Гріючі агенти і способи нагрівання

Нагрівання водяною парою

Для нагрівання використовують переважно насичену водяну пару за тисків 1,0-1,2 МПа (10-12 ат). Використання водяної пари більш високого тиску вимагає складної та дорогої апаратури, що економічно не вигідно. Відповідно до тисків 1,0-1,2 МПа нагрівання насиченою водяною парою обмежується температурою ~180⁰С. В процесі нагрівання пара конденсується, виділяючи під час цього велику кількість тепла за невеликої витрати пари.

Широке застосування процесів з нагріванням насиченою водяною парою обумовлено наступним:

1) великою кількістю тепла, яке виділяється під час конденсації пари (2,26·10⁶Дж/кг за тиску 0,1МПа;

2) високим коефіцієнтом тепловіддачі від пари до стінки (4640-17400вт/(м²·град);

3) рівномірністю нагрівання, оскільки конденсація відбувається за постійної температури;

4) високий К.К.Д. нагрівальних парових пристроїв;

5) доступність;

6) пожежобезпечність.

Однак використання насиченої водяної пари в якості нагрівального агента має недолік: із збільшенням температури відбувається значне зростання тиску, тому нагрівання насиченою водяною парою обмежене температурою 180-190⁰С (10-12 ат). Проведення процесу за високих тисків вимагає забезпечення товстостінною та дорогою апаратурою, а також відповідними комунікаціями та арматурою.

Оскільки хімічні виробництва використовують велику кількість тепла і електроенергії, тому доцільно енергетичну пару високого тиску (до 250 ат) пропустити через турбіни для отримання електроенергії, а тоді м‘яту пару (6-8 ат) після турбін задіяти для нагрівання теплообмінної апаратури. Тепло м‘ятої (перегрітої) пари незначне порівняно з її теплотою конденсації, а об‘єм пари на одиницю тепла, що віддається є значно більшим, ніж для насиченої пари, що вимагає збільшення діаметра паропроводів. Для уникнення витрат на транспортування теплоносія, перегріту пару з турбін зволожують, змішуючи її з водою. В цей час пара додатково випаровує деяку кількість води і скеровується в насиченому стані на теплообмінні апарати.

Нагрівання глухою парою

Найпоширеніше використовують в хімічній промисловості нагрівання глухою парою, що передає тепло через стінку теплообмінного апарата. Принципова схема нагрівання глухою парою приведена на рис. 2.1. Гріюча пара із генератора пари – парового котла 1 скеровується у теплообмінник 2, де рідина (або газ) нагріваються парою через стінку, що їх розділяє. Пара, що контактує з холоднішою стінкою, конденсується на ній, і плівка конденсату стікає по її поверхні. Для того, щоб полегшити видалення конденсату, пару вводять у верхню частину апарата, а конденсат відводять з його нижньої частини. Температура плівки конденсату приблизно дорівнює температурі конденсуючої пари, і ці температури можуть бути прийняті такими, що дорівнюють одна другій.

Рис. 2.1. Схема нагрівання глухою парою:

1 – паровий котел; 2 – теплообмінник-підігрівач; 3 – конденсатовідвідник; 4 – проміжна ємність; 5 – відцентровий насос

Витрату D глухої пари під час безперервного нагрівання визначають з рівняння теплового балансу ( рис.2.2)

(2.1.)

де G – витрата нагріваючого середовища; c – середня питома теплоємність нагріваючого середовища; t₁, t₂ – початкова і кінцева температури нагріваючого середовища; І_п, І_к – ентальпії гріючої пари і конденсату; Q_втр – втрати тепла у навколишнє середовище.

Якщо пара не буде повністю конденсуватись на поверхні теплообміну і частина його буде виходити з конденсатом (так звана пролітна пара), то це називається непродуктивною витратою пари.

Для уникнення непродуктивної витрати гріючої пари і організації безперешкодного видалення із апарату парового конденсату без виведення пари, застосовують спеціальні пристрої - конденсатовідвідники. Серед великої кількості таких пристроїв розглянемо найчастіше застосовуваний - конденсатовідвідник з відкритим поплавком (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Конденсаційний горщик з відкритим поплавком:

1 – корпус; 2 – поплавок; 3 – стержень; 4 – труба для відводу конденсату; 5 – клапан; 6 – зворотний клапан; 7 – вентиль.

