Нагревающие агенты и способы нагревания

В промышленности процесс нагревания осуществляется раз­личными способами, классификация которых представлена на рис. 13.1.

Нагревание водяным паром. Одним из наиболее широко рас­пространенных теплоносителей является насыщенный водяной пар, который обладает высокими теплофизическими характерис­тиками. Водяной пар имеет большую скрытую удельную теплоту конденсации — до 2,26 МДж/кг (при давлении 100 кПа) и высо­кие значения коэффициента теплоотдачи. Это обеспечивает при малом расходе пара и небольшой площади поверхности теплооб­мена передачу значительного количества теплоты.

Существенным достоинством насыщенного пара является по­стоянство температуры конденсации при данном давлении, что

позволяет поддерживать неизменной температуру нагревания. Пар удовлетворяет также ряду других требований, среди которых наи­более важными можно считать доступность, пожаробезопасность и относительно высокий тепловой КПД.

Основной недостаток насыщенного водяного пара заключает­ся в значительном увеличении давления с повышением темпера­туры. При температуре 180 °С его давление составляет около 1 МПа. При таком уровне давления необходимо пользоваться прочной толстостенной и дорогостоящей аппаратурой и подводящими ком­муникациями. Применение водяного пара обычно ограничивается областью температур 180... 190 °С.

Небольшой перегрев пара иногда полезен для уменьшения теп­ловых потерь в подводящих паропроводах. Такой перегретый пар получают на специальных установках пароперегревателях по­средством дополнительного нагревания насыщенного пара. В ка­честве теплоносителя перегретый пар применяют крайне редко, так как его коэффициент теплоотдачи невелик, а по теплосодер­жанию он почти не отличается от насыщенного пара.

Как теплоноситель насыщенный водяной пар используется в виде глухого пара (обогрев осуществляется через теплопередаю­щую поверхность) или острого пара (пар и нагреваемый продукт смешиваются).

Нагревание глухим паром через стенку теплообменного аппа­рата применяется очень часто, поскольку при этом нагреваемый продукт не разбавляется конденсатом и не изменяет своего состава.

Схема обогрева глухим насыщенным паром приведена на рис. 13.2. Греющий пар поступает в теплообменник 1, где продукт нагрева­ется паром через разделяющую их стенку трубчатки. Насыщенный пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на

Рис. 13.2. Схема обогрева глухим насыщенным паром: 1 — теплообменник; 2 — обводная линия; 3 — конденсатоотводчик

ней, стекает и удаляется через нижний штуцер аппарата. Чтобы обеспечить удаление конденсата, пар всегда подают в верхнюю часть аппарата, а конденсат удаляют из его нижней части. Во из­бежание неоправданно большого расхода пара и снижения его давления на трубопроводе конденсата устанавливают конденсато­отводчик 3, препятствующий про­хождению пара, но пропускающий конденсат.

Нагревание горячей водой. На промышленных предприятиях во является наиболее доступным теплоносителем и позволяет нагнать рабочую смесь до температуры 100 °С, обеспечивая «мягкие» условия проведения процесса. Получают горячую воду в паровых водонагревателях — бойлерах и водогрейных котлах с применен» ем топочных газов.

Однако горячая вода как теплоноситель имеет и существенный недостаток, ограничивающий ее применение: коэффициент теплоотдачи при нагревании горячей водой во много раз ниже, чем при использовании конденсирующегося пара. Кроме того, темпе­ратура воды снижается по мере ее движения вдоль теплообменной поверхности, что ухудшает равномерность обогрева.

В теплообменных установках при обогреве водой или горячими жидкостями обычно применяется циркуляционный способ обо­грева. Это означает, что теплообменник и источник теплоты об­разуют замкнутую систему, в которой циркулирует вода или высококипящие жидкости. Различают естественную и принудитель­ную циркуляцию.

