Нагревание, охлаждение и конденсация

Теплообменники → теплоносители → нагревающий агент → охлаждающий агент → промежуточный

Источник тепла → дымовые газы – газообразный продукт сгорания топлива

Промежуточный теплоноситель → водяной пар и горячая вода → высокотемпературные теплоносители → перегретая вода; минеральные масла, органические жидкости (и их пары) и иногда, жидкие металлы и их сплавы

Высокая интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных расходах → малой вязкостью → высокой теплоемкостью → высокой теплотой парообразования → негорюч, нетоксичен, не оказывать разрушающего влияния.

Нагревание водным паром

1) теплота конденсации его равна 2,26∙10⁶ Дж/кг при 1 ат.

2) мало сопротивление переносу тепла со стороны пара малая поверхность теплообмена.

3) постоянство температуры конденсации при Р = const

Недостаток: возрастание давления с повышением температуры 180–190 ⁰С при 10 – 12 ат.; 250 ат. мятый пар(6 – 8…..), перегреты, увлажняется горячей водой.

Нагревание глухим паром

1 – генератор пара – паровой котел; 2 – теплообменник – подогреватель;

3 – конденсатоотводчик; 4 – промежуточная емкость; 5 – центробежный насос.

t пленки конденсата = t конденсирующегося пара.

Расход D сухого пара при непрерывном нагревании определяется из уравнения теплового баланса:

где G – расход нагреваемой среды;

с – средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды;

t₁ и t₂ – начальная и конечная температура нагреваемой среды;

I_П и I_К – энтальпии греющего пара и конденсата;

Q_П – потери тепла в окружающую среду.

пролетный пар → обводная линия – байпасом: О₂; N₂; СО₂; конденсатообводчик с открытым поплавком.

Нагревание острым паром

При перемешивании среды используются барботеры.

Бесшумные подогреватели

1 – сопло; 2 – смешивающий диффузор – здесь при смешивании пара с жидкостью значительно уменьшается шум.

Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных температур нагреваемой жидкости и конденсата. Используя уравнения теплового баланса получим:

где С_В – теплоемкость конденсата.

Нагревание горячей водой

Основные недостатки: коэффициент теплоотдачи ниже, чем у пара; температура горячей воды снижается вдоль поверхность теплообмена, это ухудшает равномерность нагрева и регулировку.

Горячую воду получают в водогрейных котлах, обогреваемых топочными газами и в паровых водонагревателях (бойлерах) (t = 100⁰С) или горячая вода под избыточным давлением.

Нагревание топочными газами

1000 – 1100⁰С. Недостатки: низкий коэффициент теплоотдачи газ – стенка; 35 – 60 Вт/(м²∙град); трудная регулировка температуры; неравномерность нагрева в следствии охлаждения газа; возможность загрязнения нагреваемых материалов (при непосредственном обогреве); «жесткие» условия нагрева перегрев.

В качестве греющих агентов отходящие газы (500 – 600⁰С).

Трубчатая печь для нагрева жидких продуктов.

Горючий газ, выходя из сопла горелки 1, инжектирует необходимое количество воздуха, смешивается с ним и движется через пористую панель 2 из огнеупорного материала. Горение протекает на поверхности излучающей панели (беспламенные). Образовавшиеся топочные газы поступают в 1 часть рабочего пространства печи – радианную, где основная часть тепла передается нагреваемой жидкости, движущейся по змеевику 3 путем излучения, во 2 части – конвективной передача тепла жидкости через стенку змеевика происходит главным образом конвекцией; здесь же установлены дополнительные теплообменные устройства, например змеевик – перегреватель 5. Газы удаляются через дымовую трубу.

1 – сопло горелки; 2 – огнеупорная пористая панель; 3 – радиантная часть (змеевик); 4 – конвективная часть (змеевик); 5 – перегреватель; 6 – дымовая труба.

Регулировка температуры происходит посредствам рециркуляции части отработанных газов.

Дымососам → воздух → объем → скорость → увеличение коэффициентов теплоотдачи.

Расход топлива при нагреве топочными газами определяется из уравнения теплового баланса.

Если расход газообразного топлива В, а энтальпия топочных газов на входе в теплообменник I₁, и на выходе из него I₂, то уравнение имеет вид:

где – потери от неполноты сгорания твердого топлива + потери в окружающую среду.

