0,4) или низком (К-1,4) давлении. Однако на ряде станций они еще продолжают работать.

Потери в этих установках компенсируются в основном холодильным процессом воздуха высокого давления, т.к. Di_Т воздуха низкого давления очень мал. Количество воздуха высокого давления по мере роста производительности установок уменьшается примерно от 20% (КГ-300-М) до 4-5% (КТ-3600).

Расход энергии на 1 м³ О₂:

КГ-300-М — 1,2 кВт×ч/м³;

КТ-3600 — 1,0 кВт×ч/м³

В установке КГ-300-М, предназначенной для производства 300 м³/ч О₂ 99,2-99,5% О₂, в блок разделения поступает 1600 м³/ч воздуха. Уровни давлений – 0,6 МПа и 9,0 МПа (в период пуска 20,0 МПа).

После охлаждения в регенераторах воздух поступает в куб нижней ректификационной колонны блока разделения воздуха. Регенераторы представляют собой цилиндрические теплообменные аппараты, заполненные насадкой в виде дисков, навитых из тонкой алюминиевой ленты. Два азотных регенератора работают попеременно с циклом 3 мин. Вначале азот из воздухоразделительного аппарата охлаждает насадку, затем азот переключается на вторую насадку, а через первую проходит воздух низкого давления. В регенераторах воздух очищается также от влаги и двуокиси углерода.

Воздух высокого давления разделяется на 2 потока. 2/3 охлаждается в теплообменнике отходящим азотом, дросселируется в вентиле до 0,5 МПа и подается в нижнюю колонну ректификационной колонны. Остальная часть воздуха высокого давления вводится в детандер, где расширяется и охлаждается, затем вводится в основной поток воздуха низкого давления, который направляется в куб нижней колонны.

Обогащенный кислородом воздух через азотный переохладитель подается из куба на середину верхней колонны через дроссельный вентиль, в котором избыточное давление воздуха снижается до 0,04 МПа.

Жидкий азот из карманов конденсатора через переохладитель и азотный дроссельный вентиль подается для орошения верхней колонны, что улучшает процесс ректификации.

Все аппараты, работающие при низкой температуре, заключены в теплоизолирующий кожух и образуют блок разделения.

Установки низкого давления

Установки низкого давления для получения газообразного технологического кислорода обычно имеют производительность 1300-1400; 3500-6000; 7000-15000 и 25000-35000 м³/час кислорода.

В установках высокой производительности удельные холодопотери снижаются до 4-6 кДж на 1 кг воздуха. В этом случае становится возможным отказаться от воздуха высокого давления и для покрытия потерь холода использовать только воздух низкого давления Р_изб=0,5-0,6 МПа. Холод в крупных установках низкого давления получается путем расширения части воздуха низкого давления в турбодетандере, обладающем высоким к.п.д. (75-80%).

В установках низкого давления весь воздух, подаваемый турбокомпрессором, пройдя холодильник поступает под давлением в кислородные 1 и азотные 2 регенераторы блока разделения. 80% воздуха затем поступает в нижнюю колонну, а 20% отводится в турбодетандер 4 для получения холода. В турбодетандере воздух расширяется с 0,5-0,6 МПа до избыточного 0,05 МПа с производством внешней работы. При этом он охлаждается и подается в верхнюю колонну 5. Газообразный кислород из конденсатора и газообразный азот из колонны 5 отводятся в регенераторы. Затем кислород поступает в газгольдер, а азот выбрасывается в атмосферу.

Для предотвращения забивки насадок регенераторов твердой двуокисью углерода применяют различные способы. В основе лежит следующее требование: для того, чтобы осевшая на насадке твердая СО₂ могла сублимироваться и полностью удаляться обратными потоками продуктов разделения, необходимо на холодном конце регенераторов обеспечить минимальную разность температур прямого и обратного потоков газа.

Теоретически наименьшая разность температур между прямым и обратным потоками газов на холодном конце регенератора должна быть 4-5⁰С.

Наиболее часто применяют следующие способы предотвращения забивки регенераторов:

1. Отвод части воздуха из регенератора при 140-180 К (при этом в нем остается только СО₂) с последующим удалением из него СО₂ поглощением силикагелем в адсорберах (схема на нашем рисунке). Это установки АК_Т-16-2, К_ТА-33, КА_р-30.

2. Увеличение количества газов обратного потока в сравнении с количеством газов прямого потока в регенераторе (например, установка БР-1).

3. Применение воздушной или азотной тепловой петли (несбалансированного потока). Например, воздушная тепловая петля по методу «тройного» дутья, когда имеется 3-й регенератор, куда отводится часть воздуха, использована в установках К_т-12-2, К_тА-12-2, К-11-1, БР-5 и К_т-5-1.

Тепловую петлю осуществляют, отводя часть потока азота или воздуха в другой регенератор, а затем возвращая в общий поток.Расход энергии в установках низкого давления 0,4-0,6 кВт×ч/м³ О₂.

Читайте также:

В настоящее время в качестве интенсификаторов технологических процессов широко применяется кислород. При этом уменьшается удельный расход топлива, повышается качество выпускаемой продукции и степень полезного использов ания теплоты, исключаются потери ряда ценных химических элементов.

Расход кислорода в современном доменном цехе достигает 150 тыс. м³/ч, при удельном расходе 110…150 м³ на 1т. металла. Обычно для обогащения дутья кислород до 30% добавляется в воздух под давлением 5кПа. Применение кислорода при конверторном способе выплавки стали (факел проникает в расплавленный металл) увеличивает скорость выплавки стали, позволяет перерабатывать чугун с большим содержанием S и Р, уменьшается себестоимость выплавки стали, уменьшает капитальные затраты. Концентрация кислорода при этом 99,5%.

В мартене кислород используется для обогащения воздуха, поступающего для горения топлива, при этом удельный расход кислорода 10…15м³/т (при подаче в ванну) или 35м³/т (при подаче в факел). Давление кислорода при этом составляет 1,5…3,5Мпа.

В электросталеплавильном производстве использование кислорода позволяет интенсифицировать процесс плавки и получить сталь с пониженным содержанием углерода. Удельный расход кислорода при этом составляет 20м³/т при Р=1,5Мпа. Большое применение кислород получил в медицине, целлюлозно-бумажной и др. видах промышленности.

Азот – для получения химических удобрений, ацетилена, метанола, служит основным сырьем для получения аммиака. Азот применяется для азотирования поверхности стальных изделий для придания ей высокой твердости, повышения сопротивления к истиранию и усталости.

Снабжение кислородом потребителей может осуществляться двумя путями: от небольших кислородных установок на предприятиях, либо от крупных кислородных заводов, обслуживающих ряд предприятий.

Производство продуктов разделения воздуха на специализированных заводах (кислородных станциях) осуществляется с помощью современного оборудования большой мощности. Оборудование кислородного завода (кислородной станции) может располагаться как в помещении, так и на открытых площадках. В помещении располагаются, как правило, турбодетандеры, фильтры, скрубберы, насосы, влагоотделители, холодильники, испарители жидкого кислорода, лаборатории, помещения КИП, пульты управления. Блоки разделения воздуха, включающие ректификационную колонну, могут монтироваться как в помещении, так и вне его. При наружном размещении блоков разделения воздуха уменьшается объем здания на 60…70%, сокращаются затраты на строительные работы, сроки строительства и монтажа оборудования, уменьшается расход теплоты на отопление и вентиляцию. Недостатком наружного расположения блоков разделения воздуха является увеличение расхода металла на сооружение защитного кожуха.

Расчет себестоимости получения кислорода.

Себестоимость получения кислорода грн/м³

S=S₁ S₂ S₃ S₄ S₅

S₁ – энергетические затраты;

S₂ – амортизационные отчисления;

S₃ – зарплата обслуживающего персонала;

S₄ – цеховые затраты;

S₅ – общезаводские затраты.

D₁, D₂, D₃ – удельные стоимости (тарифы) электрической энергии грн/кВт ч, пара грн/т и воды грн/т;

N – расход эл. энергии за рассчитываемый интервал времени кВт/ч;

G_n – расход пара за рассчитываемый период, т;

G_B – расход воды С, т;

V – количество полученного кислорода за рассчитываемый период, м³.

H₁ – норма амортизации зданий и сооружений, %/год;

H₂ – норма амортизации оборудования, %/год;

K₁ — кап. затраты на сооружение зданий;

K₂ – кап. затраты на оборудование, с учетом стоимости монтажа, грн.

S₃=3/V – фонд зарплаты (с начислениями) за рассчитываемый период.