В случае использования схемы обогрева с естественной цирку­ляцией (рис. 13.3, а) принимают во внимание тот факт, что плот­ность нагретого теплоносителя меньше, чем у охлажденного. На­гретая жидкость самотеком перемещается от Нагревательной печи 1 к теплообменнику 2, отдает теплоту и возвращается в печь для последующего нагревания. Скорость циркулирующей горячей воды зависит от высоты расположения теплообменника относительно печи. Для обеспечения значения скорости на уровне 0,-2 м/с эта высота должна составлять не более 5 м.

При принудительной циркуляции (рис. 13.4, б) жидкость пере­мещается по замкнутому контуру с помощью насоса 3, примене-

Рис. 13.4. Схема циркуляционного обогрева жидким нагревающим агентом: а — с естественной циркуляцией; б — с принудительной циркуляцией, 1 - печь; 2 — теплообменник; 3 — насос

ние которого позволяет увеличить скорость циркуляции до 2,5 м/с и благодаря этому повысить интенсивность теплообмена.

Нагревание топочными газами. Топочные газы обеспечивают нагревание рабочих смесей до температуры 1000...1100 °С. Этот про­цесс осуществляется в печах. На рис. 13.5 показана современная трубчатая печь для нагревания жидких продуктов, работающая на газообразном топливе. Горючий газ, выходя из сопла горелки 6, вовлекает в движение необходимое количество воздуха, смешива­ется с ним и поступает на пористую излучающую панель 5, вы­полненную из керамического материала. При горении газа пламя отсутствует, поэтому горелки такого типа называются беспламен­ными. Раскаленная поверхность панели испускает мощный поток теплового излучения. Образовавшиеся топочные газы с высокой температурой поступают в первую по ходу радиационную часть рабочего пространства печи, в которой теплота передается к ра­диационной нагреваемой поверхности 4 змеевика в основном за счет излучения.

В конвективной части печи теплота от частично охлажденных топочных газов передается к конвективной теплообменной по­верхности 1 змеевика главным образом за счет конвекции. Для максимального использования теплоты на пути отходящих газов иногда устанавливают дополнительный змеевик-подогреватель 2. Газы удаляются через дымовую трубу 3.

Рис. 13.5. Трубчатая печь для нагревания жидких продуктов:

1 — конвективная теплообменная поверхность; 2 — змеевик-подогреватель; 3 — дымовая труба; 4 — радиационная нагреваемая поверхность; 5 — излучающая панель; 6 — газовая горелка

В настоящее время в качестве топлива в трубчатых печах применяют преимущественно природный газ, содержащий больше количество метана. При отсутствии природного газа используй мазут, каменный или бурый уголь.

Недостатком данного способа нагревания является низкое значение коэффициента теплоотдачи, что требует увеличения площади поверхности теплообмена. Кроме того, такой обогрев характеризуется «жесткими» условиями нагревания, т. е. большим перепадом температур.

Нагревание высокотемпературными теплоносителями. Теплоно­сители этого вида получают теплоту от топочных газов или элект­рических нафевателей и передают нагреваемому материалу. Как и водяной пар, они являются промежуточными теплоносителями. При­менение промежуточных высокотемпературных теплоносителей обеспечивает равномерность обогрева и безопасные условия рабо­ты. В качестве таких теплоносителей используют высококипящие органические соединения, минеральные масла или перегретую воду.

Высококипящие органические теплоносители находят наиболее широкое промышленное применение. К этой группе теплоноси­телей относится дифенильная смесь, состоящая из 26 % дифени­ла и 74 % дифенилового эфира. Эта смесь обладает высокой тер­мостойкостью, низкой температурой плавления (12 °С) и исполь­зуется при температуре, не превышающей 250 °С. Основные до­стоинства дифенильной смеси как теплоносителя — возможность достижения высокой температуры без повышения давления и нетоксичность.

