Нагревание водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

Проведение многих технологических процессов связано
с необходимостью подвода и отвода теплоты. Все тепловые процессы
и установки разделяют на:

- высокотемпературные от 400 до 2000 °C (огнетехнические процессы, нагревательные печи);

- среднетемпературные от 150 до 700 °C (ректификация, сушка, выпарка);

- низкотемпературные от –150 до 150 °C (отопительные, вентиляционные; установки, кондиционеры, холодильные установки);

- криогенные – Т < –150 °C (разделение воздуха).

Теплообменники (ТО) – аппараты для передачи тепла от одного вещества к другому. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями (ТН).

Подвод теплоты

Для решения этой задачи применяют различные теплоносители.
ТН классифицируются по:

1. По назначению:

- греющий ТН;

- охлаждающий ТН, хладаноситель;

- промежуточный ТН;

- сушильный агент.

2. По агрегатному состоянию:

· Однофазные:

- низкотемпературная плазма;

- газы;

- неконденсирующиеся пары;

- не кипящие и неиспаряющиеся при данном давлении жидкости;

- растворы;

- зернистые материалы.

· Много (двух) фазные:

- кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости;

- конденсирующиеся пары;

- плавящиеся, затвердевающие материалы;

- пены, газовзвеси;

- аэрозоли;

- эмульсии, суспензии и т.д.

3. По диапазону температур:

- высокотемпературные ТН (дымовые, топочные газы, расплавы солей, жидкие металлы);

- среднетемпературные ТН (водяной пар, вода, воздух);

- низкотемпературные ТН (при атмосферном давлении T_кип ≤ 0 °C);

криогенные(сжиженные газы – кислород, водород, азот, воздух и др.) .

С увеличением давления растет и температура кипения жидкостей.

В качестве прямых источников тепловой энергии на промышленных предприятиях используют топочные (дымовые) газы и электроэнергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту, в ТО называют промежуточными ТН.

Наиболее распространенные промежуточные ТН:

- водяной пар насыщенный;

- горячая вода;

- перегретая вода;

- органические жидкости и их пары;

- минеральные масла, жидкие металлы.

Требования к ТН:

- большая r, с_р;

- высокое значение теплоты парообразования;

- низкая вязкость;

- негорючесть, нетоксичность, термостойкость;

- дешевизна.

Нагревание водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей

Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.

При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты.

Насыщенный водяной пар используют при 1,0 1,2 МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 °C. Выше – экономически невыгодно, усложняется аппаратурное оформление процесса.

Преимущества насыщенного водяного пара:

- высокий коэффициент теплоотдачи a от пара к стенке;

- большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара;

- равномерность обогрева (T_конд = const);

- возможность регулирования температуры путем изменения давления;

- возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

- увеличение давления с увеличением температуры (основное).

- постепенное увеличение в системе содержания неконденсированных газов (N₂, O₂, CO₂, и т.д.).

При нагревании насыщенным водяным паром различают острый
и глухой пар.

Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно
в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку.

Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом
(рис. 2.1).

жидкость

пар

нагретая жидкость

Рис. 2.1. Схема использования острого пара

Массовый расход острого пара, используемого на нагревание жидкости, определяют из уравнения теплового баланса

. (81)

Здесь – массовый расход сухого острого пара; Н_г – энтальпия пара;
– массовый расход нагреваемой жидкости; с – теплоемкость нагреваемой жидкости; – теплоемкость конденсата; Т₁ и Т₂ – температуры жидкости до и после нагрева; – потери тепла в окружающую среду. Температура конденсата и жидкости одинаковы.

Острый пар применяется редко, наиболее часто применяется глухой пар (рис. 2.2).

паровая рубашка

конденсат

продукт

пар

слив продукта

Рис. 2.2. Схема использования глухого пара

Пар конденсируется на поверхности аппарата, и стекает в виде пленки по поверхности стенки. Уравнение теплового баланса имеет вид

(82)

Как видно из (82), температура конденсата и температура нагреваемой среды разные. При нагревании глухим паром в паровом пространстве аппарата может скапливаться содержащийся в нем неконденсирующийся газ (N₂, O₂, CO₂ и др.), что значительно снижает коэффициент теплоотдачи
от пара к стенке.

Более высокого уровня температуру (чем для водяного пара) можно получить при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) (рис. 2.3). Как видно из рисунка, к нагреваемой системе можно подводить теплоту при температуре дифениловой смеси
258 °C при атмосферном давлении.

0 100 200 300 T °C

p Mпа

Рис. 2.3. Зависимость температуры насыщения Т °C

от давления р для воды (1) и дефиниловой смеси (2)