Тепло­носители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от кото­рой они воспринимают тепло, — охлаждающими агентами.

В качестве прямых источников тепла в химической технологий исполь­зуют главным образом топочные газы, представляющие собой газообраз­ные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку тепло­обменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоноси­телей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители — пере­гретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой темпера­туры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно вы­сокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Жела­тельно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияний на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

,Основные проблемы при выборе теплоносителя

Рабочий диапазон температур

Не существует теплоносителя, способного перекрыть весь диапазон от 0 до3000 Кельвина. У каждого вида теплоносителя есть свой рабочий диапазон, есть диапазон, в котором теплоноситель может находиться небольшое время без существенной деградации.

Однако существуют терможидкости с расширенным рабочим диапазоном, который недостижим для воды, силиконовых масел и других классических теплоносителей.

Теплоёмкость

Определяет количество теплоносителя, которое необходимо прокачивать в единицу времени для переноса заданного количества тепла.

Коррозионная активность

Ограничивает применение некоторых теплоносителей, заставляет добавлять ингибиторы коррозии (классический пример - гликолевые антифризы для автомобилей), накладывает ограничения на материал конструкции.

Вязкость

Косвенно влияет на скорость прокачки, на потери в трубопроводах, на коэффициент теплопередачи в теплообменниках. Может изменяться в очень широких пределах при изменении температуры.

Смазывающая способность

Накладывает ограничения на конструкцию и материалы циркуляционного насоса и прочих механизмов, соприкасающихся с теплоносителем.

Безопасность

Температура вспышки, температура воспламенения, токсичность жидкости и её паров. Вероятность ожогов, как горячих, так и криоожогов.

1. Нагревание водяным паром

Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26 ∙ 10⁶ дж/кг (540 ккал/кг) при давлении 9,8 ∙ 10⁴ н/м² (1 ат). Вследствие высоких коэф­фициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление пере­носу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагре­вания при малой поверхности теплообмена.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство тем­пературы его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара.

При использовании тепла парового конденсата к. п. д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаро-безопасность и др.).

Основной недостаток водяного пара — значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180—190 °С, что соответствует давлению пара 10—12 am. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоящая теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуника­ции и арматуру.

На производстве различают нагревание «глухим» и «острым» паром. При обогреве «глухим» паром пар от нагреваемой среды отделен теплопередающей стенкой.

При обогреве «острым» паром происходит непосредственное смешение пара с нагреваемой средой.

Н агревание глухим паром. Наиболее распространено нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Принципиальная схема нагревания глухим паром приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема нагревания глу­хим паром:

1 — паровой котел; 2 — теплообмен­ник-подогреватель; 3 — конденсатоотводчик; 4 — промежуточная емкость; 5 — центробежный насос.

Греющий пар из генератора пара — парового котла 1 направляется в теп­лообменник 2, где жидкость (или газ) нагревается паром через разделяю­щую их стенку. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденси­руется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части. Температура пленки конденсата близка к температуре конденсирующегося пара, и эти темпера­туры могут быть приняты равными друг другу.

Расход D глухого пара при непрерывном нагревании определяют из уравнения теплового баланса:

D =

где G — расход нагреваемой среды; с — средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; t₂, t₁ — начальная и конечная температуры нагреваемой среды; I_п, I_к — энтальпии греющего пара и конденсата; Q_п — потери тепла в окружающую среду.

Если пар не будет полностью конденсироваться на поверхности тепло­обмена и часть его будет уходить с конденсатом (так называемый про­летный пар), то это вызовет непроизводительный расход пара.

Чтобы избежать непроизводительного расхода пара и организовать беспрепятственное удаление из аппарата парового конденсата без выпуска пара, применяют специальные устройства — конденсатоотводчики.

Конденсатоотводчик обычно устанавливают ниже теплообменника и снабжают, обводной линией (байпасом), наличие которой позволяет не прерывать работы аппарата при кратковре­менном отключении конденсатоотводчика для его ремонта или замены.

Конденсатоотводчик с закрытым поплавком (используется при давлении свыше 1 МПа).