S₄=3Ц/V – затраты цеховые, определяются суммой зарплаты обслуживающего персонала (с начислениями), затрат на текущий ремонт оборудования и зданий, затрат на мероприятия по охране труда, грн.

S₅ – принимаются в размере 10% суммы всех прочих затрат.

При сравнении себестоимости получения кислорода на различных объектах необходимо учитывать соответствие удельных стоимостей энергии, воды, пара, а также параметров кислорода на выходе из установки (завода). При различной конечной концентрации кислорода величину S₁ необходимо умножить на коэффициент перерасчета.

В зависимости от расхода кислорода потребители разделяются на:

мелкие (до 30 м³/ч);

средние (30-150 м³/ч);

крупные (>150 м³/ч).

На мелких и средних потребителей приходится 20-25% О_2, на крупных-75-80% О₂. Мелкие и средние предприятия применяют технический кислород, в основном, для резки и сварки металлов; крупные – технический и технологический кислород и азот для процессов основного производства.

Мелких и средних потребителей снабжают районные кислородные заводы; изредка они имеют собственные кислородно-азотные установки; некоторым доставляется кислород в жидком виде, а затем газифицируется.

Для обеспечения крупных потребителей создается кислородный цех, кислородная станция с мощными воздухоразделительными установками.

При расходе до 150 м³/ч и расстоянии до 50 км баллоны перевозятся автомашинами, если расстояние больше – транспортировка баллонов по железной дороге.

Если расход кислорода более 400 м³/ч, подачу выгодно осуществлять по трубопроводу на расстояния 50-100 км, если больше – целесообразно строить установки разделения воздуха на месте потребления кислорода и азота.

В крупном цехе разделения воздуха обычно имеются следующие отделения;

1.машинное – с воздушными и кислородными компрессорами;

2.аппаратное – с воздухоразделительными аппаратами и детандерами;

3.аммиачное – с аммиачно-холодильными установками;

4.щелочное – с установками для очистки воздуха от СО₂;

5.газгольдерное или отдельный газгольдер;

6.насосное – с градирней или бассейном для охлаждения оборотной воды, 7.подаваемой в холодильники компрессоров;

8.наполнительное – с устройствами для наполнения баллонов кислородом;

9.склады для баллонов и их ремонта;

10.реципиентное;

11.очистки редких газов.

Читайте также:

Кислород и другие продукты разделения воздуха транспортируют в газообразном и жидком виде по трубам или в сосудах и баллонах. По трубопроводам жидкий кислород целесообразно транспортировать на небольшие расстояния до нескольких сотен метров. Гибкие шланги и трубопроводы при этом должны быть снабжены изоляцией (для гибких шлангов – на основе волокнистых материалов, для трубопроводов – газонаполненные или вакуумные).

Сосуды для транспортировки жидкого кислорода также должны иметь тепловую изоляцию. Хранится жидкий кислород в заводских хранилищах. Потребителям может доставляться с помощью автомобильных газифицированных установок, автомобильных танков и ж/д цистерн. Все стационарные хранилища жидкого кислорода должны быть снабжены газгольдерами для сбора испаряющегося кислорода.

Газообразный кислород может транспортироваться потребителю по трубопроводам на расстояния до нескольких десятков километров.

Транспортировка кислорода и азота в сжатом виде, в баллонах при давлении 15МПа осуществляется при небольших расходах. Трубопроводы для транспортировки продуктов разделения воздуха бывают межзаводские, межцеховые и внутренние.

Межцеховые – подземные и надземные. Надземные трубопроводы прокладываются либо по обособленным опорам, либо по стенам цехов на кронштейнах. Снаружи трубопроводы покрываются тепловой и гидроизоляцией. По категориям кислородопроводы подразделяются в зависимости от давления:

1. первая 6,4-20 МПа (применяются латунные и медные трубы)

2. вторая 25-64 МПа (стальные бесшовные)

3. третья 16-25 МПа (стальные бесшовные или стальные электросварные)

4. четвертая до 16 МПа (стальные бесшовные и электросварные)

Подземные кислородопроводы изготавливаются из стальных бесшовных труб. Для отличия транспортировки газа трубопроводы окрашиваются в определенные цвета:

· кислород – голубой

· азот – черный.

Жидкий кислород транспортируется по трубам изготовленным из меди, ее сплавов или из нержавеющей стали. Наилучшей изоляцией длительно работающих кислородопроводов является вакуум. Для кратковременно работающих кислородопроводов небольшой длины в качестве изоляционных материалов применяются пористые или волокнистые материалы (стекловолокно, пенопласт и др.). При транспортировке жидкого азота применять в качестве изоляционного покрытия органические пористые материалы недопустимо.

Внутрицеховые кислородопроводы прокладывают обычно открытым способом, либо в специальных каналах. Совместная прокладка в одном канале различных трубопроводов не разрешается. Для хранения и транспортировки кислорода и азота применяются баллоны различной емкости от 0,7 до 50 дм³, реципиенты емкостью 410 и 800 дм³ с давлением Р_изб=(6,4-20)МПа, танки и хранилища. Хранилища могут вмещать до 1000т и более жидкости. Емкость танков (транспортируемые сосуды) составляет до 30 м³. При любом виде транспортировки и хранения жидкого кислорода происходит его испарение, интенсивность которого зависит от вида изоляции и емкости устройств.

ИСКУССТВЕННЫЙ ХОЛОД

Трансформаторами тепла называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в виде тепла от источников с более низкой температурой к источникам с более высокой температурой. Такое преобразование называется в технике — повышением потенциала тепла. Для увеличения потенциала тепла необходима затрата высшей энергии любого вида: электрической, механической, химической.

Рисунок 14.1- Разнообразные установки

где Тн — температура теплоотдатчика;

Тв — температура теплоприемника;

Тос — температура окружающей среды;

И — испаритель;

К — конденсатор;

КМ — компрессор;

ДТ — детандер

Процессы уменьшения потенциала тепла обычно классифицируются в зависимости от того, каково положение температурных уровней нижнего Тн и верхнего Тв источников тепла (теплоприемников и теплоотдатчиков ) по отношению к температуре окружающей среды Тос ~ 20 °С (293 К).

В том случае, когда Тн < Тос температура теплоприемника ниже температуры окружающей среды, а Тв=Тос температура теплоотдатчика равна температуре окружающей среды процесс называется холодильным. При Тн > Тос и Тв > Тос процесс называется теплонасосным. Тн < Тос и Тв > Тос процесс называется комбинированным.

Основной целью холодильного процесса — выработка холода, т.е. отвод тепла в окружающую среду от тел, температура которых ниже температуры окружающей среды.

Основной целью теплонасосного процесса — использование тепла окружающей среды или тепла других низко — потенциальных источников, напряжения отработавшего тепла низко­го потенциала для теплоснабжения

Комбинированный процесс объединяют одновременно холодильный и теплонасосный.

Рисунок 14.2 – T-S диаграмма для процессов

В испаритель И подводится тепло низкого потенциала, который передается через поверхность нагрева рабочему агенту. Рабочий агент в испарителе копит (испаряется) при низком давлении Рн и соответствующей ему низкой температуре Тн. Пары рабочего агента всасываются из испарителя в компрессор и сжимаются им давления Рн до более высокого Рв.

Из компрессора сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор. В конденсаторе тепло отводится от рабочего агента в окружающую среду, а рабочий агент конденсируется при температуре Тв соответствующей давлению Рв.

Конденсат рабочего агента поступает из конденсатора в детандер и расширяется в нем от давления Рв до давления Рн. В процессе расширения в детандере происходит частичное испарение рабочего агента, сопровождающееся понижением температуры агента от Тв до Тн. Из де­тандера в испаритель поступает парожидкостная смесь при давлении Рн и температуре Тн. В этих установках для осуществления процесса трансформации тепла используется электрическая (механическая) энергия.

Область использования

Промышленность, транспорт, сельское хозяйство — холодильные установки, т.е. трансформаторы тепла, осуществляющие процесс переноса тепла к окружающей среде от тел температура которых меньше температуры окружающей среды Тн < Тос .

Преимущества искусственного холода:

а) возможность охлаждения до t _p << t _{окр.ср.;}

б) непрерывность процесса охлаждения;

в) возможность получения холода в любое время года, и в любом климатическом пункте.