Минеральные масла также часто служат для нагревания различ­ных продуктов. Для этой цели применяют масла с высокой темпе­ратурой вспышки — цилиндровое, компрессорное и разные виды цилиндрового тяжелого масла. Верхний температурный предел при нагревании такими маслами составляет 300 °С.

Масла являются дешевыми теплоносителями, но имеют от­носительно низкие значения коэффициента теплоотдачи и лег­ко разлагаются, образуя на стенках накипь, ухудшающую тепло­обмен. В силу указанных недостатков их используют реже, чем высокотемпературные органические теплоносители.

Перегретая вода применяется как теплоноситель при необходи­мости нагревания до температуры, достигающей критического зна­чения 374 °С. При этом давление в системе возрастает до значений выше 20 МПа. Это относительно дешевый теплоноситель, но высо­кие значения давления ограничивают выбор конструкций теплооб­менников и требуют использования только цельнотянутых труб, сварных систем и специальных уплотнений. В связи с этим нагрева­ние перегретой водой в настоящее время осуществляют редко.

При необходимости достижения еще более высокой темпера­туры (500... 800 °С) в качестве промежуточных теплоносителей при­меняют нитрит — нитратную смесь, ртуть и легкоплавкие метал­лы (натрий, калий и их сплавы). Однако установки, в которых используются такие теплоносители, крайне опасны, даже незна­чительная утечка паров (например, ртути) вызывает тяжелое от­равление.

Нагревание электрическим током. С помощью электрического тока можно проводить нагревание в очень широком диапазоне температур, легко регулировать и точно поддерживать требуемый температурный режим. Все электрические нагреватели просты по конструкции, компактны и удобны в обслуживании. Однако их широкое применение сдерживается сравнительно высокими за­тратами электроэнергии.

В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую различают нагревание электрическим сопротивлением (оми­ческое нагревание), индукционное и высокочастотное нагревание.

Нагревание электрическим сопротивлением является наиболее рас­пространенным способом, осуществляемым в электрических печах и позволяющим достигать значений температуры 1000... 1100°С. Нагреваемый аппарат — котел 2 (рис. 13.6) имеет вертикальные нагревательные секции 1 и донную секцию 3, изготавливаемые из жаростойких сталей в виде проволочных спиралей или лент с боль­шим омическим сопротивлением. Эти элементы укреплены на изолирующих шамотных роликах или втулках, расположенных на стальном каркасе. Теплота от раскаленных спиралей и лент пере­дается стенкам нагреваемого котла. Печь футеруют огнеупорной кладкой 4 и покрывают снаружи слоем тепловой изоляции 5. Для периодического осмотра нагревателей печь снабжена опускным устройством 6.

Для удешевления процесса вещество в аппарате предварительно нагрева­ют паром до температуры 180 °С, а затем осуществляют индукцион- Рис. 13.6. Электрическая печь сопро­тивления: 1 — вертикальная секция; 2 — котел; 3 — донная секция; 4 — огнеупорная кладка; 5 — тепловая изоляция; 6 — опускное уст­ройство печи

Индукционное нагревание основано на использовании теплово­го эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающи­ми непосредственно в стенках стального нагреваемого аппарата. Аппарат с индукционным нагреванием подобен трансформатору, первичной обмоткой которого служат катушки индуктивности, а магнитопроводом и вторичной ка­тушкой — стенки аппарата.
ное нагревание, обеспечивающее точное поддержание более вы­сокой температуры в пределах 400 °С.

Высокочастотное нагревание применяется для диэлектриков — материалов, не проводящих электрический ток. Этим способом достигается весьма равномерное объемное нагревание материала. В химической технологии его используют для нагревания плас­тических масс перед прессованием, сушки некоторых материа­лов и других целей. Он требует сложной аппаратуры для преоб­разования переменного тока частотой 50 Гц в ток высокой час­тоты (10... 100 МГц). Установка имеет сравнительно низкий КПД и неэкономична в эксплуатации.