Почему из трубы идет дым?
Ответ кажется очевидным: потому, что печь топят, и в ней горит топливо. В нашем сознании эти вещи неразделимы: если печь топят углем, это всегда означает грязь и специфический угольный запах. Все это мы наблюдаем при отоплении частного дома, либо видим как «валит дым» из трубы котельной, которая отапливает поселок или город, особенно в безветренную погоду.
Оказывается, все не так просто: если топливо сжечь полностью, то из трубы будет идти прозрачный воздух и углекислый газ, а в холодное время мы будем видеть водяной пар (туман). А тот дым, который мы видим,— это несгоревшая газовая фаза топлива.
Возникает вопрос: откуда вообще берется эта газовая фаза? Если топить газом, то все понятно, но ведь уголь и дрова твердые? И почему эта таинственная газовая фаза сгорает не полностью?
Горящий газ — пламя, которое мы видим!
Чтобы понять это, рассмотрим процесс горения.
Итак, мы зажгли спичку. Если ее погасить, мы увидим, как от нее пойдет белый дымок. Это испаряются входящие в ее состав летучие вещества. Если нагревать древесину достаточно сильно, она на три четверти превратится в газ, тот самый беловатый газ, который мы на секунду увидели при тушении спички, а в остатке мы получим древесный уголь. При температуре около 200–300ºС, этот газ загорится. Горящий газ и есть пламя, которое мы видим.
Если температура в котле мала — происходит неполное сжигание газов!
Если нагревать дрова без доступа кислорода, мы превратим их в газ, который потом сжигается в горелке, так работает пиролизный котел. Во время войны на дровах работали даже автомобили.
Если температура в котле мала или в ней недостаточно кислорода, происходит неполное сгорание газов, и мы видим выходящий из трубы дым.
Похожим образом горит и уголь, ведь их состав очень похож: уголь — это та же древесина, за миллионы лет превратившаяся в камень. Но есть и отличия. В угле больше нелетучего углерода, есть негорючие минеральные добавки (зола), зато летучих веществ меньше: в буром угле их около 50%, в каменном 20–40%, а в антраците около 5%.
Газы просто улетают в трубу, вместо того чтобы обогревать!
Вспомним, как топят обычную деревенскую печь. На колосники в топку кладут немного дров и зажигают их. Когда дрова разгорелись, начинают засыпать уголь: сначала немного, а потом, когда первая порция разгорится, засыпают основную порцию угля.
В момент розжига дров и угля идет дым: температура в этот момент еще недостаточна для полного сгорания. Когда засыпали основную порцию угля, горящий нижний слой нагревает верхние слои, из них активно выделяется газовая фаза, но для ее сгорания недостаточно ни температуры, ни кислорода, так как колосники плотно закрыты углем, а воздух подается снизу через колосники и весь кислород расходуется в нижнем слое. Газы, вместо того, чтобы сгорать и обогревать наш дом, просто улетают в трубу. Так топится деревенская печь.
Производители стремятся сделать дешёвый и долговечный котел
Посмотрим, что происходит в «современных» угольных котлах с верхней загрузкой. Производители котлов стремятся сделать хороший котел, сделать его дешевым и долговечным, поэтому стенки котла, где происходит горение, делают водоохлаждаемыми. То есть, котел одновременно является и частью теплообменника и не прогорает, так как температура стенок котла равна температуры воды в котле (около 80ºС).
Для того чтобы котел работал с высоким КПД (около 95%), необходимо в топку подавать строго выверенное количество кислорода: не больше и не меньше.
Если подать меньше, не будет полного сгорания; если больше, лишний воздух просто нагреется и уйдет в трубу, унося тепло и снижая КПД. Количество воздуха должно быть пропорционально количеству выделившихся газов.