Использование:

1) в металлургии — для интенсификации технологических процессов по средством обогашения дутья кислородом ;

2) в машиностроении — для получения кислорода и инертных газов, необходимых для резки и сварки металлов, также для обработки сталей при низких температурах, что увеличивает твердость и износоустойчивость, большую тягучесть при тонком волочении;

3) в химической промышленности — разделения газовых смесей (воздуха для получения N2 и О₂) конденсации паров, осушение газов, разделение сложных растворов, кристаллизации солей, регулирование направления и скорости реакции, хранение низкокипящих жидкостей и др.;

4) в промышленности искусственного волокна и пластмасс — для поддержания заданной температуры процесса;

5) в промышленности специального приборостроения — для создания глубокого вакуума ;

6) в газовой — для разделения газовых смесей в частности — выделения гелия ; для получения и хранения ожиженных газов ;

7) в пищевой — при заготовке и переработке скоропортящегося сырья;

8) парфюмерная — для хранения цветов и ароматических веществ;

9) медицинской и фармацевтической — при производстве лекарств, содержащих летучие вещества;

10) в медицине -для местного охлаждения при операциях, для анестезии и др. ;

11) в ж/д и автотранспорте — при перевозке скоропортящихся продуктов и ожиженных газов ;

12) в морском, речном — для замораживания рыбы и морского зверя;

13) в авиации и космонавтике — для кислородного питания людей на большой высоте и в космосе для кондиционирования, для охлаждения приборных отсеков и электронных приборов;

14) в технике водоснабжения — для опреснения морской и засоленной воды;

15) в торговой сети, общепит — хранение пищевых продуктов;

16) в производственных, общественных, жилых помещениях — для кондиционирования воздуха;

17) в энергетике — для создания различных устройств использованием сверхпроводимости -трансформаторов, генераторов, электромагнитов запоминающих элементовсчетно-решающих машин;

18) в науке — для поддержания низкой температуры объектов исследования, изучениявлияния низких температур на физические свойства различных веществ ;

19) в спортивных сооружениях — искусственные ледяные катки.

Классификация

1. По принципу работы:

— компрессорные (расширение и сжатие рабочего агента)

— сорбционные (адсорб, абсорб)

— струйные (использование кинетической энергии потока или газа)

термоэлектрические установки (полупроводниковые трансформаторы тепла)

— магнитные установки

2. По виду осуществления процесса:

— установки, работающие по замкнутому циклу, по этому процессу работают: паровые, компрессорные, абсорбционные, газовые и струйные эжекционные установки;

— установки, работающие по разомкнутому циклу, по этому процессу работают: установки для разделения и ожижения газов, для превращения газов в твердое тело (замораживание), газовые и струйные вихревые компрессорные установки

3. По характеру трансформации :

— повысительные — тепло подведенное к установке при Тн поднимается до Тв

— расщепительные — к установке подводится поток тепла среднего потенциала при температуре Тс, который в установке делится (расщепляется) на два потока тепла -низкого потенциала с t = Тн и повышенного до Тв.

Работа осуществляется за счет энергии подведенного потока среднего потенциала.

Рисунок 14.3 — Принципиальная схема расщепительной трансформации тепла

где КМ — компрессор, ДТ — детандер

К установке подводится поток газа G_c при давлении Р_с и температуре Т_с. Этот поток разделяется на две части. Одна часть потока G_н поступает в детандер (турбину) ДТ и расширяется расход G_н в нем от давления Р_с до давления Р_н. В процессе расширения температура газа понижается от Т_с до Т_н < Т_окр. Другая часть с расходом G_в поступает в компрессор КМ и сжимается в нем до давления (от Р_с до Р_в). Привод компрессора КМ осуществляется от детандера ДТ. Работают струйные вихревые установки и некоторые типы абсорбционных установок.

4. По периодичности:

— непрерывного действия;

— периодического действия.

Читайте также:

Количество воды в системе оборотного водоснабжения должно быть постоянным. Но так как потери воды неизбежны, в системе должен поддерживаться баланс по потере и восполнению воды.

Суммарные потери воды:

W_пот=W_пп W_исп W_ун W_пр.

W_пп— потери воды в производстве, утечка из системы, потери на фильтрацию в прудах — охладителях и шламонакопителях, потери с осадком и т.д. Величина W_ппможет быть определена как разность подаваемой W_пи отводимой W₀от производства воды: W_п-W₀=W_пп.

W_исп— потери на испарение при охлаждении. Величина этих потерь с достаточной точностью может быть определена по формуле:

W_исп=k₁·^∆t·W₀, где ·^∆t =t₁-t₂.

t₁-температура воды, поступающей на охладитель (пруд, брызгальный бассейн, градирня);

t₂ -температура охлажденной воды.

W0- количество воды, отводимой на охлаждение. При охлаждении в закрытых теплообменных аппаратах можно принимать W₀=W_п.

k₁— коэф. потери воды на испарение, принимается для брызгальных бассейнов и градирен в зависимости от температуры воздуха (по сухому термометру), а для прудов-охладителей и прудов-осветлителей оборотной воды в зависимости от температуры воды в водоеме (табл.7.1).

Таблица 7.1. Значения коэффициента k₁

W_ун — потери воды на унос брызг. Зависят от конструкции и размеров охладителя, а для открытых охладителей и от скорости ветра.

Потери воды на унос из охладителя оборотной воды

W_ун=k₂W₀,

где k₂— коэффициент потери воды на унос.

Брызгальные бассейны k₂=0,015-0,02

Брызгальные градирни k₂=0,005-0,01

Открытые градирни с жалюзи k₂=0,005-0,01

Вентиляторные градирни с водоуловителями k₂=0,002-0,003

Меньшие значения k₂принимают для охладителей большей производительности.

Для открытых теплообменных аппаратов оросительного типа (оросительных холодильников) добавляют потери на унос воды ветром. Величина потерь на унос воды ветром определяется по той же формуле, но с коэффициентом k₂ =0,005-0,01.

W_пр— потери воды на продувку.

В результате испарения части воды в охладителях в циркуляционной воде систем оборотного водоснабжения повышается концентрация солей. При определенной концентрации растворенные в воде соли временной жесткости (главным образом, карбонат кальция СаСО₃) могут выпадать из нее в теплообменных аппаратах, что резко снижает коэффициент теплопередачи теплообменной аппаратуры и ухудшает её эксплуатационные показатели. Для предотвращения выпадения солей жесткости производится продувка системы оборотного водоснабжения, то есть удаление из системы части циркуляционной воды сзаменой на свежую.

Расход воды на продувку определяется по формуле:

Здесь а₀— карбонатная жесткость добавочной воды;

а_m– предельно допустимая карбонатная жесткость воды в системе.

где К — коэффициент, зависящий то температуры воды и определяемый по графику. Для расчетов должна приниматься наиболее высокая температура воды в системе. С

_m

-содержание в воде свободной углекислоты, мг.

При отсутствии сведений о содержании СО₂в свежей воде а_mв системе для предварительных расчетов следует принимать:

а) для конденсаторов паровых турбин ТЭЦ-ПВС, а также для конденсаторов кислородных станций и компрессорных установок с водяными трубками малого диаметра а_m=10-12 мг·экв/кг;

б) при охлаждении деталей производственного оборудования и кладки печей посредством трубчатых холодильников а_m=12-15 мг·экв/кг;

в) при охлаждении деталей производственного оборудования и кладки печей посредством коробчатых холодильников а_m=14-16 мг·экв/кг;

г) при охлаждении доменного или конвертерного газа путем разбрызгивания в скрубберах и при свободном поливе производственного оборудования и кладки печей а_m=16-20 мг·экв/кг;

При больших значениях W_уни W_ппрасход воды на продувку W_прможет быть равным нулю. Но при высокой карбонатной жесткости добавочной воды а₀, близкой к предельно допустимой для оборотной системы, W_пррезко возрастает.

Следовательно, решение вопроса о расходе свежей воды без его увязки с вопросом о качестве добавочной воды недопустимо точно так же, как недопустимо механическое определение расхода свежей воды в процентном отношении от оборотной без указания о содержании карбонатной жесткости в добавочной воде.

Расход свежей воды W_с.в.при отсутствии продувки определяется по формуле:

при наличии продувки:

Читайте также:

При оборотном водоснабжении промышленного объекта охлаждающее устройство должно обеспечить охлаждение циркуляционной воды до температур, отвечающих оптимальным технико-экономическим показателям работы объекта.

По способу передачи теплоты от воды к воздуху охладители, применяемые в системах оборотного водоснабжения, разделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные).

В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее испарения при непосредственном контакте с воздухом.

В радиаторных охладителях охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом. Вода проходит внутри трубок радиаторов, через стенки которых происходит передача теплоты воздуху.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40°С до 30°С при температуре воздуха 25°С на 1 м³охлаждаемой воды к испарительному охлаждению должно быть подведено около 1000м³воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется, — около 5000 м³воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на:

— открытые;

— башенные;

-вентиляторные.

