導熱油爐供熱系統
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本章主要介紹有機熱載體燃氣爐供熱工藝原理，供熱系統組成及供熱管線(xiàn)的操作說(shuō)明。
第一節 預備知識
1.流體的重度和密度
流體單位體積的重量，稱(chēng)為流體的重度，以γ表示，其單位為kgf/m3。
流體單位體積的質(zhì)量，稱(chēng)為流體的密度，以ρ表示，其單位為kgf·s2/m4 或kg/m3。重度和密度的關(guān)系為：γ=ρg，流體的重度或密度，隨流體所受的壓力和溫度而變化。液體和氣體相比，液體的變化比氣體要小，其中特別是隨壓力的變化更小。
2.流體的膨脹性
在壓力不變的情況下，流體體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)，稱(chēng)為流體膨脹性。膨脹性的大小，用體積膨脹系數α來(lái)度量，它是增加一單位溫度時(shí)所引起的體積相對增大量，即：α= (1/V)·(dv/dt)，式中(dv/dt)——流體體積隨溫度的變化率。流體的α值隨溫度和壓力而變化。
3.流體的粘性
流體本身阻滯其質(zhì)點(diǎn)相對滑動(dòng)的性質(zhì)，稱(chēng)為流體的粘性。流體粘性的大小用粘度來(lái)度量。同一流體的粘度隨流體的溫度和壓力而變化。
3.1.常用的幾種流體粘度
a.動(dòng)力粘度
運動(dòng)流體相鄰流體層間，垂直于運動(dòng)方向的速度梯度為1單位時(shí)的流體內摩擦應為τ，稱(chēng)為流體的動(dòng)力粘度η。動(dòng)力粘度又稱(chēng)物理粘度或絕對粘度，常用單位為泊P(g/cm·s)、厘泊CP及kgf·s/m2
1P=100CP=0.0102kgf·s/m2
b.運動(dòng)粘度
動(dòng)力粘度η與同溫同壓下的流體密度ρ之比，稱(chēng)為流體的運動(dòng)粘度γ。
常用單位為沲St(cm2/s)、厘沲cSt或m2/s
1St=100cSt=1×10
c.恩氏粘度
一定體積的流體流出恩氏粘度計容器的時(shí)間，與標準情況下同體積的水的流出時(shí)間之比稱(chēng)為恩氏粘度°E。常用單位為秒。
3.2.流體的粘度隨著(zhù)溫度或壓力的變化而發(fā)生變化
氣體粘度隨溫度升高而增大，隨壓力增加而增大。液體粘度隨溫度升高而減小，隨壓力增加而增大。
4.層流、湍流和雷諾數
4.1.層流和湍流
從流體質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)是否紊亂出發(fā)，流動(dòng)分層流和湍流兩類(lèi)。
(1)層流 流體質(zhì)點(diǎn)間相互不混雜、層次分明、平滑的流動(dòng)、稱(chēng)為層流(片流)。
(2)湍流 流體質(zhì)點(diǎn)間相互混雜而無(wú)層次地流動(dòng)，稱(chēng)為湍流(紊流)。
4.2.雷諾數和臨界雷諾數
雷諾數Re是一個(gè)表征流體慣性力與粘性力之比的無(wú)量綱數，即
Re=(VtLt)/γ
式中 Vt——流體的特征速度，如在管流中取過(guò)流斷面上的的平均流速；
Lt——流體的特征長(cháng)度，如在管流中常取水力直徑ds，對園管內的流動(dòng)即為管子內徑d。
實(shí)用上，以下臨界雷諾數Rec來(lái)判別流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流。
當Re＞Rec時(shí)，流動(dòng)為湍流；
當Re＜Rec時(shí)，流動(dòng)為層流。
在內徑為d的園斷面管內的流動(dòng)，臨界雷諾數值Rec=Vd/γ≈2300。
5.流動(dòng)阻力
實(shí)際流動(dòng)中，流體在管內流動(dòng)或繞經(jīng)物體流動(dòng)時(shí)都存在流動(dòng)阻力，其方向與流速相反。
5.1.管流的流動(dòng)阻力
(1)發(fā)生在整個(gè)流程上，由于粘性(內摩擦力)所引起的沿程阻力。
(2)流經(jīng)局部管件時(shí)，由于旋渦和速度分布的改阻所引起的局部阻力。
5.2.繞流的流動(dòng)阻力
(1)由于粘性所引起的摩擦阻力。
