Энергопотребление резервуаров и ванн

Открытые и закрытые резервуары используются во множестве технологических применений: Питательные баки котлов

Питательный бак находится в центре любой системы парогенерации. Он служит резервуаром для возвращаемого конденсата и подготовленной подпиточной воды для питания котла. Одна из причин нагрева воды заключается в снижении содержания кислорода, поступающего в котел; теоретически при 100 °C содержание кислорода составляет 0 ppm. Питательные баки котлов обычно работают при температуре от 80 °C до 90 °C. Баки горячей воды

Горячая вода требуется для многих промышленных процессов. Ее часто нагревают в простых открытых или закрытых баках, где в качестве нагревающей среды используется пар. Рабочая температура в зависимости от применения может лежать в диапазоне от 40 °C до 85 °C. Обезжиривающие ванны

Обезжиривание - это процесс удаления отложений смазки и охлаждающего масла с металлических поверхностей после механической обработки и перед окончательной сборкой изделия. В обезжиривающей ванне изделие погружается в раствор, нагреваемый змеевиками до температуры от 90 °C до 95 °C. Ванны для обработки металла

Ванны для обработки металлов, которые иногда также называют vats, используются в ряде различных процессов:

• для удаления окалины или ржавчины;
• для нанесения металлического покрытия на поверхности. Температуры обработки обычно находятся в диапазоне от 70 °C до 85 °C. Резервуары для хранения масла

Резервуары нужны для хранения масел, которые невозможно перекачивать при температуре окружающей среды, например тяжелого котельного топлива. При обычной температуре тяжелое масло очень вязкое, поэтому его необходимо нагревать до 30 °C - 40 °C, чтобы уменьшить вязкость и обеспечить перекачку. Это означает, что все резервуары хранения тяжелого масла должны оснащаться подогревом. Нагревательные резервуары, используемые в технологических отраслях

Нагревательные резервуары используются в ряде отраслей, см. таблицу 2.9.1.

Таблица 2.9.1 Отрасли, использующие нагревательные резервуары

В некоторых применениях технологическая жидкость уже достигает рабочей температуры, и единственная потребность в тепле может быть связана с потерями через твердую поверхность стенок и или через открытую поверхность жидкости.

Этот модуль посвящен расчетам, определяющим энергетические потребности резервуаров; следующие два модуля, 2.10 и 2.11, будут рассматривать, как эта энергия может подводиться. При определении тепловой потребности резервуара или ванны с технологической жидкостью суммарная потребность может включать некоторые или все из нескольких ключевых составляющих:

1. Тепло, необходимое для повышения температуры технологической жидкости от холодного состояния до рабочей температуры.
2. Тепло, необходимое для нагрева материала сосуда от холодного состояния до рабочей температуры.
3. Тепло, теряемое твердой поверхностью сосуда в атмосферу.
4. Тепло, теряемое с поверхности жидкости, открытой атмосфере.
5. Тепло, поглощаемое холодными предметами, погружаемыми в технологическую жидкость. Однако во многих применениях существенными будут только некоторые из этих составляющих. Например, в полностью закрытом хорошо изолированном резервуаре хранения масла суммарная тепловая потребность может почти полностью состоять только из тепла, необходимого для нагрева самой жидкости. Пункты 1 и 2, то есть энергия, требуемая для нагрева жидкости и материала сосуда, а также пункт 5, тепло, поглощаемое холодными изделиями, погружаемыми в технологическую жидкость, можно найти с помощью уравнения 2.6.1. Обычно исходные данные можно задать достаточно точно, поэтому расчет тепловой потребности получается прямым и точным.

Пункты 3 и 4, то есть теплопотери от поверхности сосуда и поверхности жидкости, можно определить по уравнению 2.5.3.

Однако расчеты теплопотерь намного сложнее, и обычно приходится опираться на эмпирические данные или таблицы, основанные на ряде допущений. Следовательно, расчеты теплопотерь менее точны.

Теплопотери от твердой поверхности сосуда в атмосферу Тепло передается только при наличии разности температур между поверхностью и окружающим воздухом. На рисунке 2.9.1 приведены типичные общие коэффициенты теплопередачи для передачи тепла от голых плоских стальных поверхностей к окружающему воздуху. Если дно резервуара не открыто окружающему воздуху, а лежит плоско на земле, эту составляющую потерь обычно считают пренебрежимо малой и ее можно безопасно не учитывать.