К открытым относятся: пруды-охладители, брызгальные бассейны, открытые градирни.

В башенных охладителях — башенных градирнях, — движение воздуха происходит в результате естественной тяги, создаваемой высокой вытяжной башней.

В вентиляторных охладителях — вентиляторных градирнях, — осуществляется принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.

Радиаторные охладители, которые называют также сухими градирнями, по способу подвода к ним воздуха могут быть:

— башенными;

— вентиляторными.

Пруды-охладители

Их применяют для охлаждения больших масс воды в основном за счет поверхностного охлаждения, поэтому эффективность прудов определяется площадью зеркала воды.

Из-за неравномерности движения потока воды в охлаждающем водоеме возникают различные застойные зоны, что не позволяет полностью использовать площадь водоема. Та часть площади водоема, которая участвует в охлаждении воды, называется активной зоной.

Отношение активной площади F_а водоема к действительной F_д называется коэффициентом K_и использования площади водоема. Этот коэффициент зависит от формы водоема, расположения водосброса, расположения водозабора и т.д. Он может иметь численные значения от 0,4 до 0,9. Самое большое значение коэффициент имеет для водоемов с правильной вытянутой формой (например, эллипс). Для увеличения активной зоны создают различные струенаправляющие и струераспределяющие сооружения.

Преимущества прудов — охладителей:

— для охлаждения воды нет необходимости создавать дополнительный напор для подъема воды и её разбрызгивания, что очень важно при больших расходах;

— отсутствие подпиточных насосов;

— средняя температура воды ниже, чем после охлаждения в градирнях и брызгальных бассейнах.

Недостатки:

— низкая тепловая нагрузка (самый существенный недостаток), которая ничем не может быть интенсифицирована. Она составляет 0,8-1,7 МДж/час (200-400 ккал/час) с 1 м²площади зеркала пруда;

— охладительный эффект зависит от наличия ветра и температуры окружающего воздуха;

— сложности в эксплуатации в связи с борьбой с цветением, зарастанием и минерализацией;

— стоимость строительства пруда превышает стоимость устройства градирни или брызгального бассейна;

— повышение уровня грунтовых вод.

Пруды-охладители целесообразно применять в тех случаях, когда потребителями воды являются мощные паротурбинные электростанции, когда электростанции или другие предприятия располагаются вблизи естественных водоемов (озер, рек, морей) и когда в районе строящихся заводов и фабрик создаются искусственные водоемы, имеющие достаточное зеркало для охлаждения.

Брызгальные бассейны

Брызгальный бассейн представляет собой искусственный или естественный водоем, над которым располагается система трубопроводов, оборудованных разбрызгивающими соплами (брызгалами). Нагретая отработавшая вода подается под напором 50-100 кН/м²к брызгалам, разбрызгивается и поступает в бассейн, из которого она вновь подается насосами к потребителям. Охлаждение воды происходит при ее разбрызгивании за счет испарения и соприкосновения капель воды с воздухом.

Брызгальные бассейны устраивают в тех случаях, когда по технологии не нужен большой перепад температур. Их удельная тепловая нагрузка колеблется в диапазоне 30-60 МДж/м²·ч (7-15тыс. ккал/м²·ч). Размеры брызгального бассейна определяются расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, которая принимается в пределах 0,8-1,2 м³/ч на 1 м². Брызгальные бассейны обеспечивают перепад температур не более 8-10°С и предельно низкую температуру охлажденной воды в летнее время на 5-7°С выше температуры воздуха по влажному термометру, то есть не ниже 30-32°С.

Преимущества брызгальных бассейнов:

— в 2-3 раза дешевле градирни;

— долговечны;

— просты в строительстве и эксплуатации;

Недостатки:

— низкий эффект охлаждения по сравнению с градирнями. Для создания температурного перепада t>10°C требуется последовательное 2-х или 3-х ступенчатое охлаждение с перекачкой больших масс воды, что неэкономично.

— значительный напор воды у сопла и потери воды на унос ветром;

— площадь в 4-5 раз больше, чем у башенных охладителей;

— наличие туманов, сырости, гололедицы требует больших строительных разрывов, что растягивает коммуникации.

Брызгальные бассейны на современных металлургических заводах не применяют, их можно встретить на старых заводах и на электростанциях с небольшим расходом воды.

Там, где необходимо в кратчайшее время соорудить охладитель воды, целесообразнее всего сделать брызгальный бассейн, который может быть целиком изготовлен из местных материалов.

Градирни

По способу подвода воздуха к градирням они разделяются на: открытые, башенные, вентиляторные, а в зависимости от типа оросительного устройства брызгальные, капельные, пленочные, комбинированные.

Подаваемая для охлаждения на градирню вода распределяется над оросителем градирни по системе лотков. на дне которых предусмотрены отверстия, через которые вода тонкими струйками падает на разбрызгивающие тарелочки. На современных градирнях используется трубчатая распределительная система с разбрызгивающими соплами. Образующиеся капли воды падают на оросительное устройство. При прохождении через оросительное устройство вода соприкасается с воздухом, продуваемым через градирню, и охлаждается. Охлажденная вода стекает в резервуар, из которого она забирается для повторного использования.

Капельный ороситель состоит из большого числа деревянных реек прямоугольного или треугольного сечения, расположенных горизонтальными ярусами. При падении капель воды с верхних реек на нижние образуются факелы мелких брызг, создающих большую поверхность соприкосновения с воздухом.

Пленочный ороситель состоит из большого числа параллельных друг другу щитов, расположенных вертикально или под малым углом (15º) к вертикали. Вода, стекая по этим щитам, образует пленку толщиной 0,3-0,5 мм. Воздух соприкасается с поверхностью пленки воды и охлаждает ее.

Применяют также оросители комбинированные капельно-пленочные.

Выбор типа оросителя для градирни определяется качеством воды, требующей охлаждения.

Пленочный ороситель рекомендуется применять для чистой воды, циркулирующей через закрытые системы. Содержание в воде даже небольшого количества примесей, особенно нефтепродуктов, препятствует созданию пленки, поэтому в этих случаях следует применять градирни с капельным оросителем.

При содержании в воде более 100 мг/л взвешенных частиц, вызывающих образование отложений на оросительных устройствах, следует применять брызгальные градирни.

Читайте также:

Теплотехническими расчетами определяют либо необходимую площадь охладительного сооружения при заданном расходе воды и требуемой конечной температуре охлажденной воды, либо конечную температуру охлажденной воды для заданной площади охладителя и заданного расхода воды.

Количество теплоты, отдаваемое атмосфере, называют тепловой нагрузкой охладителя Q

Q=c·W₀·Dt,

где с — теплоемкость воды, кДж/ч;

W₀— гидравлическая нагрузка или количество воды, поступающей на охлаждение, м³/ч;

Dt =t₁ – t₂ — температурный перепад или ширина зоны охлаждения, °С;

t₁, t₂ — температура нагретой и охлажденной воды, °С.

Отношение W₀/F_а называется удельной гидравлической нагрузкой. Здесь F_а­- активная площадь охладителя. Удельная гидравлическая нагрузка иногда называется плотностью дождя, высотой орошения или высотой дождя.

При охлаждении воды в испарительных охладителях понижение ее температуры определяется совместным действием различных по физической природе процессов:

— теплоотдача соприкосновением — перенос теплоты путем конвекции;

— поверхностное испарение воды — превращение части ее в пар и перенос пара диффузией и конвекцией.

Удельное количество теплоты q_с, переданное при теплоотдачи соприкосновением

q_с=a(t-θ), кДж/(м²·ч),

где a -коэффициент теплоотдачи, кДж/(м²·ч·°С);

t — температура поверхности воды, °С;

θ — температура воздуха, °С.

Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давление пара, содержащегося в воздухе, меньше давления насыщенного пара при температур поверхности жидкости.

Удельное количество теплоты q_и, которое теряет вода в результате испарения, определяется по формуле:

q_и=b(P_н-P_вп),

где b — коэффициент теплоотдачи испарением, кДж/(м² ·ч·Па);

Р_н— давление насыщенного пара при температуре поверхности воды, Па;

Р_вп — парциальное давление водяного пара в воздухе, Па.

Удельное количество теплоты q₀, передаваемое воздуху через водную поверхность в результате совместного действия теплоотдачи и поверхност-ного испарения, равно:

q₀=a(t-q) b(Р_н-Р_вп).

Когда t>q, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлаждение воды.

При t=q теплоотдача соприкосновением прекращается, и охлаждение воды происходит только благодаря поверхностному испарению.