(2)由于流速變形及旋渦等產(chǎn)生壓力差所引起的壓差阻力。
(3)由于氣體高速運動(dòng)而產(chǎn)生激波所引起的興波阻力。
(4)由于存在自由液面而產(chǎn)生波浪所引起的興波阻力。
(5)由于被繞流物體垂直于束流方向有限長(cháng)而產(chǎn)生下洗流所引起的誘導阻力。
(6)由于流體作非常流動(dòng)或物體在流體中作加速運動(dòng)所引起的慣性阻力。
流線(xiàn)形物體的壓差阻力遠比摩擦阻力��；而非流線(xiàn)形物體的壓差阻力遠比摩擦阻力大，有時(shí)大致可以不計摩擦阻力。
6.比熱
單位物質(zhì)(按重量或分子計)溫度升高1℃所需要的熱量稱(chēng)為比熱或熱容。
常用的比熱有三種：(1)定壓比熱Cp(恒定壓力下的比熱，也即溫度上升1℃所增加的熱焓)；(2)定容比熱Cv(恒定容積下的比熱)；(3)飽和狀態(tài)下的比熱(溫度與壓力隨蒸汽壓力的變化而變化)。定壓比熱大于定容比熱。在工業(yè)爐中主要用到的是定壓比熱和飽和狀態(tài)比熱，在低于常壓沸點(diǎn)的溫度下，兩者基本相等；但當溫度較高，尤其是接近臨界點(diǎn)時(shí)，兩者差別就很大。
7.熱傳導
物體中溫度較高部分的分子因振動(dòng)而與相鄰的分子碰撞，并將能量的一部分傳給后者，即熱能從物體一部分傳到另一部分。這種傳遞熱量的方式叫做熱傳導，簡(jiǎn)稱(chēng)導熱。
8.對流
在流體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，將熱能從一處傳到另一處的傳熱叫做對流傳熱。在對流傳熱中，亦伴隨著(zhù)流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導，但其主要原因是由于流體質(zhì)點(diǎn)位置的變動(dòng)。在化工生產(chǎn)中常遇新的對流傳熱，是將熱能由流體傳到固體壁面，或者是由固體壁面傳入周?chē)黧w的過(guò)程。
9.輻射
輻射是一種以電磁波傳播能量的現象。物體在放熱時(shí)，熱能變?yōu)檩椛淠�，以電磁波的形式發(fā)射而在空間傳播，當遇到另一物體，則或多或少地被吸收，重新又轉變?yōu)闊崮堋?span lang="EN-US">
熱傳導和對流都是靠質(zhì)點(diǎn)直接接觸傳遞熱量，而輻射傳熱不需要任何物質(zhì)做媒介。
10.加熱爐運行熱負荷計算：
加熱爐運行熱負荷就是運行時(shí)導熱油在加熱爐內吸收的熱量，也是加熱爐實(shí)際供熱量，用下列公式計算：
Q＝Vv CP（t2－t1）
公式的意義是流量為G的導熱油，溫度從t1升到t2所吸收的熱量。
式中：Q——加熱爐運行熱負荷，kJ／h；
V——導熱油體積流量m3/h；
v——進(jìn)、出口平均溫度下導熱油重度，kg／m3；
CP——進(jìn)、出口平均溫度下導熱油比熱，kJ／kg·℃；
t1、t2——進(jìn)、出口導熱油溫度，℃。
第二節 有機熱載體
以間接方式將熱能從加熱設備傳遞到用熱單元的傳熱介質(zhì)稱(chēng)為熱載體,工業(yè)上，熱載體分為有機熱載體和無(wú)機熱載體兩大類(lèi):
（1）有機熱載體分為礦物油和合成油，如合成油中的芳烴及醇醚等；導熱油是有機熱載體中的典型代表。
（2）無(wú)機熱載體分為水及水蒸汽、液態(tài)金屬、熔鹽、空氣。
1.幾種熱載體的比較
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名稱(chēng) |
使用溫度 |
傳熱性能 |
|
對材料要求 |
毒性 |
使用限制 |
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水（水蒸汽） |
100～ |
好 |
高 |
無(wú)特殊要求 |
無(wú) |
＜250℃ |
|
|
熔鹽 |
400～ |
低 |
低 |
不宜用于鋁、鎂設備 |
略有 |
＜550℃ |
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|
導熱油 |
200～ |
好 |
低 |
無(wú)特殊要求 |
無(wú) |
＜350℃ |
2. 有機熱載體--導熱油
(1)特點(diǎn)：
