Рассмотрим подводные сгорания для производства горячей воды

Теплопередача

Вот краткое изложение о том, что подводные горения, ее преимущества и недостатки, как реализовать эту технологию.

Обычно горячей воды производится в природном газе - котлы, которые имеют КПД 75-85% в лучшем случае. Несколько факторов ограничивают эту эффективность. Во-первых, чтобы избежать проблем с кислотой конденсации отходящих газов из этих косвенных котлы сохраняется выше 300 градусов F. благо дополнительные поверхности поверхность теплообмена (что требует конструкция из нержавеющей стали), чтобы восстановить больше тепла, не могут служить оправданием счет. Во-вторых, воды, производимой в результате сжигания находится в газообразном состоянии - дополнительные нажмите на теплоту сгорания. Наконец, тепло потеряли в атмосферу приводит к дальнейшему снижению эффективности несмотря на все усилия, чтобы оградить всех внешних поверхностей.

Введите подводных сгорания, сравнительно малоизвестной технологии, которые предлагает улучшить тепловой эффективности нагрев горячей воды. Один из авторов сравнению подводных сгорания продувки через соломинку в стакан с водой. Если воздух нагревается, растущие пузырьки вызовет температуру воды к увеличению (1).

Технологии

В действительности, погруженный сгорания является более сложной, чем просто дует горячий воздух через соломинку. Воздушно-топливной смеси воспламеняться в цилиндрическую камеру, которая погружается в жидкий раствор или раствор. Положительное давление эвакуирует камере жидкости, тем самым позволяя адекватного жидкого свободный объем для практически полного сгорания перед горячими выхлопными газами контакт с жидкостью.

Когда газов дойти до конца цилиндра, они образуют крошечные пузырьки, которые находятся в тесном контакте с жидкой среде. При контакте с жидкостью, разумный перенос тепла из газовых пузырьков приводит к быстрому снижению температуры газа и увеличение температуры жидкости. В то же время, выхлопных газов, насыщается парами. Как пузырьки двигаться к поверхности жидкости, горячей насыщенных паров продолжить передачу теплоты в жидкости. На поверхности блока, температуры жидкости и насыщенного выхлопных газов в пределах 10 градусов F.

"Перри Справочник инженеров-химиков" (2) описывает подводные сгорания испарителей, как "хорошо подходят для использования с сильно расширения жидкостей". В одном из приложений, подводные горения показали свою эффективность при использовании сосредоточиться либо этиленгликоля или пропиленгликоля решения после удалить лед с самолетов. Раствор выпаривали из провел состояние 10-20% масс. Концентрация выше 50%, где решение может быть использован повторно. Ранее, гликоль решения были отправлены для захоронения на стоимость для пользователя. Экономия замене и утилизации гликоля более чем компенсировать расходы на топливо для испарения раствора.

В дополнение к испарение, глубинное сгорания могут быть также использованы для разумной отопления. В одном из приложений, он используется для нагрева воды для восстановления сырой нефти из битуминозных песков. Воду можно подогреть рециркуляцией минимизировать затраты воды. В подводном сгорания, озабоченность трубки обрастания комплект устранены. Справочник Перри установки предполагает, что ограничены в регионы с низкой стоимостью топлива. В самом деле, это гораздо легче оправдать более эффективные системы отопления, когда расходы на топливо высоки (2).

Эффективность расчетов

Использование воды в качестве жидкости нагревается, предположим, температура на входе воды T ^ к югу в работе (град F), температура воды на выходе из T ^ ^ выход сабвуфера (град F), жидкости или шлама теплоемкость с ^ к югу р (млн. БТЕ / фунт * град F) и жидкости или шлама расхода Q (кг / ч). Тепло передается к решению (H ^ ^ к югу нэпа в млн. БТЕ / ч), рассчитывается (без учета объема воды проиграл в стеке) по:

где Q ^ I ^ к югу и T ^ выход сабвуфера, 1 ^ являются расход и температуру воды, взятой из первого блока и Q ^ 2 ^ к югу и T ^ выход сабвуфера, 2 ^ являются расход и температуру воды, взятой из Последнее устройство.

Некоторые из воды в насыщенных паров происходит от процесса сгорания. Для водных растворов или суспензий, дымовых газов потребует дополнительной воды из жидкой стали насыщенными. По мере увеличения температуры газа, количество водяного пара, необходимого для насыщения увеличивается поток газа экспоненциально, о чем свидетельствует психрометрической данные (см. таблицу). Водяной пар из стека представляет потерял тепла. Таким образом, общая эффективность подводных сгорания зависит от температуры уходящих газов в жидкой среде.

Например, из таблицы видно, что при увеличении температуры дымовых газов от 95 градусов F до 104 градусов F, энтальпия увеличивается с 40,5 до 54,4 БТЕ / фунт сухого воздуха, разница в 13,9 БТЕ / фунт. Тем не менее, увеличение еще на 9 градусов F до 113 градусов F переводится 18,3 А / фунт увеличилось с 54,4 до 72,7 БТЕ / фунт. Энтальпии увеличение стека изменении температуры в диапазоне 104 градусов F до 113 градусов F на 32% больше, чем от 95 градусов F до 104 градусов F, и разница увеличивается быстрее, так как температура роста (рис. 1).