При t<q вода будет охлаждаться до тех пор, пока количество теплоты, передаваемое воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством теплоты, терямой водой в результате испарения, т.е., пока не будет соблюдено равенство:

q_с q_и=0

Температура воды в этот момент достигнет того же значения, которое имеет температура охлаждающего воздуха t_з, измеренная смоченным термометром. Это значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом.

Несмотря на то, что при температуре воды t_з ее охлаждение прекратится, испарение воды и приток к ней теплоты будет продолжаться.

В действительности вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например, температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 8-14°С превышает температуру воздуха по смоченному термометру, но может оказаться ниже температуры воздуха, измеренной сухим термометром. Таким образом, при испарительном охлаждении может быть достигнута температура воды ниже, чем температура воздуха.

Температура влажного термометра зависит от состояния наружного воздуха (от температуры сухого термометра и относительной влажности). Поэтому предел охлаждения t_з также, как и действительная температура охлажденной воды t₂, изменяется как в течение суток, так и в течение года. Соответственно, изменяется и температурный перепад Dt, а это значит , что расход охлаждаемой воды при одной и той же тепловой нагрузке Q в охладителе также будет изменяться.

Чем больше температурный перепад, тем меньше нужно воды для охлаждения, но величина температурного перепада Dt зависит от температуры воды t₁, нагретой в аппаратах (величина относительно постоянная), и температуры охлажденной воды t₂, зависящей, в свою очередь, от высоты зоны охлаждения Dt.

Следовательно, высота зоны охлаждения Dt характеризует эффективность работы охладителя h_охл:

h_охл =(t₁-t₂)/(t₁-t₃).

При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды кроме теплоотдачи за счет соприкосновения и испарения происходит также теплообмен излучением. Он протекает в результате проникания солнечной лучевой энергии через открытую поверхность воды. Кроме того, как всякое нагретое тело, водная поверхность излучает теплоту (эффективное излучение).

Удельное количество теплоты, переданное воде излучением, определяется радиационным балансом R.

R=(Q_n Q_р)·n(1-a)-I, МДж/(м²·сут)

где Q_n — прямая солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

Q_р — рассеянная солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

n — общая облачность в долях единицы;

(Q_n Q_р)·n — суммарная солнечная радиация при общей облачности, МДж/(м2·сут);

а — характеристика отражательной способности воды в долях единицы;

(Q_n Q_р)·n(1-a) — поглощаемая водой суммарная радиация, МДж/(м²·сут);

I — эффективное излучение водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от температуры и влажности

воздуха, МДж/(м²·сут).

Удельное количество теплоты, передаваемое через водную поверхность открытого водоема:

q_в=q_с q_и-R.

Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испарительного охлаждения. Поэтому температура воды, охлаждаемой в открытом водоеме не может достичь температуры смоченного термометра.

Теоретическим пределом охлаждения в этом случае является естественная температура воды на поверхности водоема при установившихся метеорологических условиях, удовлетворяющая равенству:

q_с q_и-R=0

Для установившегося теплового режима применительно к метеорологическим условиям наиболее неблагоприятной для охлаждения воды декады температура охлажденной воды определяется в результате решения уравнения теплового баланса:

где c·W₀·t₁ – количество теплоты, содержащееся в охлаждаемой оборотной воде, МДж/сут;

c·W_р·t_р — количество теплоты, приносимое с речной водой, МДж/сут;

с·W₂·t₂ – количество теплоты, содержащееся в охлажденной воде;

c·W_сбр·t_сбр — количество теплоты, сбрасываемой в водохранилище, МДж/сут;

К₃ — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры воды по глубине водохранилища;

t_ср — средняя температура активной зоны пруда-охладителя, °С;

I — дополнительное эффективное излучение водной поверхности, МДж/(м²·сут);

b=0,0314·0,231(1 0,135V₂₀₀)=0,00725·(1 0,135V₂₀₀)

a=0,314·0,11(1 0,135V₂₀₀)=0,0345·(1 0,135V₂₀₀)

V₂₀₀ — скорость ветра на высоте 2м над поверхностью воды, м/с.

Определив из уравнения теплового баланса среднюю температуру воды в пределах активной зоны t_ср, можно рассчитать температуру охлажденной воды t₂ из следующего соотношения:

где t_е — естественная температура воды в пруде без учета подогрева ее теплотой, отводимой от промышленного объекта. t_е может быть принята равной температуре воды в водоемах, расположенных в том же районе.

Для упрощения теплового расчета прудов — охладителей институтом Теплопроект рекомендована номограмма (рисунок 18.1), позволяющая определить либо необходимую активную зону пруда, либо перегрев охлажденной в пруде циркуляционной воды по сравнению с естественной температурой воды (t₂-t_е) в зависимости от перепада Dt.

Рассмотрим пример.

Определить необходимую площадь пруда, если дано:

— расход циркулирующей воды W₀ = 150000 м³/сут;

— температура горячей воды t₁=40°С;

— температура охлажденной воды t₂=28°С;

— скорость ветра V₂₀₀=1,5 м/с;

— пруд проектируется в Днепропетровской области.

Значение естественной температуры в водоеме по Днепропетровской области для июля принимаем tе=22,4°С (см. табл. 31, Андоньев и др.).

Тогда температура перегрева d=t₂-t_е=28-22,4=5,6°C

Перепад температур Dt=t₁-t₂=40-28=12°C

Используем номограмму по схеме, представленной на рис.9.1 стрелками:

d®Dt®V₂₀₀®V°₂₀₀®t_宦 _уд.

По номограмме находим удельную площадь активной зоны

¦_уд =1,68 м²/(м³/сут).

Используя соотношение для удельной площади охлаждающего пруда

¦_уд=F_а/W₀, определяем площадь пруда, приняв коэффициент использования площади водоема К_и=0,8.

F_а/К_и=F_д=¦_уд·W₀/К_и=1,68·150000/0,8=202200 м²=20,16 га.

Расчет закрытых охладителей. Теоретический метод теплового расчета градирни был предложен инженером В.В. Проскуряковым. По этому методу оросительное устройство разбивается на участки сечениями, перепендикулярными направлению движения воздуха. Для каждого участка, начиная с нижнего, определяется изменение температуры воды и состояние воздуха (его температура и влажность) подсчетом количества теплоты, переданной водой воздуху соприкосновением и за счет испарения.

Если расход воздуха через градирню неизвестен, то расчет производится для нескольких значений скорости движения воздуха в оросителе. (1) Полное аэродинамическое сопротивление h градирни складывается из сопротивления входных окон для воздуха, оросительного устройства, внезапного расширения на выходе из градирни и определяется по формуле:

h=g_ср·x_г·(V²_ор/2g), Па,

где x_г — коэффициент общего аэродинамического сопротивления градирни, отнесенный к скорости движения воздуха в среднем сечении оросителя;

Vop- скорость движения воздуха в среднем сечении оросителя (без учета стеснения сечения конструкциями), м/с;

gcp- средний удельный вес воздуха в оросителе, Н/м³.

(2) Величина тяги в вентиляторных градирнях определяется характеристикой вентиляторов. Для башенных градирен величина тяги H_г определяется по формуле:

Н_г=(Н_б 0,5Н_ор)·(g₁-g₂), Па,

где Н_б — высота вытяжной башни над оросителем, м;

Н_ор — высота оросителя, м;

g₁ — удельный вес наружного воздуха, Н/м³;

g₂ — удельный вес воздуха, выходящего из градирни, Н/м³.

По результатам расчета составляют графики зависимости температуры охлажденной в градирне воды от тепловой и гидравлической нагрузок и различных метеорологических условий. После уточнения в результате испытаний аналогичных градирен эти графики используют в расчетах.

График (рисунок 18.2.) построен для определения температуры охлажденной воды на гиперболической градирне с комбинированным оросителем при температуре воздуха 25°С и его относительной влажности 54% . На рисунок 18.3. приводится вспомогательный график для внесения поправок к температуре охлажденной воды при других параметрах воздуха.

Читайте также:

Дутьевые воздухопроводы, подающие воздух от турбокомпрессоров к доменным печам, проектируют так, чтобы полная потеря давления дутья в них не превышала 0,01-0,015 МПа.

На большинстве металлургических заводов воздухопроводы проложены по универсальной схеме (рисунок 19.1), позволяющей подключать воздуходувную машину к любой из доменных печей. Основной недостаток этой схемы – большое количество коллекторов и арматуры, что удорожает сеть и снижает ее надежность.

Таблица 19.2 — Характеристика воздуходувных агрегатов

Затраты на доменное дутье составляют около 30% стоимости передела чугуна.