1) 無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)污染、無(wú)任何毒性、無(wú)致癌物、無(wú)難聞氣味。
2) 揮發(fā)性小、安全可靠，閃點(diǎn)在200℃左右，自燃點(diǎn)在500℃以上。
3) 酸度低，PH值近中性，對設備無(wú)腐蝕性。
4) 餾程高蒸發(fā)損耗�。吼s程的初始溫度高于20℃以上。使用溫度不超過(guò)最高使用溫度時(shí)，蒸發(fā)損耗低。
5) 熱穩定性好，抗氧化性強：在不高于最高使用溫度下使用，其熱分解的速度極慢，油質(zhì)相對穩定，年添加量?jì)H為5%左右。
(2)選用
導熱油的選用首先應考慮工藝溫度要求及導熱油最高允許使用溫度之間的關(guān)系，導熱油嚴禁超溫使用，因此，選擇導熱油最高允許使用溫度應比工藝需用的主流體最高工作溫度高出10℃～15℃。其次，選擇導熱油應考慮導熱油性能特點(diǎn)，包括密度、粘度、閃點(diǎn)、酸值、殘炭及餾份等，同時(shí)還應考慮溫度與導熱油的比熱、粘度、導熱系數的關(guān)系。
(3)用量的選擇：
選擇導熱油用量時(shí)，應根據供熱系統的具體情況來(lái)確定。
一般情況下，可按下面的經(jīng)驗公式來(lái)確定：
導熱油用量=1.2（A＋B＋C＋D）m3
A——加熱爐本體內的油容量，m3
B——用熱設備內的油容量，m3
C——膨脹槽內的油容量，m3
D——供熱系統管線(xiàn)內的油容量，m3
(4)導熱油失效的判別：
導熱油長(cháng)期在高溫下使用，其品質(zhì)會(huì )緩慢地發(fā)生變化，它的變化是不可逆的，在超溫條件下運行，品質(zhì)劣變加速。因此，定期對導熱油取樣分析(最長(cháng)不得超過(guò)一年)，要著(zhù)重控制和觀(guān)察分析以下幾項指標：
1) 酸值(mgKOH/g)達到0.5時(shí)應引起重視(按GB264-77方法測定)。
2) 粘度變化達到15%時(shí)應引起重視(按GB265-75方法測定)。
3) 閃點(diǎn)變化達到20%以上時(shí)應引起重視(按GB267-77方法測定)。
4) 殘炭(W%)達到1.5時(shí)應引起重視(按GB268-77方法測定)。
當分析導熱油上述指標時(shí)，不能孤立地看其中的某一項，但有兩項以上指標不合格時(shí)，該導熱油給予更換或再生。
l 嚴禁導熱油超溫使用
l 嚴禁不同品牌導熱油混用
防止高溫導熱油與空氣接觸(正常使用時(shí)膨脹槽溫度超過(guò)70℃時(shí)應引起關(guān)注)
第三節 供熱系統工作原理
一、工作原理
有機載熱體爐，是以煤、油或可燃氣體為燃料，有機熱載體為熱能的載體，利用循環(huán)泵強制液相循環(huán)，熱載體將熱能輸送給用熱設備，繼而返回加熱爐重新加熱的直流式特種工業(yè)爐，下面是有機熱載體爐供熱系統的工作原理圖：
圖1-1 注入式工作原理圖
在以上原理框圖中：有機熱載體是由循環(huán)油泵輸出，——加熱爐——熱用戶(hù)(即用熱設備)——油氣分離器——再進(jìn)入循環(huán)油泵。這是一個(gè)循環(huán)管路，原理圖中是用粗黑線(xiàn)表示出來(lái)的，這是主循環(huán)管路，在正常供熱時(shí)，有機熱載體就是沿著(zhù)這樣一個(gè)環(huán)形循環(huán)管路，不斷循環(huán)流動(dòng)，將熱能從加熱爐送到熱用戶(hù)，其他部分如膨脹槽、儲油槽、注油泵等都是不可缺少的輔助設備，正常供熱時(shí)，它們都不參與有機載熱體的循環(huán)流動(dòng)，但是它們在整個(gè)供熱管路中起著(zhù)重要作用，是不可缺少的。
第四節 有機熱載體爐爐房?jì)裙峁に嚵鞒碳安僮髡f(shuō)明
一. 加熱爐爐房?jì)裙峁に嚵鞒虉D(圖3-2)
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二.操作說(shuō)明
1.主循環(huán)回路
循環(huán)泵7a(或7b)將導熱油經(jīng)管道Y21送入加熱爐管內，經(jīng)加熱后由管道Y22送入用熱設備進(jìn)入換熱，然后經(jīng)管道Y18、油氣分離器5、Y型油過(guò)濾器6 管道Y19返回循環(huán)泵，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。