Такий конденсаційний глечик є пристроєм періодичної дії. Конденсат поступає в глечик і заповнює корпус 1, тоді поплавок 2, який має форму склянки спливає і за допомогою клапана 5 закриває вихідний отвір. Клапан закріплюється до поплавка за допомогою стержня 3. Під час подальшого поступлення конденсату він починає переливатись через краї поплавка і заповнює його. У разі певного рівня заповнення поплавка конденсатом він тоне і клапан 5 відкриває отвір, через який виводиться конденсат.

Конденсатовідвідник встановлюють нижче теплообмінника і забезпечують обвідною лінією (рис.2.1), наявність якої дозволяє не переривати роботу апарата під час короткочасного вимкнення конденсатовідвідника для його ремонту або заміни.

Гріюча пара здебільшого містить певну кількість газів, які не сконденсувались (N₂, O₂, CO₂), що виділяються під час хімічної обробки котлової води і процесу пароутворення в котлах. Ці домішки значно знижують коефіцієнти тепловіддачі від пари. Тому у разі парового обігріву із парового об‘єму теплообмінника повинні періодично видалятьсь гази, що накопичились і не сконденсувались. Для цього використовують продувний вентиль 8 у конденсатовідвіднику (рис.2.3).

Нагрівання “гострою парою”

Під час нагрівання “гострою парою” в рідину, що нагрівається водяна пара вводиться безпосередньо, і під час конденсації віддаючи тепло рідині змішується з нею. Цей метод нагрівання є простим і дає змогу краще використовувати тепло пари, оскільки в процесі змішування температури конденсату і рідини вирівнюються. Однак цей метод можна застосовувати тоді, коли припустиме змішування водяної пари з рідиною.

Якщо одночасно із нагріванням рідину необхідно переміщувати, то введення “гострої пари” здійснюється через барботери - труби, які розміщуються на дні апарата, закриті з кінця і мають велику кількість дрібних отворів, що обернені догори. Для кращого перемішування, зменшення шуму, що викликаний різким зменшенням об‘єму пари під час конденсації, і уникнення гідравлічних ударів використовують безшумні соплові нагрівачі (рис. 2.4), в яких пара подається в сопло 1 і змішується з рідиною, що захоплюється парою через бокові отвори у змішуючий дифузор 2. Під час змішування рідини з парою всередині дифузора 2 значно зменшується шум.

Витрату гріючої “гострої пари” визначають з теплового балансу:

(2.2)

де G - кількість рідини яка нагрівається, кг; c - теплоємність рідини, дж/кг·град; D - витрата гріючої пари, кг/год; δ - тепловміст гріючої пари, дж/кг; t₁ і t₂ - температури рідини до і після нагрівання; Q_втр - втрати тепла в оточуюче середовище, дж/кг; τ - тривалість нагрівання.

З рівняння (2.2) визначають витрату “гострої пари”.

(2.3)

Оскільки під час нагрівання гострою парою відбувається розбавлення рідини конденсатом, то цей метод використовується для нагрівання води і водних розчинів.

Нагрівання гарячою водою

Порівняно з нагріванням водяною насиченою парою нагрівання гарячою водою має певні недоліки. Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води, як і від іншої рідини нижчі за коефіцієнти тепловіддачі від водяної насиченої пари. Під час нагрівання гарячою водою знижується температура вздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність нагрівання.

Гарячу воду одержують у водогрійних котлах, що обігріваються димовими газами, і парових водонагрівачах (бойлерах). Застосовують її у разі нагрівання до температур, які є нижчі від 100°С. Для нагрівання водою використовують циркуляційні системи обігріву.

В деяких випадках для нагрівання використовують конденсат водяної пари.

Нагрівання димовими газами

Нагрівання димовими (топковими) газами є найстарішим методом нагрівання, який не втратив свого значення внаслідок можливості отримання високих температур (100÷1100°С) під час спалювання твердого, рідкого та газоподібного палива (за невисокого надлишкового тиску в теплообміннику). Найчастіше їх використовують для нагрівання через стінку інших нагрівальних агентів (проміжних).