Как нагретой жидкости увеличением температуры дымовых газов, температура и идет вверх. Тепло проиграл стека в основном парами воды. Например, 1 кг сухого насыщенного дымовых газов на 86 градусов F содержит 0,027 фунтов воды, а воздуха на 149 градусов F содержит 0,206 фунтов воды. Теоретический КПД (при незначительной потери тепла) одной горелки, которая нагревает воду или водный раствор 97,6% при 86 ° и F 77,4% на 149 градусов F. Эта эффективность практически не зависит от входной температуры воды.

На основании подобных расчетов, кривой эффективности может быть построена в зависимости от выхода стека температуры (рис. 2). При более низких температурах стека, эффективность системы приближается к 100%, потому что энтальпия воздуха при более высокой температуре и влажности, вносит свой вклад в общий энергетический баланс. Если общая эффективность системы будет храниться более 90%, в стеке температура должна оставаться ниже 124 градусов F. В том числе других переменных, таких как температура и влажность воздуха, количество избыточного воздуха, атмосферного давления (высоты), а также различные виды топлива, должны привести к более-точные расчеты эффективности.

Отметим также, что эффективность подводного блок горения составляет 0% примерно в 187 град С. При этой температуре, все тепло от сжигания используется для насыщения газом стека. Таким образом, 187 градусов F теоретически самая высокая температура могут быть достигнуты на подводных технологий сгорания для подачи горячей воды. В действительности, 170-180 градусов F является реально достижимым для воды.

Жидкости с низким давлением пара можно нагреть до высоких температур. Так, например, водный раствор, содержащий 30 мас. Хлорида% магния, который значительно ниже, чем давление паров воды можно нагреть выше 187 градусов F. теплота сгорания приводит к концентрации хлорида магния увеличить из-за потери воды в насыщенном дымовых газов.

При разработке системы подводного горения требует выхода жидкости при температуре выше 124 град F, блок рекуперации тепла позволит снизить температуру стек и улучшить общую эффективность. Пособие рекуперации тепла должны быть сопоставлены с капитальными затратами. Холодной воды, сначала направляются через блок рекуперации тепла, где дымовых газов из подводных системы сгорания смеси непосредственно с водой. Несколько подводных сгорания единицы, могут направлять свои дымовых газов к тому же блок регенерации тепла.

Преимущества

В дополнение к эффективности выгоды говорилось выше, подводные горения имеет ряд дополнительных преимуществ:

Это идеальное место для жидкостей, что, как правило, фол или масштаба. Осадки сточных вод могут быть нагреты без учета загрязнения трубок. Солтуотер решения могут быть сосредоточены - как вода испаряется, небольшое количество нерастворимых солей, которые, как правило, фол обменников кожухотрубный тепло в течение нескольких часов, могут выпадать в осадок. Погружные горения исключает проблем для обрастания косвенных поверхностей нагрева. Хотя цилиндрической горелкой в растворе должна быть очищена от времени, уборка гораздо легче, чем водоструйной труб.

Он работает около атмосферном давлении. Безопасность улучшились, поскольку Есть нет высокого давления.

Это требует минимального контроля. В отличие от традиционных котлов, которые часто требуют полной - время наблюдения, погруженный сгорания без особого внимания. Автоматическая регулировка температуры контроллеров можно настроить топлива и воздуха для поддержания заданной температуры. Кроме того, горелки может быть настроен для работы с максимальной нагрузкой полный рабочий день, особенно при больших объемах воды при нагревании и повышение температуры является минимальным. На шахте в Канаде, 10 горелок мощностью 13 млн. БТЕ / ч каждая предназначены для 15000 л / мин рассола с повышением температуры до 18 градусов F. Эти горелки работают на максимальной мощности. Если уменьшается поток рассола, горелки закрыты для поддержания заданной температуры.

Парниковые газы сокращается. Высшее эффективности приводит к снижению потребления топлива и низкий выброс CO2.

Недостатки и ограничения

Хотя более высокий КПД делают подводные сгорания изначально привлекательной, она не является необходимой технологии для всех приложений. Рассмотрим следующие недостатки:

Охлаждающая вода может быть необходима. Для больших горелок (более 8 млн. БТЕ / ч), охлаждающей воды может оказаться необходимым. Тепло передается охлаждающей воды может быть восстановлена, если вода может быть отправлено в бак при нагревании. Для концентрирования водных растворов, тепла, будут потеряны. Охлаждающая вода может потребовать дополнительных насосных, дополнительное потребление воды, и больше проблем с сохранением горелок (с температуры охлаждающей воды должна поддерживаться ниже определенного уровня, чтобы сохранить горелки работает). Химической и механической очистки нагревательной рубашкой может потребоваться удалить месторождений полезных ископаемых.