В большинстве отопительных котлов нет механизмов контроля за правильностью процесса горения. Автоматика отслеживает температуру и пытается ее регулировать, меняя подачу воздуха. Когда температура в котле повышается, выделяется больше газов. Для их полного сгорания нужно больше кислорода, но автоматика как раз снижает поддув, чтобы уменьшить интенсивность горения. В итоге выделившиеся газы улетают несгоревшими.
Даже если кислорода достаточно, это еще не означает, что вся газовая фаза сгорит полностью: нужна еще высокая температура на всем пути горения, а он составляет более 1 метра. В существующих же котлах уже через 20–40 см газы ударяются о холодные стенки котла. Обтекая холодные стенки теплообменника, они частично гаснут и уносятся в трубу. Мы сами не дали им полностью сгореть, в итоге не только получили грязный дым, но и пустили «в трубу» часть угля.
Искры оседают на теплообменнике в виде сажи
Второй продукт неполного сгорания — сажа. Во время горения комочки угля раскаляются, и в них происходят микровзрывы и отстрел искр; то же самое мы видим когда горят хвойные дрова. Искра — это мельчайшая частичка угля, в основном углерод и зола. Углерод горит при температуре более 800ºС. Ударяясь о водоохлаждаемые стенки, эти частички сразу гаснут и оседают на теплообменнике в виде сажи.
Исправить дело можно: для этого нужно разнести процесс горения и теплообмена, дать углю время сгореть полностью. Этот принцип, например, реализован в Термороботе — автоматическом угольном котле. В котле Терморобот есть дожигатель — длинный раскаленный канал, в который подается нужное количество воздуха. Этим объясняется его высокий КПД и чистота выходящих газов: полностью сгоревший уголь — это невидимый и безвредный углекислый газ, водяной пар и другие продукты полного сгорания.
Решение не дешевое: такой котел — это более 600 килограмм специальных жаростойких материалов. Конечно, он стоит гораздо дороже прочих твердотопливных котлов отопления, но если этого не сделать, из трубы будет идти дым, а топливо сгорать не полностью.
Таким образом, проблема дыма кроется не в угле, а в способе его сжигания. Терморобот — это новый шаг в технологии угольных котельных. Он способен изменить сложившиеся стереотипы и показать каждому человеку, что угольное отопление — это удобно, дешево и экологически чисто.
Что на самом деле выходит из труб ТЭЦ
Многие видели большие конусные трубы ТЭЦ, но ошибочно полагают, что они загрязняют воздух. На самом деле они практически безвредны. Рассказываем как они устроены.
Башни, выпускающие такие «белые облака», называются градирни. Еще их называют охладительными башнями. Они предназначены для охлаждения больших объемов воды в системах оборотного водоснабжения тепловых электростанций. На самом деле никакого дыма в таких устройствах быть не может. Внутри них ничего не горит, а наоборот – остужается.
Как работает ТЭЦ
Чтобы понять для чего нужны градирни, необходимо сначала выяснить как работает типовая ТЭЦ. Теплоносителем в таких теплоэлектроцентралях выступает водяной пар. Для его производства служит вода, которая чаще всего используется в системе ТЭЦ по замкнутому контуру.
Надежность работы котлов и систем теплоснабжения в первую очередь зависит от качества воды, поэтому обычная водопроводная вода здесь не годится. Так как главной задачей является предотвращение коррозии и накипи в котлах и трубопроводах, воду для них специально химически подготавливают, лишая ее кислорода, минеральных примесей, а также солей кальция и магния.
Подготовленная таким образом вода в паровых котлах превращается в пар и затем под высоким давлением поступает в паровые турбины для производства электроэнергии.
Проходя через рабочее колесо турбины, отработанный пар поступает в конденсаторы, чтобы потом снова в виде воды возвратиться в рабочий цикл производства. Но температура такой воды слишком высока, чтобы сразу вернуться в систему, поэтому для ее снижения и устанавливают градирни.
Градирни различаются по способу подачи воздуха (вентиляторные, башенные, вакуумные и брызгальные) и по направлению движения рабочей среды (с противотоком, с перекрестным током и со смешанным током).
Устройство градирни
Рассмотрим ее работу на примере самой обычной башенной градирни. Именно их чаще всего устанавливают вблизи ТЭЦ. Такие градирни самые экономичные, так как опираются на естественную тягу без использования электричества, но при этом они самые затратные в плане строительства из-за своего большого размера.
Горячая вода в такой башне подается насосами наверх к вершине башни и разбрызгивается оросительной системой, через множество специальных форсунок.
Снизу, через специальные окна, в градирню поступает воздух. Он движется вверх под действием естественной тяги, создаваемой в башне за счет перепада высоты.
При этом, часть горячей воды, успевает испариться и выходит вместе с воздухом через сопло градирни в виде пара. Другими словами, воздух как бы выталкивает часть пара наружу. Именно этот пар мы и видим в виде белых облаков над тепловыми электростанциями. Остальная часть воды, остуженная воздухом, под действием силы тяжести стекает вниз к основанию башни в специальный установленный водосборник.
А оттуда вода попадает обратно в систему. Так ТЭЦ удается экономить средства на водоподготовку.
А где тогда дым от котельных?
Другое дело – дымовые трубы, которые используются для выброса дыма из водогрейных и паровых котлов. Для нагрева воды в таких котлах в качестве топлива используется уголь, газ или мазут. А значит без процесса горения и дыма их работа невозможна. В отличие от градирен, из таких полосатых труб в атмосферу выходит дым.
Почему трубы строят такими высокими?
Большая высота дымовых труб котельных обусловлена несколькими факторами. Главный из них – экология. По понятным причинам дымовые трубы должны быть выше всех основных городских зданий. Также немаловажную роль играет наличие так называемого инверсионного слоя, или по-простому «купола».
Это невидимое скопление воздушных масс, которое препятствует вертикальному перемещению воздуха, образуя тем самым смог. Инверсионные слои называются также задерживающими. Поэтому в зависимости от местности трубы строят с учетом «пробития» такого «купола».
Вторая причина – чем выше дымовая труба, тем лучше тяга в топке котлов. А также, чем больше объем дымовых газов, требуемых для выброса, тем выше должна быть труба.
Почему заводские трубы окрашены в красно-белые полосы?
Трубы окрашивают в красно-белый цвет по требованиям авиационной безопасности.
Трубы высотой до 100 метров должны иметь окраску на 1/3 высоты трубы в виде чередующихся красно-белых полос одинаковой ширины. При этом верхняя и нижняя полосы должны быть окрашены в красный цвет. Дымовые трубы высотой выше 100 м, окрашиваются чередующимися полосами красного и белого цвета на всю высоту сооружения. То есть по количеству полос можно судить о высоте дымовой трубы.
Это интересно:
- Почему поручни эскалатора двигаются быстрее ступеней
- Почему на некоторых наручных часах секундная стрелка всегда стоит на месте
- Почему лифт не падает в шахту когда обрывается трос
Что такое градирня и как она работает?
Каждый из нас видел подобного рода сооружение и знает, что это вовсе не труба и из нее выходит не дым. Но давайте все же посмотрим на принцип работы и внутренее устройство градирни.
Градирни — это специальные устройства для охлаждения большого количества воды посредством направленного потока воздуха. Также их называют охладительными башнями — это более понятно звучит.
Это одно из наиболее эффективных устройств для охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
Высокая башня создает ту самую тягу воздуха, которая необходима для эффективного охлаждения циркулирующей воды. Вытяжные башни служат для создания естественной тяги благодаря разности удельных весов воздуха, поступающего в градирню, и нагретого воздуха, выходящего из градирни. Под оросителем располагается водосборный резервуар.
Вода подается в водораспределительное устройство по размещаемым в центре градирни стоякам. Благодаря высокой башне одна часть испарений возвращается в цикл, а другая – уносится ветром. Из-за этого в округе не образуется сырости, тумана и обледенений в зимнее время, хотя возможно появление льда вокруг оросительных устройств.
Раньше градирни служили для добычи соли выпариванием. В настоящее время эти сооружения используются для незначительного охлаждения теплой воды. «Незначительное» означает, что после градирни вода не становится ледяной, как в чиллере (+7 градусов). Температура поступающей воды в градирню — около 40-50 градусов, после градирни — около 25-30 градусов , зависит от технологических потребностей.
Необходимость охлаждать теплую воду возникает, если того требует технологический процесс на производстве или в случае охлаждения воды для чиллера с водяным конденсатором.
Градирни по способу отвода тепла: испарительные градирни cooling tower, сухие градирни drycooler и смешанные.
ТЭC, АЭС, промышленные предприятия потребляют огромное количество технической воды, прежде всего, для охлаждения узлов и агрегатов. Вода при этом, естественно, нагревается.
Поскольку зачастую вода двигается по замкнутому контуру (т. е. не сливается в реку, а снова идет для охлаждения агрегатов), ее следует охладить. Это нужно, прежде всего, для повышения эффективности охлаждения — чем холоднее вода, тем лучше она будет охлаждать оборудование.
Для целей частичного охлаждения воды применяются градирни.
Принцип работы градирни достаточно прост. Процесс охлаждения в градирнях происходит за счет частичного испарения воды и теплообмена с воздухом. Вода в градирне стекает по оросителю сбегает каплями или тонкой плёнкой. В это время вдоль оросителя проходят потоки воздуха, существует такая закономерность: в градирнях при испарении 1 % воды температура оставшейся понижается на 6 С. Потеря жидкости восполняется за счет внешнего источника. Причем свежая вода при необходимости подвергается обработке (фильтрации).
Наиболее сложным элементом башенной градирни является вытяжная башня, конструкция которой в основном определяется материалом, из которого ее сооружают.
- обратным потоком атмосферного воздуха (вентиляторные градирни);
- за счет распыления горячей воды форсунками на специальный наполнитель с развитой площадью, по которому вода растекается тонкой пленкой и за счет медленного ее течения — охлаждается (башенные, атмосферные градирни);
- за счет распыления воды в специальных каналах и естественном захвате атмосферного воздуха (эжекционные градирни).
По принципу подачи атмосферного воздуха, градирни делят на:
Благодаря своей эффективности, экономичности, простоте обслуживания башенные градирни используются на большинстве крупных промышленных предприятий, где требуется охлаждение больших объемов воды в оборотных системах.
Корпус таких водоохлаждающих сооружений представляет собой высокую вытяжную башню (отсюда и название этого типа градирен), в которой необходимая тяга воздуха создается естественным путем, без применения дополнительного энергоемкого оборудования.
Размеры, высота и форма башенных градирен могут быть разными: они подбираются в зависимости от климатических условий эксплуатации башни и ее требующейся производительности.
- железобетонные — башенные градирни такого типа могут быть до сотни метров высотой, с площадью орошения до 10 тыс. м2;
- каркасно-обшивные — менее материалоемкие сборные конструкции, состоящие из прочного стального каркаса и листовых материалов (алюминиевых, оцинкованных, полимерных, стеклопластиковых).
Резервуар (бассейн нужного объема), оснащенный дополнительно переливным трубопроводом (для полного слива содержимого или регулирования его уровня), размещается в основании градирни. Именно в него поступает горячая вода, которая остужается до требующейся температуры.
Преимущества: экономичность в работе — при эксплуатации таких сооружений не требуется электроэнергия; высокая эффективность при простоте эксплуатации и обслуживания; продолжительный срок эксплуатации.
Недостатки: относительная дороговизна строительства и необходимость выделения площади под строительство – они полностью окупаются перечисленными выше достоинствами.
— Вентиляторные
Принцип действия вентиляторной градирни основан на контакте охлаждаемой воды с мощными потоками атмосферного воздуха, которые создаются специальными вентиляторами.
- секционные;
- башенные.
Не следует путать вентиляторные башни с традиционными башенными градирнями, так как последние работают на естественной тяге воздуха, создаваемой самой башней, и вентиляторы в таких конструкциях не используются. В вентиляторных градирнях башенного типа естественная тяга, создающаяся высотой башни, усиливается мощными электровентиляторами, что существенно увеличивает производительность установки. Секционные вентиляторные градирни представляют собой ряд отдельных секций, в каждой из которых работают автономные вентиляторы. Предотвращение каплеуноса воды, которое неизбежно при повышенной скорости воздушного потока, осуществляется при помощи водоуловителей в виде решеток-жалюзи. Потери оборотной охлаждаемой жидкости минимизируют каплеуловительные устройства. Для тщательного контроля температуры рабочей жидкости на производствах, где этот показатель критичен, в вентиляторных градирнях устанавливают термопары, которые в автоматическом режиме регулируют частоту вращения вентиляторов в зависимости от температуры воды или другой охлаждаемой жидкости. Эффективность установок такого типа стала причиной их популярности.
Преимущества: относительно низкая стоимость строительства; повышенная глубина охлаждения; небольшая площадь застройки.
Недостатки: затраты на электроэнергию; повышенный каплеунос; затраты на обслуживание, т.к. данному типу градирен требуется эксплуатационный персонал.
— Сухие
Для максимальной экономии дорогостоящих жидких теплоносителей, а также пресной воды в местах, где этот ресурс дефицитен и/или труднодоступен, на предприятиях используют сухие градирни — охлаждающие установки, в которых рабочая жидкость циркулирует в замкнутом пространстве труб теплообменника, обдуваемых потоками воздуха. Напор, объем, скорость передвижения воздушных масс для ускорения процесса охлаждения обеспечиваются в сухих градирнях мощными вентиляторами.
Так как вода (или иная рабочая жидкость, которую требуется охладить) не вступает в непосредственный контакт с воздухом и находится в герметичном теплообменнике, ее потери практически исключены. Объем жидкости на выходе из градирни остается таким же, как и на входе: она не испаряется и не разбрызгивается. Герметичность радиаторов обеспечивает также надежную защиту от загрязнения.
Наиболее эффективный тип теплообменного радиатора для сухой градирни — охлаждающие алюминиевые колонны, которые выполнены из трубок диаметром 15 мм и реберных пластин толщиной 0,3 мм — изобрел венгерский инженер Форго. И его изобретение нашло широкое применение: оно используется как основа для обустройства сухих градирен разной производительности. Радиаторные колонны такого типа устанавливаются непосредственно в окнах-воздуховодах сухих градирен.
- в трубки радиатора подается рабочая жидкость;
- стенки трубок и металлические ребра теплообменника обдуваются атмосферным воздухом, приток которого обеспечивают вентиляторы;
- через металл происходит активная отдача тепла от носителя к обдувающему радиатор воздуху;
- из градирни поступает охлажденная жидкость.
Преимущества: экономия теплоносителя; соблюдение его чистоты; отсутствие коррозийных процессов внутри градирни.
Недостатки: высокая стоимость большие габариты невысокая эффективность охлаждения (температура рабочей жидкости на выходе в среднем на 6 °C выше, чем температура воздуха); возможность замерзания жидкости в теплообменнике при минусовых температурах; необходимость энергозатрат.
ВНУТРИ БАШЕННОЙ ГРАДИРНИ.
Внутри градирни расположена водораспределительная система, которая равномерно распределяет охлаждаемую жидкость по всей орошаемой площади установки. Вода падает на слой оросителя, разбивается на мелкие частицы и охлаждается с помощью воздуха. Тяга воздуха в башенной градирни создаётся естественным путём, за счет разности давлений в нижней и верхней части башни. Для уменьшения капельного уноса в градирне устанавливается слой водоуловителя. Он находится выше водораспределительной системы.
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О ГРАДИРНЯХ.
На территории атомной станции «Изар-1» у реки Изар (Германия, Нижняя Бавария) находится самая производительная в мире градирня. Она не является самой большой – ее высота 165 м, однако она охлаждает 216 000 кубометров воды в час, что делает ее лидером. Но это не надолго, так как после аварии на Фукусиме немецкое правительство решило отказаться от атомной энергии и закрыть все станции до 2022 года.
А самая высокая башня имеет высоту 202 метра и находится на индийской ТЭС KaliSindh.
Самая большая вентиляторная (по размеру секций) градирня в России — построена в 2012 году компанией ООО КАСКАД для ТЭЦ-11 ИркутскЭнерего. Размер её секции составляет 18×18 метров.
Во времена второй мировой войны в Великобритании градирни и близстоящие сооружения маскировали под городские поселения. На стены строений наносили изображения домов и деревьев, для того, чтобы обезопасить стратегически важные объекты от возможных бомбардировок.
ПАРК РАЗВЛЕЧЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА.
Строительство ядерного реактора на быстрых нейтронах SNR-300 рядом с немецким городом Калькар началось в 1972 году. В 1985-м реактор был полностью закончен, но к работе он так и не приступил. Реактор на быстрых нейтронах считался самой передовой технологией. Германское правительство хотело сократить количество импортируемой в страну электроэнергии, и при ограниченных запасах урана в стране, использование реактора такой конструкции могло быть очень эффективным. Но уже в 1977 г общественность стала сильно беспокоить проблема экологической безопасности. Начались протесты, в массовом шествии по улицам Калькара приняли участие почти 40 000 человек.
В 1979 г после аварии на американской атомной электростанции Три-Майл-Айленд (Three Mile Island), которая стала одной из самых крупных в истории ядерной энергетики, общественные протесты еще больше усилились.
Судьба SNR-300 была решена в апреле 1986 г, когда мир был потрясен трагическими событиями на Чернобыльской АЭС. 21 марта 1991 г было официально объявлено о ликвидации SNR-300. Работы по демонтажу оборудования потребовали еще 75 миллионов евро. Детали машин и неиспользованное топливо было выставлено на продажу.
В 1995 г все предприятие, общая площадь которого равнялась 80 футбольным полям, было выставлено на аукцион, и его приобрела за 2,5 миллиона евро нидерландская компания Hennie van der Most, построившая на этом месте парк развлечений — Wonderland Kalkar
В парке оборудовано около 40 разных аттракционов: карусели, американские горки, каналы для лодочных прогулок и колесо обозрения. Также в парке действует множество спортивных площадок, где можно поиграть в теннис, волейбол, баскелтол, минигольф и т.д.
Зачем на трубы теплоэлектростанций наносят красно-белые полоски?
Все видели эти высоченные трубы теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), из которых валят клубы дыма. Как правило, они красно-белого цвета, реже — серые. И сейчас мы вам расскажем, для чего трубам нужен такой полосатый окрас.
Ирина Слепухина
У теплоэлектроцентралей есть два типа труб, одни из которых часто красят в красно-белые полоски. Рассказываем, для чего это нужно
Но прежде чем мы перейдем к ответу на главный вопрос, разберемся с устройством и принципом работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как работает теплоэлектроцентраль
Теплоэлектроцентраль – она же ТЭЦ — помимо генерации электроэнергии осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.
При этом устроена она достаточно просто. В топку одновременно поступают топливо (в России это измельченный уголь) и разогретый воздух — окислитель. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел, в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Под воздействием мощного потока она начинает вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.
Проходя через рабочее колесо турбины, отработанный пар поступает в конденсаторы, где снова превращается в воду и возвращается назад в рабочий цикл производства. Но температура такой воды слишком высока, чтобы сразу вернуться в систему, поэтому для ее снижения устанавливают градирни. Так называются эти высокие конусообразные башни, через которые выходит пар.