1-корпус; 2-Поплавок, всплывающий при поступлении конденсата и открывающий клапан 3; с выходом конденсата поплавок опускается, клапан закрывает выходное отверстие; 4 и 5 –стержень и направляющий стакан, фиксирующие вертикальное положение поплавка с клапаном.

Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание острым паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жид­кость. Такой способ нагрева проще нагрева глухим паром и позволяет лучше использовать тепло пара, так как паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью и их температуры выравниваются.

Если одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры — трубы, располо­женные у дна аппарата, закрытые с конца и снабженные множеством мелких отверстий, обращенных кверху.

Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных тем­ператур нагреваемой жидкости и конденсата. Тогда по уравнению тепло­вого баланса находим

D I_п + G с t₁ = D c_в t₂ + G c t₂ + Q_п,

откуда расход пара

D =

где c_в — теплоемкость конденсата, а остальные обозначения те же, что и в уравне­нии (1).

G – расход нагреваемой жидкости, кг/с с - средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды, Дж/кг·К t1, , t2 - начальная и конечная температуры нагреваемой среды, °С Qпот – потери тепла от стенок в окружающую среду, Вт (для аппаратов, находящихся в помещении, Q пот = 3 – 5 % от всей подводимой теплоты) Iп – удельная энтальпия греющего пара, Дж/кг

св - удельная теплоемкость конденсата, Дж/кг·К

При нагревании «острым» паром водяной пар вводится через барботеры в нагреваемую среду и смешивается с ней. Способ

применяется, когда допустимо смешение нагреваемой среды с

паровым конденсатом.

Расход «острого» пара Dп, кг/с определяется из уравнения теплового баланса:

Обогрев «острым» паром.

а) Бесшумный сопловой подогреватель (1 –сопло; 2 –смешивающий диффузор);

б) Паровой барботер.

Пар попадает через сопло 1 и захватывает жидкость, поступающую через боковые отверстия в смешивающий диффузор. При смешении жидкости с паром внутри диффузора значительно уменьшается шум

3. Нагревание горячей водой

Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициенты теплоотдачи от горячей воды, как и от любой другой жидкости, ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование.

Горячую воду получают в водогрейных котлах, обогреваемых топоч­ными газами, и паровых водонагревателях (бойлерах). Она применяется обычно для нагрева до температур не более 100 °С. Для температур выше 100 °С в качестве теплоносителя используют воду, находящуюся под избы­точным давлением. Для нагревания водой применяют главным образом циркуляционные системы обогрева, которые описаны ниже.

В некоторых случаях для нагрева используют конденсат водяного пара,

Недостатки воды в качестве теплоносителя

Применение воды в качестве теплоносителя, помимо его главного преимущества – низкой цены, несет в себе следующие проблемы: • коррозия металла под воздействием теплоносителя; • образование накипи на стенках оборудования; • изменение состава теплоносителя в процессе эксплуатации и соответственно его теплофизических свойств • вследствие замерзания происходит разрыв трубопроводов и нагревательных элементов

3. Топочные газы.

Обычно применяют для нагрева промежуточных теплоносителей и редко – для непосредственного нагревания технологической среды. Температура газов – 1000-1200 ^оС. Это позволяет использовать их для нагрева до очень высоких температур. Но, при этом, газы имеют небольшую теплоемкость и малую плотность, что требует больших расходов газа, и низкие значения коэффициентов теплоотдачи. Возникают сложности регулирования температуры, происходит коррозия аппаратуры из-за содержащихся в газах водяных паров, окислов серы, углерода…

Топочные газы получают в печах при сжигании природного газа или других видов топлив, иногда используют отходящие топочные газы. Температуру обогрева регулируют возвратом в печь отработавших газов и избытком свежего воздуха.

Изза относительно низкой удельной теплоемкости топочных газов их объемные расходы велики и транспортирование требует больших затрат, поэтому топочные газыобычно используют непосредственно на месте получения.

Схемы обогрева топочными газами.

