Тепломассообмен при глубоком охлаждении продуктов сгорания природного газа

,

ТЕПЛОМАССООБМЕН   ПРИ   ГЛУБОКОМ   ОХЛАЖДЕНИИ ПРОДУКТОВ   СГОРАНИЯ   ПРИРОДНОГО   ГАЗА

Проанализирован процесс глубокого охлаждения продуктов сгорания природного газа с конденсацией водяного пара на поверхности теплообмена. Получена зависимость относительной объемной концентрации водяного пара от температуры газов в процессе охлаждения.

Введение. Увеличение цены природного газа и ограничение его поставок (под предлогом неплатежей) делают актуальным охлаждение продуктов сгорания ниже точки росы с получением теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара, и использованием самого конденсата. Температура точки росы продуктов сгорания природного газа, уходящих из отопительных и паровых котлов, составляет обычно 50-60 °С в зависимости от коэффициента избытка воздуха в них. Известны реализованные в промышленности примеры глубокого охлаждения уходящих из котлов газов как в контактных [1], так и поверхностных [2-4] теплообменниках. В первом случае продукты сгорания уходят из теплообменника насыщенными (и даже "пересыщенными" из-за каплеуноса) водяным паром, поэтому для конденсации основной части (хотя бы 70%) содержащихся в продуктах сгорания водяных паров эти продукты необходимо охладить в контактных теплообменниках примерно до 30 °С, что нередко может оказаться экономически невыгодным и создать проблемы защиты от коррозии газоходов и дымовой трубы. Охлаждение же газов в контактном теплообменнике до 70-80 °С, как это иногда делается, приводит не к конденсации пара, а наоборот, к испарению части охлаждающей воды за счет теплоты уходящих газов.

Несколько привлекательнее ситуация выглядит при использовании поверхностных ребристых теплообменников [2-4], в которых температура стенки может быть 30 °С и ниже (в зависимости от температуры охлаждающей воды) при достаточно высокой температуре продуктов сгорания.

О применении аналогии процессов тепло- и массообмена. Влияние стефановского потока. Обычно при расчете количества конденсирующегося пара (и соответственно выделенной за счет этого теплоты) используют аналогию процессов тепло- и массообмена. Действительно, поле концентраций в процессе мае-сообмена, не осложненного теплообменом, и поле температур в процессе теплообмена, не осложненного массообменом, описываются аналогичными дифференциальными уравнениями, поскольку получаются из одинаковых по виду записей законов Фика j = -DVp и Фурье q = -λVt.

Практически совпадают и записи граничных условий на стенке для массообмена

j = β (ρ-ρ_ст)                                                                (1)

и теплообмена

q= α_конв(t-t_ст)                                                                            (2)

Но процесс массообмена при конденсации даже в изотермическом случае (например, при химическом поглощении пара на стенке) отличается от процесса теплообмена наличием стефановского потока, поскольку при конденсации пар "исчезает" на стенке. Этот процесс аналогичен теплообмену с отсосом части газа через пористую стенку [5]. При небольшом содержании водяного пара в продуктах сгорания природного газа (не более 17% по объему) влияние стефановского потока оказывается незначительным.

При совместном протекании процессов тепло- и массообмена аналогии между ними, строго говоря, нет хотя бы потому, что массовая концентрация активного вещества зависит не только от состава газа, но и от j температуры. Можно представить гипотетический случай, когда р_ст будет больше р при £_ст < t, несмотря на то, что относительное объемное содержание г активного вещества в потоке больше, чем у поверхности г_ст, т. е. поток массы направлен к поверхности. В этом случае запись в форме (1) оказывается качественно некорректной.

При совместном тепломассопереносе поток вещества следует считать пропорциональным градиенту его химического потенциала, а не массовой концентрации, но это вносит в инженерные расчеты существенные усложнения, неоправданные при слабом влиянии "перекрестных" коэффициентов (термодиффузии, диффузионной теплопроводности).

ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ГЛУБОКОМ ОХЛАЖДЕНИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Практически в неизотермических случаях вместо массовых концентраций в уравнении закона Фика j рекомендуют [6,7] использовать парциальные давления активного компонента, что для изобарных процессов эквивалентно относительным объемным концентрациям г. Тогда (1) будет иметь вид

j = β (r-r_ст)                                                                                          (1')

При г_ст « г и р_ст « р и в изотермическом случае (при Т„ = Т) формулы (1) и (1') эквивалентны, причем

β_p=β                                                                         О)