Расчет битумохранилища

Нагреватели с высокой проводимостью из стальной проволоки диаметром 5...6 мм представляют собой спираль, вставленную в асбоцементную трубу; концы проволоки пропущены через стенку трубы и закреплены (Рис. 3). Для улучшения термостатической циркуляции битума в стенке трубы просверливают или пробивают отверстия, а торцы трубы оставляют открытыми. Достоинство нагревателей с высокой проводимостью заключается в доступности материала и его низкой стоимости [2], [3].

Пластинчатые (пакетные) нагреватели (Рис. 4). Их изготовляют из листовой гофрированной жести. В стальном листе прорезают полосы, листы собирают в пакеты и изолируют деревянными рейками толщиной 40 мм и листовым асбестом. С внешней стороны пакеты закрепляют стальными уголками, через которые осуществляется растягивание полос нагревателя распорными болтами.

а) б)

Рис. 3. Спиральный нагреватель низкой проводимости (а): 1 – нихромовая ленточная спираль; 2 – клеммное соединение; 3 – абсоцементная труба. Спираль нагревательная высокой проводимости: 1 -  абсоцементная труба; 2 - клеммное соединение; 3 – горячекатаная стальная проволока.

 

Преимущество пластинчатых нагревателей — большая теплопередающая поверхность. Недостатки — трудоемкость изготовления, низкая температура нагрева битума (не выше ПО 115 °С) и длительность разогрева из-за низкой температуры нагревателей. Основные параметры нагревателя: поверхность нагрева 4 м², рабочее напряжение 50-60 В, мощность 5,5 кВт, температура на воздухе 200⁰С, масса 20 кг.

Коаксиальные (соосные) нагреватели. Коаксиальные (соосные) пакетные нагреватели состоят из отдельных элементов собранных в ряд по 40—50 шт. и соединенных последовательно (Рис. 5). Каждый элемент коаксиального нагревателя состоит из центрального горячекатаного стального стержня диаметром 12...14 мм, длиной 700 мм и наружной трубы диаметром 25,4 мм, длиной 600 мм. В нижней части стержень и труба соединены сваркой, внутреннее пространство заполнено кварцевым песком с жидким стеклом.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Пластинчатый (пакетный) нагреватель: 1 – выводная клемма; 2 – нагревательный лист; 3 – рамка каркас; 4 – стяжной болт; 5 – крайний изолятор; 6 – средний изолятор; промежуточная клемма.

 

Питание коаксиальных нагревателей производится от сварочных трансформаторов с силой тока 400...500 А. Достоинство коаксиальных нагревателей — простота, доступность, низкая стоимость и безопасность работы.  Достоинство коаксиальных нагревателей – простота, доступность, низкая стоимость и безопасность работы [2], [3].

 

Рис. 5. Батарея коаксиальных нагревателей: 1 – выводная клемма; 2 – промежуточная клемма; 3 - коаксиальный нагревательный элемент; 4 –деревянная рамка; 5 –стяжной болт; 6 –стержень нагревателя; 7 – наружная труба; 8 – изоляционная засыпка; 9 – донышко.

 

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Они представляют собой трубку из мягкой стали, реже — красной меди или латуни, внутри которой находится спираль из нихрома (Рис. 6). Пространство между спиралью и трубкой заполнено тонкомолотым электроизоляционным материалом: периклазом, кварцевым песком или электрокорундом.

Выводные концы спирали — контактные стержни имеют винтовую резьбу и помещены в фарфоровые изоляторы. При высокой надежности и долговечности ТЭНы имеют малую мощность и относительно высокую стоимость на единицу мощности. Для разогрева вязких нефтепродуктов и битума удельная мощность передачи энергии поверхностью трубки составляет 2,5...2,8 Вт/см², а предельно допустимая удельная мощность — 3,0 Вт/см².