а) В вынесенном теплообменнике (1 –топка; 2 –камера смешения; 3 –теплообменник для нагревания вещества; 4 –дымосос);

б) в котле или автоклаве, встроенном в печь (1 –окно для подачи топлива и воздуха для сгорания; 2 –топка; 3 –топочная камера; 4 –обогреваемый аппарат; 5 –кольцевой канал; 6 –боров);

в) в трубчатке, встроенной в печь (1 –окно для подачи топлива и воздуха; 2 –топка; 3 –топочная камера; 4 –шахта; 5 – S-образные трубы для нагревания вещества; 6 –боров).

4. Высокотемпературные теплоносители.

Это – промежуточные теплоносители, получающие тепло от топочных газов или при помощи электроэнергии. Они обеспечивают хорошую равномерность обогрева. К ним относятся.

А) Перегретая вода;

Б) Минеральные масла;

В) Высококипящие органические вещества;

Г) Расплавы солей и металлов;

Д) Гелий.

Для нагревания используют установки с естественной и принудительной циркуляцией. Получаемые в печи топочные газы нагревают движущийся внутри змеевика теплоноситель до высокой температуры, а тот, в свою очередь, отдает тепло нагреваемой среде в теплообменнике.

Для обеспечения циркуляции теплоносителя применяют два способа:

1. Используют естественную циркуляцию, для чего потребляющий тепло аппарат располагают высоко над печью. Циркуляция происходит достаточно интенсивно под действие разности плотностей нагретого и охладившегося промежуточного теплоносителя.

2. Применяют принудительную циркуляцию, для чего устанавливают насос, с помощью которого перекачивают теплоноситель по замкнутому контуру. Принудительная циркуляция позволяет обеспечить большую скорость движения теплоносителя и, следовательно, увеличить интенсивность теплообмена. Однако, использования насоса который может работать при высоких температурах значительно увеличивает стоимость установки и ее эксплуатации.

Схемы обогрева с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией.

1 –печь для нагрева теплоносителя; 2 –теплообменник; 3 –циркуляционный контур, перемещение жидкости в котором обеспечивается или за счет разности ее плотностей в нагретой и охлажденной ветвях (а), или насосом 4 (б).

А) Перегретая вода

Используют для нагрева до температуры порядка 350 ^оС. Это требует поддержания давления в системе порядка 200 ат. и использования дорогостоящей толстостенной аппаратуры.

Б) Минеральные масла

Устаревший тип теплоносителя для нагрева до температур 250-300 ^оС. Масла сравнительно дешевы, но легко окисляются, загрязняя аппаратуру. Коэффициенты теплоотдачи низки, загрязнения увеличивают термическое сопротивление теплопередающей стенки, снижая общий коэффициент теплопередачи.

Нагрев с помощью минеральных масел производят либо помещая теплоиспользующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо устанавливая электронагреватели внутри масляной рубашки

Нагревание высокотемпературными органическими теплоносителями (ВОТ)

К ним относят высококипящие органические вещества и их смеси, с помощью которых можно получать высокие температуры при невысоких давлениях.

В качестве высокотемпературных органических теплоносителей используют глицерин, нафталин, этиленгликоль,дифенил, дифениловый эфир, дитолилметан, арохлоры, многокомпонентные ВОТ, минеральные масла, кремнийорганические жидкости и др.

Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь

Например, дифенильная смесь, состоящая из дифенила и дифенилового эфира. В жидком виде дифенильную смесь применяют для нагрева до 250 ^оС (при атмосферном давлении), в парообразном – до 380 ^оС ( при 300 ^оС давления насыщения всего 2,4 ат). Смесь обеспечивает высокие значения коэффициентов теплоотдачи, инертна к углеродистым сталям, взрывобезопасна. Невысокая температура плавления смеси (+12,3 ^оС) снижает опасность образования кристаллов в трубопроводах. К недостаткам использования относят ее горючесть и токсичность.

Недостатком дифенильной смеси, как и других органических теплоносителей, является малая теплота парообразования. Однако у дифенильной смеси этот недостаток в тельной мере компенсируется большей, чем у воды, плотностью паров, в результат при испарении или конденсации смеси количество тепла выделяющееся на единицу объёма пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды.

Нагревание расплавленными солями.