2.注油管線(xiàn)
(1)將外來(lái)導熱油注入膨脹槽：外來(lái)導熱油經(jīng)管道Y3，通過(guò)粗濾器1，齒輪注油泵2，再經(jīng)管道Y1進(jìn)入膨脹槽，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F3和F1。
(2)將外來(lái)導熱油注入儲油槽：外來(lái)導熱油經(jīng)管道Y3，通過(guò)粗濾器1，齒輪注油泵2，再經(jīng)管道Y1先進(jìn)入膨脹槽,再經(jīng)管道Y5進(jìn)入儲油槽，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F3和F1。
(3)將儲油槽內導熱油注入膨脹槽：儲油儲內的導熱油經(jīng)管道Y11,Y4，粗濾器1，齒輪注油泵2，及管道Y1進(jìn)入膨脹槽，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F4和F1。
3.溢流管線(xiàn)
無(wú)論從外界還是從儲油槽內注入膨脹槽內的導熱油，當導熱油在膨脹槽中的液位超過(guò)其溢流口時(shí)，則由溢流管Y5自動(dòng)溢流至儲油槽內。
4.排油管線(xiàn)
當更換新油或設備維修時(shí)需排放導熱油時(shí)，相應由以下各排油管線(xiàn)實(shí)現：
(1)膨脹槽內導熱油的排放：導熱油經(jīng)管道Y8通過(guò)溢流管Y5排至儲油槽內，此時(shí)需開(kāi)啟閥門(mén)F6。
(2)儲油槽內導熱油的排放：
(a)儲油槽內底部積有少量水份或雜質(zhì)，則可從管道Y12,Y9直接向外排放，此時(shí)需開(kāi)啟閥門(mén)F7。
(b)在更換導熱油時(shí)，系統中大量導熱油可先儲入儲油槽，再從儲油槽中排出。此時(shí)導熱油經(jīng)管道Y11,Y4、過(guò)濾器1，齒輪注油泵2及管道Y2進(jìn)行排放，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F4和F2。
(3)設備中導熱油的排放
(a)循環(huán)泵中的導熱油可經(jīng)管道Y10、Y4,Y3直接排放，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F8、F3。也可利用齒輪注油泵將循環(huán)泵中導熱油抽出注入相應容器中。
(b)加熱爐中導熱油可經(jīng)管道Y14、Y13及Y9直接排放，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F10和F7。
(c)用熱設備中導熱油可通過(guò)相應設備上設置的排放管道和閥門(mén)排放。
5.加熱爐總旁路循環(huán)
用熱設備用熱量發(fā)生變化或停止用熱或用熱設備發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)入用熱設備的導熱油流量會(huì )相應發(fā)生變化，或人為調整用熱設備閥門(mén)開(kāi)度以調節用熱量，或出現故障時(shí)使進(jìn)入用熱設備的導熱油減少，此時(shí)為保證加熱爐有正常工作流量，不至出現因流量減少而使導熱油在爐管內流動(dòng)過(guò)慢而結焦，則在加熱爐進(jìn)出總管道間加設總旁路管道Y23及總旁路閥門(mén)F21進(jìn)行調節。
6.排氣管線(xiàn)及輔助排氣管線(xiàn)
加熱爐在調試及運行操作中，導熱油中含有的水份(或管線(xiàn)水壓試驗時(shí)存留在系統中)或低揮發(fā)份經(jīng)油氣分離器5膨脹管Y17，通過(guò)膨脹槽和儲油槽上相應的排氣管道Y6和Y7排出。
加熱爐在調試過(guò)程中如發(fā)現系統中含有的氣體量很多，則可通過(guò)輔助排氣管道Y16及膨脹槽04來(lái)實(shí)現氣體的快速排放，此時(shí)需開(kāi)啟的閥門(mén)有F13，此時(shí)需關(guān)閉的閥門(mén)有F5，注意：打開(kāi)輔助排氣閥F13時(shí)應同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)F5，以防止導熱油從排氣管Y6中沖出。當系統中氣體量較少和加熱爐在正常工作時(shí)，應打開(kāi)閥門(mén)F5，此時(shí)閥門(mén)F13必須處于關(guān)閉狀態(tài)，以防高溫導熱油進(jìn)入膨脹槽而被氧化變質(zhì)。