Особливістю нагрівання димовими газами є жорсткі умови процесу нагрівання ( неприпустимі для багатьох продуктів), значні перепади температур і невеликі коефіцієнти тепловіддачі (35÷60 вт/м²·град) від газу до стінок апарату. Великі температурні перепади під час такого нагрівання сприяють досягненню високих теплових навантажень. Найбільш суттєвими недоліками цього методу є: нерівномірність нагрівання, можливість забруднення продуктами неповного згоряння палива, перегрівання матеріалу, який нагрівається, вогненебезпечність тощо. Внаслідок низької питомої теплоємності топкових газів об`ємні витрати їх великі і транспортування вимагає великих капітальних витрат. Тому топкові гази переважно використовують на місці їх одержання.

Нагрівання топковими газами здійснюється в різних печах (трубчастих, реакційних котлах та автоклавах). Економічно доцільно застосовувати в якості гріючих агентів відхідні гази деяких хімічних та інших виробництв, температура яких є достатньо високою і досягає 500-600⁰С.

Топкові гази утворюються в топці 1, в якій спалюється тверде, рідке або газоподібне паливо, а також сюди подається необхідна для спалювання газу кількість повітря. Повітря подається в топки 2 через вікно з вентилятором 4. Топкові гази омивають трубний змійовик 5, який розміщений в шахті 6 і виводять через канал 7. Перша за ходом руху топкових газів частина печі називається радіантною, оскільки в ній основна частина тепла передається до трубного змійовика випромінюванням, а друга - конвективною. В цій камері тепло передається трубам, головним чином, за рахунок конвекції.

Піч для реакційних котлів (автоклавів), яка працює на газоподібному паливі показана на рис 2.6. Газоподібне паливо спалюється в топці 1, куди через канал 2 подається необхідне для спалювання палива повітря. Димові гази відтак направляються в камеру 3, де передають тепло апарату 4. Відпрацьовані димові гази через кільцевий канал 5 направляються в канал 6.

Безпосереднє нагрівання топковими газами, яке відбувається в жорстких умовах може призвести до неприпустимого перегрівання продуктів біля стінок апарату.

Тому для пом‘якшення умов передачі тепла за одночасного збільшення коефіцієнтів тепловіддачі відпрацьовані гази повертають в піч для змішування з димовими газами, які відводяться з топки.

Часткове повернення відпрацьованого газу знижує температуру і збільшує об`єм газу, який нагріває апарат. Збільшення кількості газу приводить до збільшення швидкості газового потоку і коефіцієнта тепловіддачі. Подібні методи нагрівання називаються нагріванням з рециркуляцією.

На рис. 2.7. показана піч з рециркуляцією топкових газів. В цій печі частина відпрацьованих топкових газів безперервно відсмоктується вентилятором 3 і через димохід 4 і вікно 5 направляється на змішування з димовими газами, які виходять з топки.

Витрати палива під час нагрівання димовими газами визначають з теплового балансу (рис.2.8)

(2.4)

де G – кількість продукту, який підлягає нагріванню, кг/год; с – теплоємність, Дж/(кг·град); t₁ і t₂ – температура продукту до нагрівання і після нього відповідно, ⁰С; Q₀ – загальна кількість тепла, що вноситься паливом, Дж/кг; Q₁ – витрати тепла з газами, які виводяться з печі, Дж/кг; Q₂ – втрати тепла, пов‘язані з механічно неповним згорянням палива, Дж/кг; Q₃ – втрати тепла від хімічної неповноти згоряння, Дж/кг; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/кг.

Тепло, яке корисно використовується і передається через поверхню нагрівання визначається за рівнянням:

(2.5)

Загальна кількість тепла, яке вноситься з паливом, визначається з теплового балансу (2.4)

(2.6)

Втрати палива в кг/кг визначаються з рівняння:

(2.7)

де q₀ = q_т + q_п + q_з – тепло в Дж, яке вноситься в топку на 1кг палива; q_т – теплота палива, Дж/кг; q_п – тепловміст повітря, яке вноситься для спалювання 1 кг палива, Дж/кг; q₃ – теплота згоряння палива.