Отдельные рекуперации тепла оборудование может быть необходимым. Отдельные рекуперации тепла, необходимых для поддержания эффективности большей, чем 90% выше 124 градусов F. Дополнительное оборудование означает больше капиталовложений.

Максимальная температура воды 180 градусов F. Для большинства водных приложений, подводные сгорания ограничена 180 градусов F в связи с давлением паров воды. Для решений с низким давлением паров, скамейку или экспериментальных испытаний не требуется, чтобы оценить преимущества подводных сгорания.

Это не пара замены. Погружные сгорания не обязательно заменить пара, если пара используется для нагрева или испарится вода.

Погружные сжигании образуется низких значениях рН. В водных растворах низкой рН раствора создается кипящей СО2 от выхлопных газов через воду. Небольшое положительное давление в танках держит CO2 в растворе, где угольной кислоты. Однако измерения показывают, что рН быстро возвращается, что и оригинальные решения при давлении освобождены.

Вибрация контроля не требуется. Для 13,5 млн. БТЕ / ч горелка, цилиндрической камеры сгорания простирается более чем на 6 м ниже точки крепления к крышке. Вентилятор предназначен для эвакуации этого цилиндра, чтобы сгорания. Сочетание горения и создает избыточное давление волн в камере, а также общей вибрации могут быть склонны к насилию, если устройство не поддерживается. Дополнительная поддержка может потребоваться для нижней части цилиндра и верхней части. Одна установка без опор в нижней части цилиндра показал растрескивания цилиндрические стены и требует существенного ремонта.

Она не может быть использована с легковоспламеняющимися решений.

Осуществление

Если подводные сгорания, как представляется, право технология, основанная на рассмотрении указанных выше критериев, первый шаг заключается в определении тепловая нагрузка. Надо рассчитать отопление нагрузки, необходимой в процессе, и применять соответствующие эффективность найти общий тепла требуется. Экономия топлива может быть рассчитана с помощью соответствующего эффективности других технологий. В связи с недавней эскалацией стоимости природного газа, оснований для глубинного горения гораздо легче, чем это было бы несколько лет назад.

Конструкционные материалы также должны быть рассмотрены. Углеродистых и нержавеющих сталей были использованы во многих приложениях, но более коррозионно-стойких сплавов могут быть использованы. Вибрация контроля должны иметь первостепенное значение при разработке системы, особенно выше 8 млн. БТЕ / ч.

Для горелки потенциала, важным вопросом является разработка пламени длины. Если огонь слишком длинная (имеется в виду цилиндрическую камеру горелки является слишком коротким), пламя будет охлаждаться преждевременно причиной высокой проблемы CO. Рассмотреть необходимость экологических разрешений на подводные системы сжигания, а также обеспечивать достаточное время для государственных и / или федеральных утверждения.

Один дизайн для подводного горения использовать механически связаны воздушных и газовых клапанов. Системы был настроен, как и любой типичных природных газовая, где, либо газа или воздуха Расходы, приведенные приспособлены к минимуму CO и свести к минимуму избыточного кислорода в дымовом газе. Тем не менее, проблемы с этим традиционным методом является то, что, когда окружающая температура воздуха изменения или сезонно или от дня к ночи, воздух-топливной смеси будут ущемлены. Один новый дизайн подводных сгорания обеспечивает автоматическое - настройка системы для регулировки потока воздуха и газа независимо с помощью переменного перепада давления.

Для нагрева воды и большинство водных растворах, производители должны иметь соответствующий опыт работы. Однако, для испарения приложений или экзотические решения, пилотное тестирование рекомендуется свести к минимуму риски. Продавцы подводного оборудования для сжигания могут помочь данные (например, горелка отбора, управления процессами, соображения безопасности и т.д.).

Заключительные мысли

Как потребители энергии искать более эффективные методы для производства пара и тепла, погруженная сгорания может рассматриваться в качестве альтернативы пара. Более высокую эффективность часто приводят к окупаемости менее 2 лет, даже для замены существующих ниже - бойлеров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Panz, EL и JL Jachniak, "Зеленый решение для отопления Чистота, загрязненных или коррозийных растворов и суспензии", представил на горения Канада 99 - горение и глобальному изменению климата, Калгари, Альберта, Канада (28-29 мая, 1999).

2. Перри, RH, Д. Грин, ред., "Perry Справочнике инженеров-химиков," шестое издание, McGraw-Hill, New York, NY стр. 11-35 (1984).

JASON Л. Бэгли, GREAT МИНЕРАЛЫ Солт-Лейк-

JASON L Бэгли, PE, является инженером по разработке продуктов в Большое Соленое озеро минералы (765 Норт-Уэст-10500, Ogden, UT 84404, телефон: (801) 732 - 3341, факс: (801) 731-4881, E-почта: <a href="mailto:bagleyj@compassminerals.com"> <bagleyj@compassminerals.com />), где он отвечает на местах по устранению неисправностей, качества, технологии и разработка новых продуктов. Он получил степень бакалавра наук в области химического машиностроения Univ. Юта.