7.冷油置換管線(xiàn)
在突然停電或循環(huán)泵突然出現故障時(shí)，因循環(huán)泵的停止運行使爐管內導熱油不流動(dòng)，此時(shí)爐管內導熱油因為不斷接受爐膛內燃料燃燒余熱而使溫度升高，嚴重時(shí)可使爐管內導熱油結焦，此時(shí)可開(kāi)啟冷油轉換閥門(mén)F83，將膨脹槽中的冷油靠靜壓力且經(jīng)膨脹管Y17、油氣分離器5，Y型油過(guò)濾器6、循環(huán)泵7a(或7b),進(jìn)入加熱爐內，將爐管內的熱油經(jīng)冷油轉換管Y85及管道Y12排入儲油槽。
對于燃氣加熱爐，冷油轉換的設置于否可作特定考慮。
三、Y型油過(guò)濾器在系統中的位置
Y型油過(guò)濾器是用來(lái)過(guò)濾并清除系統中(包括介質(zhì)中)的異物，以保護循環(huán)泵。過(guò)濾器在系統中的安裝位置有以下兩種形式，如圖3-3中所示。
在此就圖示中兩種系統作簡(jiǎn)單討論。圖示a中，過(guò)濾器具有自己的一個(gè)旁路，且過(guò)濾器適用對兩臺循環(huán)泵的保護，但在該管線(xiàn)中共需七只閥門(mén)。圖示b中，過(guò)濾器僅適用于一臺循環(huán)泵的保護，對另一臺循環(huán)泵不起保護作用，但在該管線(xiàn)中只需兩只閥門(mén)。從以上分析中可以得出：
圖3-3過(guò)濾器安裝位置
對于圖a所示系統：過(guò)濾器具有自己的旁路，適合兩臺循環(huán)泵，兩臺循環(huán)泵的開(kāi)啟與過(guò)濾器無(wú)關(guān)，但管線(xiàn)中所需閥門(mén)多，一次性投資較大。
對于圖b所示的系統：過(guò)濾器與一臺循環(huán)泵串聯(lián)，只適合一臺泵；循環(huán)泵的開(kāi)啟或過(guò)濾器的清洗對循環(huán)泵有影響，如出現介質(zhì)需要過(guò)濾，而此時(shí)與過(guò)濾器串聯(lián)的循環(huán)泵卻發(fā)生故障，此時(shí)該種布置就顯得不利，但該管線(xiàn)中所需閥門(mén)少，一次性投資較少。
二、常規用熱設備供熱流程
隨著(zhù)我國現代化工業(yè)的發(fā)展和節能工作的深入，有機熱載體加熱技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應用。怎樣合理、安全、經(jīng)濟地選擇供熱流程便成為人們普遍關(guān)心的課題。供熱流程應按有機熱載體的特性和用熱設備所需熱量進(jìn)行具體設計，下面介紹以導熱油為熱載體的幾種常規供熱流程。
1.基本流程
一臺加熱爐帶一臺用熱設備流程如圖3-4所示。用熱設備的溫度由溫度控制閥通過(guò)調節導熱油流量實(shí)現自動(dòng)控制。
2.多臺用熱設備流程
一臺加熱爐同時(shí)供二臺或多臺用熱設備獲得不同的溫度，也可只供其中一臺或幾臺用熱設備交替供熱，如圖3-5所示。這種流程經(jīng)濟實(shí)用，調節方便，用熱設備通過(guò)溫度控制閥調節可在各自工藝溫度下運行，主循環(huán)旁路設有壓力調節閥調節其主循環(huán)流量。
3.多回路循環(huán)供熱流程
導熱油供熱流程是為了滿(mǎn)足用熱設備用熱要求，應避免由于用熱設備的調節不合理而造成熱量的大起大落，最終影響系統的穩定運行和用熱設備的正常工作。因此對溫度有精確要求的用熱設備，在設備前應自備循環(huán)泵，組成次循環(huán)系統，用熱機熱負荷通過(guò)控制其次循環(huán)油量獲得調整。如圖3-6所示。
圖3-4基本供熱流程
圖3-5多臺用熱設備流程圖
4.加熱、冷卻流程
由于某些生產(chǎn)工藝的要求，用熱設備一階段需要用導熱油來(lái)加熱，另一階段需要用導熱油來(lái)冷卻，如圖3-7所示。
圖3-6多回路循環(huán)供熱流程圖
圖3-7加熱冷卻流程圖 http://www.kfpys.cn，常州市長(cháng)城導熱油有限公司
