Системы с высокотемпературными теплоносителями в настоящее время находят достаточно широкое распространение благодаря ряду присущих им положительных свойств:
- возможность эксплуатации при температурах жидких сред до 350 °С с давлением, близким к атмосферному;
- защищенность систем от размораживания при периодической работе зимой;
- возможность регулировки температуры и теплопроизводительности в широких пределах простыми средствами и др. [1].
Наибольший эффект достигается в системах подогрева нефтепродуктов, в технологических системах ранее работавших на пару, в судовых системах, где предлагается зимний отстой и т.п.
В качестве теплоносителей используются различные специальные жидкости, существенно различающиеся по химическому составу, имеющие разные теплофизические, экологические и иные свойства, которые обязательно необходимо иметь в виду при проектировании котлов-утилизаторов и иных элементов систем для исключения аварийных ситуаций и обеспечения требуемого ресурса.
Как пример отметим Российские теплоносители: дитолилметан (ДТМ), дифенильная смесь, минеральные масла, в том числе АМТ-300, зарубежные жидкости TEXATERM, MOBILTERM, ELICOIL;
Кремнийорганические жидкости: тетраксиленоксисилан, крезооксисилан и др. Подробно со свойствами указанных веществ можно ознакомиться в специальной литературе [2].
При проектировании котлов-утилизаторов для высокотемпературных систем с целью возможности работы на любом из указанных теплоносителей в ООО «Гидротермаль» использовался ряд конструктивных решений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию с учетом возможной пожароопасности, ядовитости жидкой и паровой фазы теплоносителей, коррозионной активности и стойкости при перегреве.
На рисунке 1 представлен котел-утилизатор АТТ.П-БДБ.В-100/25.1040 для работы на термомасле АМТ-300.
Корпус выполнен из стальных профилей, образующих силовой каркас, и стальных листов, обеспечивающих газоплотность. Разъемы уплотняются шнуром из терморасширенного графита. В центральном элементе корпуса на фланцах установлены теплопередающие сборки радиаторного типа, располагающиеся
последовательно по движению газов. На корпусе предусмотрены съемные лючки для осмотра внутреннего пространства. Имеются бобышки для установки датчиков температуры и давления, штуцеры для удаления конденсата в случае его образования на некоторых режимах.
Прочная часть корпуса изнутри покрыта теплоизоляционным материалом на основе базальтового волокна с защитой от выдувания.
Снаружи корпус котла также имеет теплоизоляцию для обеспечения безопасной температуры на поверхности. Теплопередающие сборки выполнены из параллельно установленных оребренных труб. В качестве материала труб и оребрения с учетом умеренной температуры газов (до 450 °С) применима качественная низколегированная сталь 09Г2С. Выбор обусловлен тем, что эта сталь содержит мало углерода и не склонна к окислению остаточным кислородом в продуктах сгорания двигателей. Кроме того марганец и кремний в ее составе растворен в феррите, что также способствует ее устойчивости вплоть до 450 °C.
Для работы на газах более высоких температур (до 650 °C) в качестве материала теплообменных труб используется легированная аустенитная сталь 08Х18Н10Т или ее аналоги. Для температур выше 650 °С применяется жаростойкая сталь типа 10Х17Н13М3Т и т.п.
Следует более подробно остановиться на причинах выбора радиаторной схемы теплопередающих элементов.
Во-первых благодаря этому решению удалось практически исключить наличие локальных зон перегрева теплоносителя. Конструктив проточной части котлов-утилизаторов ООО «Гидротермаль» выполнен так, чтобы минимизировать или убрать вовсе застойные зоны и повысить скорость течения теплоносителя.
Учитывается то, что вязкость высокотемпературных теплоносителей на рабочих режимах значительно выше, чем у воды. Например, кинематическая вязкость АМТ-300 при температуре 220 °С равна 0,91×10-6 м²/с, то есть в 6 раз больше, чем у воды. Как следствие, у термомасла значительно понижен коэффициент теплоотдачи, что компенсируется увеличением скорости теплоносителя.
Предотвращение образования застойных зон защищает теплоноситель от перегрева следующим образом. Дело в том, что в термомасляной зоне теплообмена естественная циркуляция, определяемая критерием Грасгофа (Gr), значительно подавлена, поскольку значение Gr падает обратно пропорционально квадрату вязкости. Из за этого в таких зонах, а это чаще всего места соединений труб с трубными решетками, термомасло не уходит из зоны нагрева и разлагаться с образованием кислот и твердых осадков. Если это явление не исключить, развивается аварийная ситуация с разрушением теплообменной поверхности и порчей термомасла.
В котлах-утилизаторах ООО «Гидротермаль» проектные скорости при умеренных плотностях тепловых потоков составляют 0,8…1,6 м/с. Для напряженных котлов-утилизаторов это может быть 2,0…2,5м/с. Дальнейшее увеличение скорости ограничивается гидравлическим сопротивлением и опасностью кавитационной эрозии.
Во-вторых, радиаторная схема с оребренными трубами позволяет значительно увеличить площадь поверхности теплообмена. Это позволяет компенсировать пониженное значение коэффициента теплоотдачи со стороны термомасла и обеспечить требуемую величину тепловой эффективности котла-утилизатора.
В-третьих, радиаторная схема с несколькими последовательно установленными теплообменными секциями позволяет приблизить тип тока теплоносителей к противотоку, что также обеспечивает некоторое увеличение тепловой эффективности.
Техническая характеристика котла-утилизатора АТТ.П-БДБ.В-1000/25.1040 приведена в таблице 1.
Табл.1 Техническая характеристика котла-утилизатора АТТ.П-БДБ.В-1000/25.1040.
| Греющий теплоноситель | Продукты сгорания природного газа среднего состава | |
| Расход | кг/ч | 12240 |
| Температура на входе | °С | 404 |
| Температура на выходе | °С | 280 |
| Аэродинамическое сопротивление котла-утилизатора | кПа | 968 |
| Нагреваемая жидкость | Жидкое ароматизированное минеральное масло АМТ-300 | |
| Расход | 25098 кг/ч | |
| Температура на входе | °C | 210 |
| Температура на выходе | °С | 240 |
| Гидравлическое сопротивление котла-утилизатора (не более) | кПа | 20 |
| Характеристика | ||
| Расчетная мощность | кВт | 480 |
| Масса котла-утилизатора без жидкости | кг | 2875 |
Для регулировки теплопроизводительности котла-утилизатора предусмотрен байпасный газоход с двумя электро-управляемыми поворотными заслонками. Регулирование выполняется автоматически по заданию блока управления заслонками. Исходные данные заносятся в блок управления с экрана оператором заранее. В блок управления с котла-утилизатора поступают данные о температурах газового и жидкого теплоносителей, давлении теплоносителей, о наличии протока жидкого теплоносителя.
При выходе хотя бы одного из параметров за пределы допустимого срабатывает защита: полностью перекрывается заслонка, подающая газы в котел-утилизатор, полностью открывается заслонка байпаса, сигнал аварийной ситуации подается на другие управляющие или аварийные блоки.
Литература:
[1] Особенности применения термомасел в судовых системах обогрева. И.И. Костылев, В.А. Петухов. - Журнал «Транспорт Российской Федерации» 2019г №6.
[2] Бажан П.И. проектирование и расчет теплообменных аппаратов /П.И. Бажан, С.Е. Исаев, О.Г. Сорокин. – Н.Новгород Изд-во «печатный дом Василия Миринова. 2017,-439с.