В секционированной схеме (рисунок 19.2) коллекторов и задвижек меньше. Здесь турбоагрегаты и доменные печи разделены на 2 группы задвижками, между которыми включена машина, резервирующая обе группы. В пределах группы любая воздуходувка может быть включена на любую доменную печь.

При блочной схеме (рисунок 19.3) осуществляется прямая связь турбокомпрессора с доменной печью. Резервный компрессор можно через коллектор-перемычку подключать к любой доменной печи.

В схеме с центральным коллектором (рисунок 19.4) и секционными задвижками основным преимуществом является возможность лучшего использования сжатого воздуха в сравнении со схемами на рис.16.1,.2., 3, так как в этих схемах заложена диспропорция между производством и потреблением сжатого воздуха.

Главным недостатком коллекторной схемы является необходимость поддерживать в коллекторе максимальное давление, дросселируя его применительно к режиму работы каждой печи. Известно, что регулирование дросселированием всегда менее выгодно, чем регулирование изменением числа оборотов, применяющимся в схеме работы по принципу «воздуходувка-печь».

19.4 Компрессорные станции

Сжатый воздух с давлением 0,6-1,0 МПа вырабатывается на центральных компрессорных станциях, оборудованных центробежными и поршневыми компрессорами.

Производительность станций, оборудованных только поршневыми компрессорами, не превышает 30-40 тыс. м³/час, поэтому современные компрессорные станции металлургических заводов оборудуют центробежными компрессорами.

Станции с поршневыми компрессорами сооружают для обслуживания отдельных цехов или небольших заводов.

Центробежные компрессоры К-250-61-1 и К-500-61-1, устанавливаемые на современных крупных станциях и имеющие производительность 250 и 530 м³/мин соответственно, отличаются от поршневых компактностью, быстроходностью, равномерностью подачи, отсутствием загрязнения воздуха маслом, удобством соединения с приводным двигателем.

В условиях металлургического завода для турбокомпрессоров используют паротурбинный привод с питанием паром от утилизационных установок.

Проектирование компрессорных станций и сетей сжатого воздуха для отдельного цеха или целого завода начинается с определения расхода сжатого воздуха отдельными потребителями, цехами и заводом в целом.

На основании этих данных производится выбор компрессоров, компоновка станции и определение всего вспомогательного оборудования.

Основные потребители сжатого воздуха на металлургическом заводе – цехи доменный, аглофабрика, мартеновский, листопрокатный, сортопрокатный, обжимной, водоснабжения.

Большое количество воздуха требуется для формовочных, дробеструйных, пескоструйных и обдувочных машин, пневмозажимов станков, пневмоинструмента, аппаратов для окраски распыливанием.

При определении расхода сжатого воздуха необходимо учитывать технологические условия работы оборудования, потребляющего сжатый воздух. Например, если строго определена последовательность или одновременность работы группы потребителей, то для них должны быть построены графики расхода воздуха, по которым выявляются как средний, так и максимально-расчетный расход. Такой метод значительно облегчает подсчет расхода воздуха в случае большого количества не связанных между собой потребителей, работающих при разных режимах.

Полученные итоговые расходы сжатого воздуха должны быть скорректированы на величину потерь. В результате неисправности воздушных сетей потери сжатого воздуха на отдельных заводах достигают 40-50%.

Основные потери – в неплотностях арматуры, фланцев, шлангов, в связи с износом пневмоинструмента.

При проектировании потери в сетях следует принимать не более 10%, потери на износ инструмента – не более 15%, всего – не более 25% от общего расхода воздуха.

Выбор компрессоров

Компрессорная установка может состоять из одного или нескольких компрессоров.

При периодическом расходе сжатого воздуха, когда есть возможность останавливать компрессор на профилактический ремонт без ущерба для производства, достаточно одного компрессора. В остальных случаях устанавливается не менее 2-х. Наибольшее число компрессоров на станции не превышает 6-8 шт.

При переменном графике нагрузок производительность компрессора определяется по минимальной нагрузке, а количество устанавливаемых компрессоров – из условия покрытия максимально-расчетной нагрузки однотипными компрессорами.

При ровном графике нагрузок единичная производительность определяется по наиболее крупному компрессору, а количество устанавливаемых компрессоров – из условия полного покрытия нагрузок по графику.

При проектировании схемы воздухоснабжения завода следует отдавать предпочтение централизованной системе, т.к. наличие нескольких компрессорных станций увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, усложняет схему межцеховых сетей.

Центральная компрессорная станция должна размещаться рядом с наиболее крупным потребителем и в центре по отношению ко всем остальным потребителям. Это условие обеспечивает короткую сеть и равномерное распределение сжатого воздуха потребителям.

Сооружение нескольких компрессорных станций оправдывается для объектов с очень большим потреблением сжатого воздуха, а также в связи с необходимостью иметь рассредоточенные источники воздухоснабжения.

При больших расходах воздуха и потребителях, значительно отличающихся по необходимому давлению (3 атм и 8 атм), выгоднее делать 2 компрессорные станции – низкого и высокого давления.

Всасывающие устройства должны выходить на север (теневая сторона), а сами станции должны быть удалены от цехов, выделяющих пыль и агрессивные газы (сероводород, окислы азота).

Компоновка оборудования

При сооружени отдельно стоящих компрессорных станций компрессоры располагают перпендикулярно к продольной оси здания (рисунок 19.5). Это позволяет иметь общий фронт обслуживания компрессоров, вдоль которых размещаются все трубные коммуникации и всасывающие устройства компрессорной станции.

Стена здания, идущего вдоль фронта, оборудуется большой площадью остекления, что обеспечивает хорошее освещение и сохранение здания при возможном взрыве. При установке нескольких компрессоров станция имеет вид прямоугольника, вдоль фронтальной стены которого в простенках между окнами (с наружной стороны) размещаются воздухосборники (ресиверы). Одна из торцевых стен граничит со вспомогательными и бытовыми помещениями, другая – стороной расширения.

Здание компрессорной станции с центробежными компрессорами двухэтажное. На втором этаже с отметкой 3,5 м располагают компрессоры, на первом промежуточные холодильники компрессоров, масляное хозяйство агрегатов и воздушных фильтров.

Запыленность всасываемого компрессорами атмосферного воздуха может изменяться в широких пределах и зависит от направления ветра, наличия источников повышенного пылевыделения. Пыль, попадая в компрессор, приводит к чрезмерному нагреву движущихся частей и быстрому износу.

Для очистки всасываемого воздуха от механических примесей на всасывающей линии устанавливают воздушные фильтры, состоящие из отдельных кассет, заполненных кольцами Рашига или набором сеток, смоченных висциновым маслом. Например, для компрессора производительностью 100 м³/мин устанавливают 16 кассет размером 500х500мм. Фильтры размещают в специальных камерах, расположенных в пристройке к главному зданию. Воздух засасывают с помощью заборных труб с высоты 4-5м.

Для уменьшения объема сжатого воздуха и освобождения его от влаги и масла, особенно при использовании поршневых компрессоров, устанавливают концевые холодильники (воздухоохладители). Кроме перечисленного, они снижают потерю напора, предотвращают загорание масла в ресиверах и их перегрев в летнее время.

Концевой воздухоохладитель (рисунок 19.6) представляет собой цилиндрический резервуар, внутри которого по трубам циркулирует охлаждающая вода. Сжатый воздух, проходя через холодильник, охлаждается, пары воды и масла конденсируются и затем отделяются в маслоотделителе в результате резкого изменения скорости воздуха и направления его движения или при фильтрации через пористую массу. В последнем случае маслоотделители периодически продувают паром или сжатым воздухом. Масловлагоотделители устанавливают как на компрессорных станциях, так и на вводе в цехи.

Воздухосборники

Воздухосборники представляют собой сосуды, состоящие из цилиндрического корпуса и двух днищ, оборудованные предохранительными клапанами, отрегулированными на давление, на 10% превышающее наибольшее рабочее. Воздухосборники следует располагать на теневой, северной стороне станции. Окрашены в серый цвет.

Большинство компрессорных станций работает в условиях переменного расхода воздуха в сети, этот расход обычно не совпадает с производительностью компрессорной станции. Регулирование производительности осуществляется переключением компрессоров на холостой ход или отключением их от сети. Для такого режима работы станции емкость воздухосборников определяют по формуле:

, м³,

где P₀ = 1 кгс/см² – давление всасывания;

Q_k-часовая производительность компрессора при условиях всасывания,

м³/ч;

T₂ — (273 100 = 373 К) – температура в воздухосборнике, принимается как предельно допустимая;

DP=1 кгс/см² – колебания давления в воздухосборнике;

z = 120 – число включений компрессора в час, принимается как предельно

возможное для наиболее неблагоприятного случая;

T₀= 273 20=293 К – температура всасываемого воздуха.