• Для 25 мм изоляции значение U следует умножать на коэффициент 0,2.
• Для 50 мм изоляции значение U следует умножать на коэффициент 0,1. Общие коэффициенты теплопередачи, приведенные на рисунке 2.9.1, относятся только к условиям "неподвижного воздуха".

Таблица 2.9.2 показывает коэффициенты, которые следует применять к этим значениям, если учитывается скорость воздуха. Однако если поверхность хорошо изолирована, скорость воздуха даже в открытых условиях вряд ли увеличит теплопотери более чем на 10%.

Таблица 2.9.2 Влияние движения воздуха на теплопередачу

Скорости менее 1 м/с можно считать защищенными условиями, 5 м/с - легким бризом, около 3 баллов по Бофорту, 10 м/с - свежим бризом, Бофорт 5, а 16 м/с - умеренным штормовым ветром, Бофорт 7.

Для резервуаров хранения масла можно использовать общие коэффициенты теплопередачи, приведенные в таблице 2.9.3.

Таблица 2.9.3 Общие коэффициенты теплопередачи для масляных резервуаров

Водяные резервуары: теплопотери с поверхности воды в атмосферу На рисунке 2.9.2 показана зависимость теплопотерь от поверхности воды от скорости воздуха и температуры поверхности. На этой диаграмме "неподвижный" воздух считается имеющим скорость 1 м/с, для наружных резервуаров в защищенном положении принимают около 4 м/с, а для наружных резервуаров в открытом положении - около 8 м/с. Диаграмма дает теплопотери в Вт/м², а не в единицах общего коэффициента теплопередачи Вт/м² °C. Это означает, что это значение нужно умножить на площадь поверхности, чтобы получить тепловой поток, поскольку разность температур воды и воздуха уже учтена. Теплопотери от поверхности воды, показанные на рисунке 2.9.2, заметно не зависят от влажности воздуха. Весь диапазон влажностей, который обычно встречается на практике, укладывается в толщину кривой. Однако график построен для температуры воздуха 15,6 °C и влажности 55%. Для других условий расчет можно выполнить через Engineering Support Centre на сайте Spirax Sarco. Чтобы определить теплопотери по графику, нужно выбрать температуру поверхности воды по верхней шкале. Затем следует провести линию вертикально вниз до жирной кривой теплопотерь.

Для внутренних резервуаров от точки пересечения следует провести горизонтальную линию к левой шкале. Для наружных резервуаров горизонтальную линию следует провести влево или вправо до пересечения с нужным положением, защищенным или открытым. Затем вертикальное опускание вниз покажет теплопотери по нижней шкале. Во многих случаях теплопотери с поверхности жидкости, вероятно, будут самой значительной составляющей. Когда это возможно, теплопотери можно ограничить, покрыв поверхность жидкости слоем полистирольных шариков, образующих изолирующее "одеяло". Любое решение по снижению теплопотерь становится еще важнее, когда резервуары расположены снаружи в открытых условиях, как показано графиком на рисунке 2.9.2.

• Резервуар не изолирован, открыт сверху и расположен на бетонном полу внутри цеха. Его размеры 3 м x 3 м x 2 м. Общая площадь поверхности резервуара = 24 м², без учета дна. Коэффициент теплопередачи от резервуара к воздуху U1 = 11 Вт/м² °C. Резервуар заполнен на 2/3 слабым кислотным раствором, cp = 3,9 кДж/кг °C, который имеет ту же плотность, что и вода, 1 000 кг/м³.
• Резервуар изготовлен из листовой малоуглеродистой стали толщиной 15 мм, плотность = 7 850 кг/м³, cp = 0,5 кДж/кг °C.
• Резервуар используется через день, при этом раствор необходимо поднять от минимальной рассматриваемой температуры окружающей среды 8 °C до 60 °C за 2 часа и затем поддерживать на этой температуре в течение дня.
• Когда резервуар прогрет до рабочей температуры, в него каждые 20 минут погружается стальное изделие массой 500 кг, не вызывая переполнения резервуара, cp = 0,5 кДж/кг °C.

Обратите внимание, что потребность в энергии в рабочем режиме, 59 кВт, значительно ниже, чем потребность в энергии при пуске, 367 кВт. Это типичная ситуация, и там, где это возможно, период пуска можно увеличить.

Это приведет к снижению максимальной скорости подвода энергии и даст преимущества в виде выравнивания нагрузки на котел и уменьшения требований к системе регулирования температуры. Для резервуаров, которые должны работать непрерывно, часто достаточно рассчитать только требования рабочего режима, то есть расчеты части 2.