Инфракрасные нагреватели (Рис. 7). Разогрев битума при помощи излучателей инфракрасных лучей (длина волны 0,76...750 мкм) находится еще на стадии эксперимента. Источники инфракрасных излучений разнообразны. Их разделяют на четыре типа: генерирующие тепловые лучи (нихромовые спирали или керамические стержни с металлическими рефлекторами, электрические лампы - теплоизлучатели и лампы накаливания); генерирующие инфракрасные лучи при прохождении тока через газ или пары металла; смешанного типа (электрические дуговые лампы); генерирующие тепловые лучи при нагреве излучателя от сжигания газа.

 

Рис. 6. Трубчатый электронагреватель: 1 – изолятор; 2 – выводной стержень; 3 – корпус; 4 – нихромовая спираль; 5,6 – клеймные гайки.

 

 

Рис. 7. инфракрасный теплоизлучатель: 1 – отражатель; 2 – нихромовая спираль; 3 – огнеупорное основание; 4 – кронштейн для крепления; 5 – клеммная коробка.

 

Для разогрева битума применяют источники только первого типа. Наибольшей надежностью и меньшей стоимостью обладают излучатели с открытой спиралью и металлическим отражателем. Тепло инфракрасного излучателя передается битуму через металлическую поверхность теплообменника, которая должна составлять 12... 15 м² на 1 т/ч производительности битуморазогревателя.

Недостатки системы разогрева битума инфракрасными лучами состоят в высокой стоимости нагревателей и трудоемкости их монтажа (при большом числе маломощных излучателей), больших габаритных размерах и необходимости строгого контроля за режимом нагрева во избежание перегрева битума [2], [3].

Оценивая конструкции и особенности эксплуатации электронагревателей битума, необходимо отметить их низкую экономичность. 1 кВт-ч электроэнергии при стоимости 2 коп. и КПД использования энергии 0,9 дает полезной энергии 3600 х 0,9 = 3240 кДж, или около 1600 кДж/коп., а 1 кг мазута при стоимости менее 4 коп. и КПД использования энергии даже 0,4 дает полезной энергии 45 000 X 0,4 = 18 000 кДж, или 4500 кДж на 1 коп. стоимости энергии.

Таким образом, затраты на энергию при электрическом нагреве битума в 2,5—4 раза больше затрат на огневой нагрев. При большой производительности затраты на электроэнергию будут очень велики. По этой причине в передвижных цистернах электронагреватели используют только для поддержания рабочей температуры битума.

Классификация нагревателей по конструкционным особенностям:

• встроенные в битумохрапилище (система огневого нагрева);
• погружные (нагревательно-переакчивающий агрегат Д-592).

 

2. Физико-химические основы процесса горения

 

1. Реакции горения

 

Горение называют протекающую сравнительно быстро во времени химическую реакцию  соединения горючих компонентов  с кислородом, сопровождающуюся интенсивным  выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

 

С_mH_n +(m+n/4)O₂ = mCO₂ + (n/2)H₂O +Q                                     (1)

 

где m, n – число атомов углерода и водорода в молекуле; Q – тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Тепловым эффектом, или теплотой сгорания Q, называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м³ газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания включает в себя теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных аров в процессе горения. Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, т.е. без учета теплоты конденсации водяных паров, составляющей около 2400 кДж/кг [1].

Высшая (и низшая) теплота сгорания газов, состоящая из нескольких компонентов,

 

Q = r₁Q₁ + r₂Q₂ + … + r_nQ_n                                                  (2)

 

где r₁,r₂,…,r_n –объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁,Q₂,…,Q_n – теплоты сгорания компонентов.

Процесс горения протекает несравненно  сложнее, чем по формуле (1), так как  наряду с разветвлением цепей  происходит их обрыв за счет  образования  промежуточных стабильных соединений. Эти соединения в зоне высоких  температур претерпевают дальнейшие стадийные преобразования, приводящие при наличии кислорода к образованию конечных продуктов: водяного пара H2O и диоксида углерода CO2. При общем или местном недостатке окислителя или при вынужденном охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и совместно с продуктами завершенного горения попадать в окружающую среду.