Нагревание высокотемпературными теплоносителями

а) Нагревание перегретой водой.

Р_урет. = 225 ат., t = 374⁰С, t_м ≈ 350⁰С

Недостаток: высокое давление, дорогой способ не применяется.

Нагрев перегретой водой и другими жидкими теплоносителями возможен при естественной и принудительной циркуляции.

Естественная циркуляция. Для того чтобы свести к минимуму коррозию труб и устранить выделения неконденсирующихся газов, всю нагревательную систему заполняют дистиллированной водой, не допускают попадания воздуха при заполнении и разогреве.

1 – печь со змеевиком обогреваемая топочными газами; 2 – теплоиспользующий аппарат; 3 – подъемный трубопровод; 4 – опускной трубопровод (вследствие остывания нагреваемой среды плотность увеличивается). Таким образом, естественная циркуляция возникает вследствие разности плотностей нагретой и охладившейся жидкости; 5 – циркуляционный насос.

Расчет установки при естественной циркуляции ведут исходя из равенства движущего напора в контуре и гидравлического сопротивления контура:

а также равенства количества тепла Q, отданного нагревающим агентом в единицу времени и воспринятого в теплообменном аппарате:

где h – разность уравнений рабочей части теплообменного аппарата и змеевика в генераторе тепла (печи), которая принимается равной разности отметок их средних сечений;

g – ускорение свободного падения;

ρ₁ и ρ₂ – плотности нагревающего агента в подъемной и опускной трубах при температуре t₁ и t₂ (t₁ > t₂);

G – расход циркулирующего нагревающего агента;

I₁ и I₂ – энтальпии теплоносителя в подъемной и опускной трубах;

К – коэффициент теплопередачи;

F – поверхность теплообмена;

t _пр. – температура нагреваемого продукта.

Используя уравнение потери напора:

можно определить d трубопровода и расход G жидкого агента.

Из уравнения видно, что движущий напор больше, чем больше h и разности плотностей. Поэтому аппарат 2 устанавливается выше 1 на 4 – 5 м. Тепловая производительность данной установки невелика.

Принудительная циркуляция. Скорость циркуляции (до 2 – 2,5 м/с) тем самым повышается интенсивность теплообмена. Однако использование насоса способствует удорожанию установки. Величина h значительно меньше.

б) Нагревание минеральными маслами.

Промежуточный теплоноситель с высокой температурной вспышкой до 310⁰С, верхний пределе нагревания маслами t_М = 250 – 300⁰С.

Аппарат представляет собой следующий теплоиспользующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом помещают в печь, обогреваемую точными газами. Если это невозможно по причине взрывоопасности, то используют установки с естественной и принудительной циркуляцией. Их некоторые особенности: вследствие увеличения объема масла устанавливаются расширительный сосуд, и емкости для холодного вязкого масла снабжают паровым обогревом и подводят к ним инертный газ для создания «подушки», предохраняющей масло от окисления. Данное устройство используется во всех установках с органическими теплоносителями. Для получения достаточных тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым продуктом должна быть не ниже 15 – 20⁰С.

Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами (ВОТ)

Глицерин, этиленгликоль, нафталин, ароматические углеводороды (дифенил, дифенилметан и т.д.), продукты хлорирования дифенила и полифенолов.

Дифенильная смесь: 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира (Даутелм А, динил). Она обладает большой термической стойкостью и низкой температурой плавления (+12,3⁰С), чем дифенил. Данная смесь не кристаллизуется при транспортировки (трубопроводы должны быть хорошо изолированными). Температура кипения при атмосферном давлении 258⁰С. В жидком виде при р = 1ат. она используется для нагревания до температуры 250⁰С. Предельная температура применения 280⁰С при избыточном давлении (0,8ат.).

Основным достоинством смеси является возможность получения высоких температур без применения высоких давлений. Например: при 300⁰С давление насыщенного водяного пара 87,6 ат., а смеси – 2,4 ат.

Недостаток органических теплоносителей – малая теплота парообразования. Однако этот недостаток компенсируется тем, что плотность пара высока, в результате чего при испарении или конденсации смеси количество тепла, выделяющегося на единицу объема пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды.