При подстановке всех значений имеем:

Сети компрессорного воздуха

Межцеховые сети сжатого воздуха обычно прокладывают по тупиковой схеме, преимущественно в земле ниже уровня промерзания грунта и не выше 0,8м от поверхности.

Надземная прокладка воздуховодов осуществляется только в особых случаях (высокие грунтовые воды, скальный грунт, снабжение воздухом не от магистрали, а от соседнего цеха).

Трубопроводы сжатого воздуха обычно прокладывают по тем же трассам, что и пара, газа, горячей воды, мазута и т.д. При этом нельзя допускать перегрева воздуха выше 180⁰С (температура вспышки паров масла).

Для удаления конденсирующейся влаги воздуховоды прокладывают с уклоном не менее 0,003 и в низких точках оборудуют дренажными устройствами. Для расчета диаметра труб межцеховой сети определяют расход сжатого воздуха на отдельных ее участках. Ориентировочно диаметр труб в зависимости от расхода воздуха определяют по справочным таблицам.

Таблица 19.3 — Рекомендации к выбору диаметра воздуховодов

Предельная скорость сжатого воздуха в трубопроводах не выше 25 м/с.

Общая потеря давления от компрессора до наиболее удаленного цеха не должна превышать 10% от рабочего давления компрессорной станции.

В магистральных воздуховодах применяют трубы диаметром не менее 50мм.

Внутрицеховые сети сжатого воздуха прокладывают по кольцевой схеме, это более надежно.

При прокладке внутрицеховых сетей обязательно предусматривают дренаж для удаления влаги и масла.

Для предотвращения попадания сконденсировавшейся влаги из цеховой магистрали, отводы потребителям присоединяют сверху или сбоку под острым углом.

Для надежного поступления воздуха к потребителям, удаленным от ввода, скорость в цеховых воздухопроводах принимают равной не более 8-12 м/с и даже 4-8 м/с для воздуховодов малых диаметров.

Во внутрицеховых сетях применяют трубы диаметром не менее 15мм.

Для потребителей с резкими колебаниями расхода, а также для удаленных цехов перед цехом устанавливают воздухосборники.

Гидравлический расчет воздухопроводов ведут по таблицам и номограммам, помещенным в справочниках.

СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Читайте также:

Что представляет собой понятие «холод»? Понятие это весьма широкое и относительное, простирающееся от глубоких минусовых температур до области высоких плюсовых температур. Можно ли назвать холодным расплавленный металл? Оказывается можно, если он используется для охлаждения ядерного реактора. Жидкие металлы (натрий, литий) как хладоагенты очень выгодны, так как на единицу своего объема за счет высокой теплоемкости отбирают от охлаждаемого объекта гораздо больше тепла, чем большинство других веществ.

В настоящее царство холода мы попадаем, спускаясь ниже температуры 273 К. Здесь окружающие нас предметы выступают в роли горячих. Все относительно, и жидкий гелий, кипящий при температуре 4,2 К, по отношению к его изотопу – жидкому гелию-3 с температурой кипения 0,3 К кажется горячим – ведь он кипит при температуре в 14 раз более высокой, чем гелий-3.

Успехи в области снижения температуры, приближения ее к абсолютному нулю, гораздо большие, чем в области повышения температуры. Наивысшая достигнутая температура равна 30 млн.К, это температура плазмы в термоядерных реакторах. Она выше комнатной в 100 тыс.раз. Наинизшая достигнутая температура близка к миллионным долям градуса по шкале Кельвина. По отношению к комнатной температуре она ниже в 100 млн.раз.

Тысячилетиями человечество удовлетворяло свои потребности в холоде льдом и снегом. И только в 80-е годы 19 века сформировались основы современных методов получения холода. Были ожижены кислород, азот, водород, метан. Дальше холодильное дело пошло стремительно. Меньше чем за сто лет создано огромное количество разновидностей холодильных установок. Разветвленная, отлаженная и производительная индустрия холода – непременное условие динамично развивающейся промышленности.

Значительное охлаждение (220-230 К) приводит к отказу от использования углеродистых сталей – при этих температурах они становятся хрупкими, — и требует перехода на цветные металлы и сплавы.

Несколько примеров:

1. Спутником нефти является попутный газ, содержащий такие ценные компоненты, как пропан и бутан, пары бензина, этан и метан. На 1 т нефти может выделяться до 500 м³ попутного газа. Его промышленная обработка требует обязательного применения холода. Путем сравнительно небольшого охлаждения и последующего сжатия попутный газ превращают в конденсат, содержащий до 80% пропана и бутана – сжиженный газ.

Более глубокое охлаждение попутного газа и крекинг-газа позволяет разложить их на составляющие (этан, пропан, бутан, водород, этилен, пропилен, бутилен, изобутан), являющиеся ценным сырьем для целого ряда синтетических продуктов и топлив.

2. Холод открывает уникальные возможности для технологов. Так, например, трубопроводы топливоподачи, смазки, подачи воздуха, имеют сложную форму изгибов. Использование холода выглядит следующим образом: заполнение трубок водой, замораживание в течение 30-50 мин. в морозильной камере, затем гибка труб и нагрев-размораживание теплым воздухом. Качество трубопроводов, изготовленных таким способом, отвечает самым жестким нормам авиационной и судостроительной промышленности.

3. При глубокой вытяжке на штампах охлаждению до 100 К подвергают те участки толстостенной детали, которые находятся под воздействием максимальных нагрузок. Охлажденные участки приобретают более высокую прочность, а вытягиваются меньше – это позволяет регулировать толщину изделия.

4. Примораживание немагнитных деталей и их обработка на станках. Это надежнее приклеивания и не оставляет никаких следов.

5. Газ, сжиженный при 111 К, перевозят в танкерах, аварии которых не представляют опасности для окружающей среды. Баки танкеров надежно теплоизолированы. Испаряющийся газ либо используется как топливо двигателей танкера, либо снова сжижается в бортовой установке и сливается в баки.

6. Объем сжиженного газа по сравнению с газом в нормальном состоянии в 600 раз меньше.

Расчеты показывают, что сжиженный газ выгодно перемещать под давлением 40-50 атм, при этом существенно снижается металлоемкость трубопровода, уменьшается расход энергии на перекачку благодаря уменьшению размеров перекачивающих насосов. Поэтому при протяженности трубопровода более 2000-2500 км, даже несмотря на необходимость строительства завода сжижения, капитальные затраты оказываются ниже, чем при организации транспортировки газообразного топлива.

На 1000 км современного газопровода высокого давления требуется около 1 млн.тонн стали. Трубопровод для сжиженного газа позволяет экономить 65% металла.

Основные физические явления, используемые для осуществления искусственного охлаждения:

1. Эффект Джоуля-Томсона

Снижение температуры газа при расширении (дросселирование) без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. Охлаждение газа в основном происходит в результате совершения работы против сил взаимодействия молекул. К.п.д. процесса порядка 10%.

2. Расширение газа с совершением внешней работы (изоэнтропное или адиабатное)

Это наиболее эффективный процесс снижения температуры, реализуемый обычно в детандерах: поршневых, турбинных и роторных машинах. Газ охлаждается в результате того, что его внутренняя энергия расходуется на совершение работы в детандере. К.п.д. процесса порядка 65-85%.

3. Эффект Ранка

Снижение температуры газа при его расширении в вихревой трубе. Если в трубу по касательной к окружности направить поток газа, то внутри образуются два вращающихся слоя. Наружный более теплый и внутренний – холодный. Установив внутри трубки кольцевую перегородку, потоки легко разделить. Явление открыто в 1931 году и по эффективности занимает среднее положение между расширение газа в дросселе и детандере. К.п.д. процесса порядка 25-40% в зависимости от конструкции вихревой трубы.

4. Испарение жидкостей

Наиболее древний способ получения пониженной температуры. Жидкость переходит в газообразное состояние, расходуя теплоту испарения, оставшаяся жидкость охлаждается.

5. Десорбция газов, поглощенных твердыми телами

Многие пористые тела с развитой поверхностью (адсорбенты) поглощают газы, причем эта способность возрастает с повышением давления. При снижении давления газ выделяется, что сопровождается отводом тепла.