Интенсивность выделения теплоты  и рост температуры в течение  реакции горения в свою очередь  приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная всем осуществляемым на практике процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва. Под этим следует понимать, что сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

По закону действующих масс скорость любой химической реакции в гомогенной (однородной) смеси пропорциональна  произведению концентраций реагирующих веществ. Для необратимой бимолекулярной реакции эта скорость

 

ω = C₁C₂                                                                       (3)

 

где C₁ и С₂ –концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м3; – константа скорости реакции, зависящая от природу реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих  веществ можно условно считать  неизменными, так как в зоне горения  происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса)

 

                                                                 (4)

 

где – предэкспоненциальный множитель, принимаемый для стехиометрических гомогенных смесей, ≈1,00; E – энергия активации, кДж/кмоль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг∙К); Т – абсолютная температура, К(⁰С); e – основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель  можно трактовать как константу, характеризующую полноиу столкновения млекул, а энергию активации Е – как минимальную энергию, необходимую для разрыва существующих связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Эта энергия для распространенных в технике горючих смесей укладывается в пределы (80÷150)∙10³ кДж/кмоль. Уравнение (4) показывает, сто скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры. Например, при повышении температуры с 500 до 1000 К скорость реакции горения возрастает в зависимости от энергии активации в 2∙10⁴ – 5∙10⁸ раз.

Скорость реакций горения обусловлена  также их разветвленным, цепным, характером. Эти реакции протекают через  промежуточные химические активные частицы – атомы и радикалы, генерируемые самой реакцией, легко  вступающие в соединения с исходными веществами и между собой, приводящие к образованию конечных продуктов и новых активных частиц, способных повторять ту же цепь реакций. Нарастающее самопроизвольное генерирование таких частиц приводит к разгону химических реакций и воспринимается как взрыв всей смеси.

Наиболее простой и изученной  из разветвленных реакций является реакция взаимодействия водорода с  кислородом зарождение цепи при этом связано с образованием атомарного водорода, возникающего, например, при  столкновении молекул с накаленным телом – электрическая искра, пламя:

 

Н₂ + М → Н + Н + М                                                           

 

Дальнейшее протекание цепной реакции  характеризуется схемой:

      

Итог единичного цикла:

 

Н + 3Н₂ + О₂ → 2Н₂О + 3Н                                             

 

Схема и итог единичного цикла показывают, что вступление в реакцию одного атома водорода приводит к образованию  двух молекул водяного пара и трех атомов водорода, каждый их которых  может либо дать начало новой серии превращений, либо рекомбинироваться в стабильную молекулу Н + Н = Н₂, замедляющую разветвление цепи.

Механизм взаимодействия оксида углерода с кислородом несколько сложнее  и связан с  сопутствующими, протекающими параллельно реакциями. Объясняется это тем, что сухая смесь оксида углерода с кислородом не реагирует до температуры 700 ⁰С, а выше ее протекает медленная гетерогенная (неоднородная) реакция по всему объему только при наличии в горючей смеси некоторого количества водяного пара:

 

Н₂О → ОН + Н

СО +ОН →  СО₂ + Н

Н + О₂ → ОН + О

СО + ОН →  СО₂ + Н

СО + О  → СО₂

Н + О₂ → ОН + О и т.д.

 

Механизм высокотемпературного горения  углеводородов имеет еще более  сложный цепной характер и связан с образованием активных частиц в  виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. Самое схематичное представление о стадийном окислении простейшего углеводорода метана дают следующие реакции:

 

1. Н + О₂  → ОН + О

СН₄ + ОН → СН₃ + Н₂О

СН₄ + О → СН₂ + Н₂О

2. СН₃ + О₂ → НСНО + О

СН₂ + О₂ → НСНО + Н₂О

3. НСНО + ОН →  НСО + Н₂О

НСНО + О →  СО + Н₂О

НСО + О₂ → СО + О + ОН

4. СО + О → СО₂