В парообразном состоянии дифенильная смесь используется для нагревания до 380 – 400⁰С. При более высоких температурах возможно разложение смеси. Она горюча, взрывобезопасна и мало токсична.

Схема нагрева жидкой дифенильной смесью с принудительной циркуляцией

1 – специальный центробежный насос; 2 – котел с электрообогревом; 3 – теплоиспользующий аппарат; 4 – расширительный сосуд; 5 – приемная емкость; 6 – фильтр.

Смесь специальным центробежным насосом 1 через котел 2 с электрообогревом подается на обогрев теплоиспользующего аппарата 3. Вследствие того что объем смеси при ее нагреве увеличивается, за аппаратом 3 установлен расширительный сосуд 4. После того как смесь отдала тепло и охладилась, насосом 1 она снова засасывается в котел. Предварительный подогрев смеси при заполнении системы и ее подпитке (для компенсации потерь теплоносителя, которые в замкнутой системе невелики) производится в емкости 5, в которую смесь поступает через фильтр 6.

Над поверхностью жидкости в сосуде 4 и емкости 5 находится инертный газ (азот) (для устранения окисления и соприкосновении с воздухом).

Схема обогрева парами ВОТ

При нагревании парами дифенильной смеси пары из котла 1 с электрообогревом поступают в рубашки теплоиспользующих аппаратов 2, где и конденсируется. Конденсат через конденсатоотводчики 3 возвращается на испарение самотеком в котел 1. Для очистки дифенильной смеси от продуктов осмоления часть паров из котла 1 поступает в межтрубное пространство теплообменника – регенератора 4, в трубное пространство насосом подается жидкий теплоноситель из емкости 5. В трубках ВОТ кипит, от него отделяются смолистые примеси, и пары чистого теплоносителя направляются в конденсатор 6, откуда конденсат стекает в емкость 7. Продукты осмоления собираются в нижней части регенератора 4 и периодически удаляются. В емкость 7, снабженную паровым обогревом, подается азот. При пуске установке, а также для восполнения потерь жидкий теплоноситель из емкости 7 насосом 8 подается в котел (парогенератор) 1. Для предотвращения повышения давления в котле сверху заданного на паровой линии установлена взрывная мембрана 9. В отличие от схемы обогревание жидкой смесью теплоиспользующие аппараты установлены значительно выше котла – парогенератора для более интенсивной циркуляции теплоносителя.

Для нагрева до высоких температур (t ≤ 300⁰С) применяются кремнийорганические жидкости (ароматические эфиры ортокремневой кислоты например: ортокрезилоксисилан). Они термически стойки, имеют низкую температуру плавления и высокую температуру кипения.

Нагревание расплавленными солями

При нагревании до температур, превышающих допустимые для ВОТ и применяют неорганические жидкие теплоносители – расплавленные соли и жидкие металлы.

Нитрит – нитратная смесь: 40% азотистокислого натрия и 7% азотнокислого натрия и 53% азотнокислого калия (плавления меси 142,3⁰С). Эта смесь применяется для нагрева до температур 500 – 540⁰С. До температуры 450⁰С не вызывает коррозии углеродистых сталей. При более высоких температурах аппараты изготавливают из хромистых и хромоникелевых сталей.

Смесь применяется при обогреве с принудительной циркуляцией. Коэффициенты теплоотдачи ниже, чем от перегретой воды, но при использовании принудительной циркуляции достигается высокая интенсивность теплообмена. Данная смесь является сильным окисляющим агентом, не допускается ее контакт при высокой температуре с веществами органического происхождения, а также со стружкой цветных металлов (магний и алюминий).

Нагревание ртутью и жидкими металлами

Для нагрева до 400 – 800⁰С и выше могут быть использованы ртуть, натрий, калий, свинец и др. легкоплавкие металлы и их сплавы. Эти теплоносители обличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Большинство металлических теплоносителей не действуют на молоуглеродистые и легированные стали за исключением калия и натрия. Все теплоносители огне- и взрывоопасны. В основном они применяются в качестве промежуточных теплоносителей. В основном в установках с принудительной циркуляцией.

В парообразном состоянии используется только ртуть (400⁰С – 2ат). Пары металлических теплоносителей крайне ядовиты (не более 0,01мг/м³ воздуха для ртути). Все установки для использования металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной приточно – вытяжной вентиляцией.