6. Термоэлектрический эффект Пельтье

Открыт в 1834 г. Суть его состоит в том, что при протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников место их соединения охлаждается. Более 100 лет эффект не находил промышленного применения. В 50-х годах нашего века под руководством академика Иоффе в институте полупроводников АН СССР разработаны эффективные охлаждающие приборы, создающие перепад в 30-80⁰С. Установив несколько спаев один над другим (каскадная схема), достигают температур 153 К. Недавно предложено воздействовать на термоэлемент магнитным полем, что позволяет дополнительно понижать температуру на 13-15⁰ (магнитотермоэлектрические преобразователи) и использовать эффект Эттинсгаузена (открыт в 1877 г.), заключающийся в появлении градиента температур на поверхности проводника с током, помещенного в магнитное поле (гальваномагнитные преобразователи). Использование этих преобразователей позволяет снизить температуру почти на 200⁰.

7. Магнитно-калорический эффект размагничивания твердого тела (адиабатное размагничивание)

Впервые использован в 1933г., когда была достигнута температура 0,27 К. Суть метода в том, что парамагнетик охлаждают, например, гелием в сильном магнитном поле. Поле заставляет элементарные магнитные тела ориентироваться в одном направлении. Когда поле снимают, установленный порядок нарушается из-за естественных колебаний. На это тратится внутренняя энергия тела, что приводит к снижению температуры ниже температуры охлаждающей среды – жидкого гелия.

8. Растворение, например, гелия-3 (изотоп) в гелии-4 (обычный гелий), обеспечивающее стабильное получение температуры на уровне 0,02-0,01 К.

Итак, можно сделать вывод о том, что хладоагентами в низкотемпературной технике являются: газы, жидкости, затвердевшие вещества, электроны – свободные в металлах (электронный газ) и связанные в парамагнитных веществах. Уникальный диапазон!

Холод создается в энергетической машине-в компрессоре, если речь идет о парокомпрессорных циклах, в электрогенераторе, если имеется в виду эффект Пельтье. Охлаждение – это отвод энергии. Все перечисленные способы лишь обеспечивают реализацию отвода энергии. Источником ее является энергетическая машина.

Наиболее распространены парокомпрессорные холодильные машины с замкнутым или разомкнутым холодильным циклом. В замкнутой схеме хладоагент циркулирует по кругу, не расходуется, в разомкнутой – рабочее вещество покидает установку.

Наиболее близкой каждому из нас холодильной машиной с замкнутым циклом является домашний холодильник. Несмотря на кажущуюся простоту, в него входят почти все основные элементы любой, даже самой крупной установки. Это компрессор, конденсатор, дроссель или детандер и испаритель. Компрессор сжимает пары. Пары при повышенном давлении охлаждаются и сжижаются в конденсаторе (панель или решетка на задней стенке холодильника). Далее дроссель, где хладоагент расширяется, его температура падает. Охлажденный после дросселирования хладоагент поступает в испаритель, где выкипает, производя полезный эффект, и снова поступает на всасывание компрессора.

При охлаждении до 220-170 К (-50 -100⁰С) могут использоваться одноступенчатые холодильные машины, работающие на аммиаке, различных фреонах, пропане, бинарных или сложных смесях углеводородов, воздухе.

Для более низких температурных уровней экономически выгодно применять многоступенчатые каскадные схемы. В этом случае хладоагент верхнего температурного каскада охлаждает и конденсирует хладоагент с более низкой температурой кипения и т.д. Например, при сжижении природного газа пропан, конденсируемый окружающим воздухом, в свою очередь, конденсирует этилен, а тот – метан, который используется для ожижения продукта в последней ступени.

Вместо каскада кипящих хладоагентов может использоваться каскад детандеров. Каждый последующий из них снижает температуру хладоагента, уже охлажденного ранее. Такая схема часто применяется при сжижении водорода и гелия.

Читайте также:

Подбор оборудования станций производства холода требует данных о всех видах теплопритоков и характере их изменения во времени для каждого охлаждаемого объекта или устройства.

В установшемся состоянии в охлаждаемый объект или устройство будут проникать и возникать внутри следующие виды теплопритоков:

1. Теплоприток от окружающей среды Q₁ .

2. Теплоприток от изделий Q₂ (при их термической обработке или при совершении реакций).

3. Теплоприток с наружным воздухом Q₃ .

4. Прочие теплопритоки Q₄ от различных источников.

Сумма всех теплопритоков Q=SQ_i определяет тепловую нагрузку на холодильное оборудование.

Важнейшая особенность теплопритоков – их непостоянство во времени. Все теплопритоки изменяются во времени и в общем случае, без достаточной закономерности. Теплопритоки Q₁ и Q₃ , обусловленные влиянием наружной окружающей среды, меняются в связи с сезонными и суточными колебаниями температуры и влажности атмосферного воздуха. Величина Q₂ зависит от графика нагрузки на аппараты.

Другая особенность теплопритоков – их максимальные значения по времени, как правило, не совпадают. Поскольку при машинном охлаждении расходуется механическая энергия, которую трудно аккумулировать в большом количестве, то холодильная установка машинного охлаждения только тогда будет способна отвести все теплопритоки, когда ее мощность будет определена по самому неблагоприятному из возможных сочетаний.

При выполнении расчета теплопритоков для нескольких устройств или объектов, охлаждаемых одной холодильной машиной или несколькими, работающими параллельно, следует учитывать отличие между расчетными нагрузками на камерное (местное) оборудование и оборудование машинного отделения или на компрессор.

Под расчетной нагрузкой на камерное (местное) оборудование понимают величину теплопритоков, определяющую необходимую производительность этого оборудования и его теплопередающую поверхность.

Под расчетной нагрузкой на компрессор понимают величину теплопритоков, по которой должна быть определена необходимая холодильная мощность компрессора и другого оборудования машинного отделения.

Определим расчетную нагрузку на компрессор и камерное оборудование для двух устройств А и Б, охлаждаемых параллельно от одного компрессора (рисунок 22.1).

В любой момент времени сумма количеств теплоты, отведенной охлаждающими приборами из устройств А и Б, определяет мощность компрессора в этот момент и тепловой поток к конденсатору.

Иными словами, не может быть разницы между действительной нагрузкой на камерное оборудование и компрессор в любой момент времени. Изменение теплопритока к охлаждаемому объекту вызывает изменение количества пара холодильного агента, образующегося в охлаждающих приборах.

Суммирование действительных нагрузок на местное холодильное оборудование осуществляется объединением в компрессоре количеств пара, поступивших из охлаждающих приборов отдельных устройств, что и создает действительную нагрузку на компрессор.

Причиной появления разницы между расчетными нагрузками на камерное оборудование и компрессор является несовпадение по времени максимальных нагрузок на отдельные охлаждаемые устройства.

Из приведенных на графике зависимостей изменения во времени теплопритоков в устройства А и Б видно, что максимальные теплопритоки Q_Amax и Q_Бmax по времени не совпадают. Им соответствуют моменты времени t_А и t_Б. Сумма теплопритоков для обоих устройств в любой момент времени представляет действительную нагрузку на компрессор и на рис.19.1, б, показана линией Q_к. Естественно, что в качестве расчетной нагрузки на оборудование для устройства А следует выбрать максимальный теплоприток Q_Amax , а для устройства Б — Q_Бmax .

Расчетной же нагрузкой на компрессор следует выбрать максимальную сумму теплопритоков , соответствующую моменту времени t_к.

Из рисунка видно, что в этом случае суммарная расчетная нагрузка на оборудование охлаждаемых устройств оказалась больше, чем расчетная нагрузка на компрессор, т.е.

Если бы максимальные теплопритоки в отдельных устройствах по времени совпали, то разницы между расчетными нагрузками не было бы.

Точный учет всех особенностей теплопритоков невозможен, поэтому обычно расчет ведется в предположении стационарности теплового режима, хотя действительные условия работы холодильных установок отличаются от стационарных.

Расчетные нагрузки на компрессор, полученные при расчете теплопритоков, являются исходными для определения необходимой холодильной мощности холодильных машин при рабочих условиях. Но на пути от охлаждаемых объектов к машинному отделению имеются дополнительные теплопритоки через стенку холодных трубопроводов, аппаратов низкого давления и, кроме того, появляются потери давления.

В приближенных расчетах все эти потери учитываются коэффициентом потерь при транспортировке холода r.

Тогда расчетная мощность холодильной машины

Таким образом, в ряде случаев теплопритоки через трубопроводы могут оказаться весьма существенными и даже соизмеримыми с нагрузкой на охлаждаемые объекты. В связи с этим долю транспортных теплопритоков следует оценивать поточнее.

Таблица 22.1 — Значения r для различных потребителей

Читайте также: