导热油炉供热系统
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本章主要介绍有机热载体燃气炉供热工艺原理，供热系统组成及供热管线的操作说明。
第一节 预备知识
1.流体的重度和密度
流体单位体积的重量，称为流体的重度，以γ表示，其单位为kgf/m3。
流体单位体积的质量，称为流体的密度，以ρ表示，其单位为kgf·s2/m4 或kg/m3。重度和密度的关系为：γ=ρg，流体的重度或密度，随流体所受的压力和温度而变化。液体和气体相比，液体的变化比气体要小，其中特别是随压力的变化更小。
2.流体的膨胀性
在压力不变的情况下，流体体积随温度升高而增大的性质，称为流体膨胀性。膨胀性的大小，用体积膨胀系数α来度量，它是增加一单位温度时所引起的体积相对增大量，即：α= (1/V)·(dv/dt)，式中(dv/dt)——流体体积随温度的变化率。流体的α值随温度和压力而变化。
3.流体的粘性
流体本身阻滞其质点相对滑动的性质，称为流体的粘性。流体粘性的大小用粘度来度量。同一流体的粘度随流体的温度和压力而变化。
3.1.常用的几种流体粘度
a.动力粘度
运动流体相邻流体层间，垂直于运动方向的速度梯度为1单位时的流体内摩擦应为τ，称为流体的动力粘度η。动力粘度又称物理粘度或绝对粘度，常用单位为泊P(g/cm·s)、厘泊CP及kgf·s/m2
1P=100CP=0.0102kgf·s/m2
b.运动粘度
动力粘度η与同温同压下的流体密度ρ之比，称为流体的运动粘度γ。
常用单位为沲St(cm2/s)、厘沲cSt或m2/s
1St=100cSt=1×10
c.恩氏粘度
一定体积的流体流出恩氏粘度计容器的时间，与标准情况下同体积的水的流出时间之比称为恩氏粘度°E。常用单位为秒。
3.2.流体的粘度随着温度或压力的变化而发生变化
气体粘度随温度升高而增大，随压力增加而增大。液体粘度随温度升高而减小，随压力增加而增大。
4.层流、湍流和雷诺数
4.1.层流和湍流
从流体质点的运动是否紊乱出发，流动分层流和湍流两类。
(1)层流 流体质点间相互不混杂、层次分明、平滑的流动、称为层流(片流)。
(2)湍流 流体质点间相互混杂而无层次地流动，称为湍流(紊流)。
4.2.雷诺数和临界雷诺数
雷诺数Re是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲数，即
Re=(VtLt)/γ
式中 Vt——流体的特征速度，如在管流中取过流断面上的的平均流速；
Lt——流体的特征长度，如在管流中常取水力直径ds，对园管内的流动即为管子内径d。
实用上，以下临界雷诺数Rec来判别流动状态是层流还是湍流。
当Re＞Rec时，流动为湍流；
当Re＜Rec时，流动为层流。
在内径为d的园断面管内的流动，临界雷诺数值Rec=Vd/γ≈2300。
5.流动阻力
实际流动中，流体在管内流动或绕经物体流动时都存在流动阻力，其方向与流速相反。
5.1.管流的流动阻力
(1)发生在整个流程上，由于粘性(内摩擦力)所引起的沿程阻力。
(2)流经局部管件时，由于旋涡和速度分布的改阻所引起的局部阻力。
5.2.绕流的流动阻力
(1)由于粘性所引起的摩擦阻力。
(2)由于流速变形及旋涡等产生压力差所引起的压差阻力。
(3)由于气体高速运动而产生激波所引起的兴波阻力。
(4)由于存在自由液面而产生波浪所引起的兴波阻力。
(5)由于被绕流物体垂直于束流方向有限长而产生下洗流所引起的诱导阻力。
(6)由于流体作非常流动或物体在流体中作加速运动所引起的惯性阻力。
流线形物体的压差阻力远比摩擦阻力小；而非流线形物体的压差阻力远比摩擦阻力大，有时大致可以不计摩擦阻力。
6.比热
单位物质(按重量或分子计)温度升高1℃所需要的热量称为比热或热容。
常用的比热有三种：(1)定压比热Cp(恒定压力下的比热，也即温度上升1℃所增加的热焓)；(2)定容比热Cv(恒定容积下的比热)；(3)饱和状态下的比热(温度与压力随蒸汽压力的变化而变化)。定压比热大于定容比热。在工业炉中主要用到的是定压比热和饱和状态比热，在低于常压沸点的温度下，两者基本相等；但当温度较高，尤其是接近临界点时，两者差别就很大。
7.热传导
物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，即热能从物体一部分传到另一部分。这种传递热量的方式叫做热传导，简称导热。
8.对流
在流体中，由于流体质点的移动，将热能从一处传到另一处的传热叫做对流传热。在对流传热中，亦伴随着流体质点间的热传导，但其主要原因是由于流体质点位置的变动。在化工生产中常遇新的对流传热，是将热能由流体传到固体壁面，或者是由固体壁面传入周围流体的过程。
9.辐射
辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体在放热时，热能变为辐射能，以电磁波的形式发射而在空间传播，当遇到另一物体，则或多或少地被吸收，重新又转变为热能。
热传导和对流都是靠质点直接接触传递热量，而辐射传热不需要任何物质做媒介。
10.加热炉运行热负荷计算：
加热炉运行热负荷就是运行时导热油在加热炉内吸收的热量，也是加热炉实际供热量，用下列公式计算：
Q＝Vv CP（t2－t1）
公式的意义是流量为G的导热油，温度从t1升到t2所吸收的热量。
式中：Q——加热炉运行热负荷，kJ／h；
V——导热油体积流量m3/h；
v——进、出口平均温度下导热油重度，kg／m3；
CP——进、出口平均温度下导热油比热，kJ／kg·℃；
t1、t2——进、出口导热油温度，℃。
第二节 有机热载体
以间接方式将热能从加热设备传递到用热单元的传热介质称为热载体,工业上，热载体分为有机热载体和无机热载体两大类:
（1）有机热载体分为矿物油和合成油，如合成油中的芳烃及醇醚等；导热油是有机热载体中的典型代表。
（2）无机热载体分为水及水蒸汽、液态金属、熔盐、空气。
1.几种热载体的比较
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名称 |
使用温度 |
传热性能 |
|
对材料要求 |
毒性 |
使用限制 |
|
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水（水蒸汽） |
100～ |
好 |
高 |
无特殊要求 |
无 |
＜250℃ |
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|
熔盐 |
400～ |
低 |
低 |
不宜用于铝、镁设备 |
略有 |
＜550℃ |
|
|
导热油 |
200～ |
好 |
低 |
无特殊要求 |
无 |
＜350℃ |
2. 有机热载体--导热油
(1)特点：
1) 无毒、无臭、无污染、无任何毒性、无致癌物、无难闻气味。
2) 挥发性小、安全可靠，闪点在200℃左右，自燃点在500℃以上。
3) 酸度低，PH值近中性，对设备无腐蚀性。
4) 馏程高蒸发损耗小：馏程的初始温度高于20℃以上。使用温度不超过最高使用温度时，蒸发损耗低。
5) 热稳定性好，抗氧化性强：在不高于最高使用温度下使用，其热分解的速度极慢，油质相对稳定，年添加量仅为5%左右。
(2)选用
导热油的选用首先应考虑工艺温度要求及导热油最高允许使用温度之间的关系，导热油严禁超温使用，因此，选择导热油最高允许使用温度应比工艺需用的主流体最高工作温度高出10℃～15℃。其次，选择导热油应考虑导热油性能特点，包括密度、粘度、闪点、酸值、残炭及馏份等，同时还应考虑温度与导热油的比热、粘度、导热系数的关系。
(3)用量的选择：
选择导热油用量时，应根据供热系统的具体情况来确定。
一般情况下，可按下面的经验公式来确定：
导热油用量=1.2（A＋B＋C＋D）m3
A——加热炉本体内的油容量，m3
B——用热设备内的油容量，m3
C——膨胀槽内的油容量，m3
D——供热系统管线内的油容量，m3
(4)导热油失效的判别：
导热油长期在高温下使用，其品质会缓慢地发生变化，它的变化是不可逆的，在超温条件下运行，品质劣变加速。因此，定期对导热油取样分析(最长不得超过一年)，要着重控制和观察分析以下几项指标：
1) 酸值(mgKOH/g)达到0.5时应引起重视(按GB264-77方法测定)。
2) 粘度变化达到15%时应引起重视(按GB265-75方法测定)。
3) 闪点变化达到20%以上时应引起重视(按GB267-77方法测定)。
4) 残炭(W%)达到1.5时应引起重视(按GB268-77方法测定)。
当分析导热油上述指标时，不能孤立地看其中的某一项，但有两项以上指标不合格时，该导热油给予更换或再生。
l 严禁导热油超温使用
l 严禁不同品牌导热油混用
防止高温导热油与空气接触(正常使用时膨胀槽温度超过70℃时应引起关注)
第三节 供热系统工作原理
一、工作原理
有机载热体炉，是以煤、油或可燃气体为燃料，有机热载体为热能的载体，利用循环泵强制液相循环，热载体将热能输送给用热设备，继而返回加热炉重新加热的直流式特种工业炉，下面是有机热载体炉供热系统的工作原理图：
图1-1 注入式工作原理图
在以上原理框图中：有机热载体是由循环油泵输出，——加热炉——热用户(即用热设备)——油气分离器——再进入循环油泵。这是一个循环管路，原理图中是用粗黑线表示出来的，这是主循环管路，在正常供热时，有机热载体就是沿着这样一个环形循环管路，不断循环流动，将热能从加热炉送到热用户，其他部分如膨胀槽、储油槽、注油泵等都是不可缺少的辅助设备，正常供热时，它们都不参与有机载热体的循环流动，但是它们在整个供热管路中起着重要作用，是不可缺少的。
第四节 有机热载体炉炉房内供热工艺流程及操作说明
一. 加热炉炉房内供热工艺流程图(图3-2)
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二.操作说明
1.主循环回路
循环泵7a(或7b)将导热油经管道Y21送入加热炉管内，经加热后由管道Y22送入用热设备进入换热，然后经管道Y18、油气分离器5、Y型油过滤器6 管道Y19返回循环泵，完成整个循环过程。
2.注油管线
(1)将外来导热油注入膨胀槽：外来导热油经管道Y3，通过粗滤器1，齿轮注油泵2，再经管道Y1进入膨胀槽，此时需开启的阀门有F3和F1。
(2)将外来导热油注入储油槽：外来导热油经管道Y3，通过粗滤器1，齿轮注油泵2，再经管道Y1先进入膨胀槽,再经管道Y5进入储油槽，此时需开启的阀门有F3和F1。
(3)将储油槽内导热油注入膨胀槽：储油储内的导热油经管道Y11,Y4，粗滤器1，齿轮注油泵2，及管道Y1进入膨胀槽，此时需开启的阀门有F4和F1。
3.溢流管线
无论从外界还是从储油槽内注入膨胀槽内的导热油，当导热油在膨胀槽中的液位超过其溢流口时，则由溢流管Y5自动溢流至储油槽内。
4.排油管线
当更换新油或设备维修时需排放导热油时，相应由以下各排油管线实现：
(1)膨胀槽内导热油的排放：导热油经管道Y8通过溢流管Y5排至储油槽内，此时需开启阀门F6。
(2)储油槽内导热油的排放：
(a)储油槽内底部积有少量水份或杂质，则可从管道Y12,Y9直接向外排放，此时需开启阀门F7。
(b)在更换导热油时，系统中大量导热油可先储入储油槽，再从储油槽中排出。此时导热油经管道Y11,Y4、过滤器1，齿轮注油泵2及管道Y2进行排放，此时需开启的阀门有F4和F2。
(3)设备中导热油的排放
(a)循环泵中的导热油可经管道Y10、Y4,Y3直接排放，此时需开启的阀门有F8、F3。也可利用齿轮注油泵将循环泵中导热油抽出注入相应容器中。
(b)加热炉中导热油可经管道Y14、Y13及Y9直接排放，此时需开启的阀门有F10和F7。
(c)用热设备中导热油可通过相应设备上设置的排放管道和阀门排放。
5.加热炉总旁路循环
用热设备用热量发生变化或停止用热或用热设备发生故障时，进入用热设备的导热油流量会相应发生变化，或人为调整用热设备阀门开度以调节用热量，或出现故障时使进入用热设备的导热油减少，此时为保证加热炉有正常工作流量，不至出现因流量减少而使导热油在炉管内流动过慢而结焦，则在加热炉进出总管道间加设总旁路管道Y23及总旁路阀门F21进行调节。
6.排气管线及辅助排气管线
加热炉在调试及运行操作中，导热油中含有的水份(或管线水压试验时存留在系统中)或低挥发份经油气分离器5膨胀管Y17，通过膨胀槽和储油槽上相应的排气管道Y6和Y7排出。
加热炉在调试过程中如发现系统中含有的气体量很多，则可通过辅助排气管道Y16及膨胀槽04来实现气体的快速排放，此时需开启的阀门有F13，此时需关闭的阀门有F5，注意：打开辅助排气阀F13时应同时关闭阀门F5，以防止导热油从排气管Y6中冲出。当系统中气体量较少和加热炉在正常工作时，应打开阀门F5，此时阀门F13必须处于关闭状态，以防高温导热油进入膨胀槽而被氧化变质。
7.冷油置换管线
在突然停电或循环泵突然出现故障时，因循环泵的停止运行使炉管内导热油不流动，此时炉管内导热油因为不断接受炉膛内燃料燃烧余热而使温度升高，严重时可使炉管内导热油结焦，此时可开启冷油转换阀门F83，将膨胀槽中的冷油靠静压力且经膨胀管Y17、油气分离器5，Y型油过滤器6、循环泵7a(或7b),进入加热炉内，将炉管内的热油经冷油转换管Y85及管道Y12排入储油槽。
对于燃气加热炉，冷油转换的设置于否可作特定考虑。
三、Y型油过滤器在系统中的位置
Y型油过滤器是用来过滤并清除系统中(包括介质中)的异物，以保护循环泵。过滤器在系统中的安装位置有以下两种形式，如图3-3中所示。
在此就图示中两种系统作简单讨论。图示a中，过滤器具有自己的一个旁路，且过滤器适用对两台循环泵的保护，但在该管线中共需七只阀门。图示b中，过滤器仅适用于一台循环泵的保护，对另一台循环泵不起保护作用，但在该管线中只需两只阀门。从以上分析中可以得出：
图3-3过滤器安装位置
对于图a所示系统：过滤器具有自己的旁路，适合两台循环泵，两台循环泵的开启与过滤器无关，但管线中所需阀门多，一次性投资较大。
对于图b所示的系统：过滤器与一台循环泵串联，只适合一台泵；循环泵的开启或过滤器的清洗对循环泵有影响，如出现介质需要过滤，而此时与过滤器串联的循环泵却发生故障，此时该种布置就显得不利，但该管线中所需阀门少，一次性投资较少。
二、常规用热设备供热流程
随着我国现代化工业的发展和节能工作的深入，有机热载体加热技术在各工业领域获得了越来越广泛的应用。怎样合理、安全、经济地选择供热流程便成为人们普遍关心的课题。供热流程应按有机热载体的特性和用热设备所需热量进行具体设计，下面介绍以导热油为热载体的几种常规供热流程。
1.基本流程
一台加热炉带一台用热设备流程如图3-4所示。用热设备的温度由温度控制阀通过调节导热油流量实现自动控制。
2.多台用热设备流程
一台加热炉同时供二台或多台用热设备获得不同的温度，也可只供其中一台或几台用热设备交替供热，如图3-5所示。这种流程经济实用，调节方便，用热设备通过温度控制阀调节可在各自工艺温度下运行，主循环旁路设有压力调节阀调节其主循环流量。
3.多回路循环供热流程
导热油供热流程是为了满足用热设备用热要求，应避免由于用热设备的调节不合理而造成热量的大起大落，最终影响系统的稳定运行和用热设备的正常工作。因此对温度有精确要求的用热设备，在设备前应自备循环泵，组成次循环系统，用热机热负荷通过控制其次循环油量获得调整。如图3-6所示。
图3-4基本供热流程
图3-5多台用热设备流程图
4.加热、冷却流程
由于某些生产工艺的要求，用热设备一阶段需要用导热油来加热，另一阶段需要用导热油来冷却，如图3-7所示。
图3-6多回路循环供热流程图
图3-7加热冷却流程图 http://www.czdaoreyou.com，常州市长城导热油有限公司