В химической технологии часто необходимо нагревать продукты до температур, превышающих предель­но допустимые температуры для ВОТ. В таких случаях для равномерно­го обогрева используют неорганические жидкие теплоносители — рас­плавленные соли и жидкие металлы.

Из различных неорганических солей и их сплавов, применяемых для нагревания до высоких температур, наибольшее практическое значение нмет н и т р и т-н итратная смесь — тройная эвтектическая смесь, содержащая (по массе) 40% азотистокислого натрия, 7% азшно-

_5_ Нагревание высокотемпературны \т теп поносителями_337

кислого натрия и ЪЪ% азотнокислого калия (температура плавления сме­си 142,3 °С). Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном Давле­нии до температур 500—540 °С. Смесь практически не вызывает корро­зии углеродистых сталей при температурах не выше приблизительно 450 °С. Для изготовления аппаратуры и трубопроводов, работающих при более высоких температурах, используют хромистые и хромоникеле* вые стали. Кроме того, трубопроводы снабжают паровым обогревом (с помощью паровых труб, проложенных рядом с солевой линией и заклю­ченных с ней в общий короб тепловой изоляции).

Смесь применяют практически только при обогреве с принудительной циркуляцией, которая осуществляется посредством специальных насосов пропеллерного типа (вертикальных) или бессальниковых центробежных насосов. Коэффициенты теплоотдачи от смеси ниже, чем от перегретой во­ды, но при принудительной циркуляции достигается достаточно интенсив­ный теплообмен.

Нитрит-нитратная смесь является сильным окисляющим агентом. Поэтому по соображениям взрывобезопасности не допустим се контакт при высоких температурах с веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и некоторых цветных металлов (алюми ний, магн ий).

Жидкие металлы

• Жидкие металлы: литий, натрий, калий, ртуть, свинец, некоторые сплавы.

• Используют для нагревания до 300 - 800 °С.

• Эффективным теплоносителем является Рb + Bi.Имеет высокий коэффициент теплоотдачи, в обращении безопасен.

• Ртуть, свинец и его сплавы используют в химических реакторах для отвода реакционной теплоты.

• Жидкие металлы, в основном, применяют на атомных электростанциях.

Нагревание электрическим током. При необходимости нагрева материалов выше 1000°С применяют нагревание электрическим током в электропечах. По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В электрических печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока.

В электропечах сопротивления прямого действия в электрическую цепь включается также и среда, которая нагревается при прохождении через нее электрического тока. На практике этот способ нагревания реализуют в аппарате, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещаю непосредственно в нагреваемой в данном аппарате среде.

В электрических печах сопротивления косвенного действия тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам. Выделяющееся тепло передается материалам лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах нагревание осуществляется до температуры 1100°С.

В электрических индукционных печах нагревание осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат является сердечником обмотки, выполненной в виде соленоида, охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата.

Нагревание в индукционных электропечах осуществляется индукционными токами. По сравнению с приведенной на рис. 12-8 схемой устройства электропечи сопротивления при индукционном способе нагревания сам обогреваемый аппарат является сердечником соленоида, обмотки которого охватывают аппарат. При пропускании по соленоиду переменного электрического тока вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу и вызывающее появление вихревых токов Фуко, под действием которых и происходит разогрев всей массы аппарата. Индукционное нагревание обеспечивает равномерный обогрев при температурах, не превышающих обычно 400 ^СС.

В дуговых печах нагревание материалов до температур 1300-1500°С осуществляется электрической дугой. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры.

Охлаждение до обыкновенных температур.

Для охлаждения до обыкновенных температур (примерно до 10—30 °С) наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агенты — воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой тепло­емкостью, более высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет про­водить охлаждение до более низких температур.

В качестве охлаждающего, агента применяют речную, озерную, пру­довую или артезианскую (получаемую из подземных скважин) воду. Если по местным условиям вода дефицитна или ее транспортирование связано со значительными расходами, то охлаждение производят оборотной водой — отработанной охлаждающей водой теплообменных устройств. Эту воду охлаждают путем ее частичного испарения в открытых бассейнах или чаще всего — в градирнях путем смешения с потоком воздуха (см. ниже) и снова направляют на использование в качестве охлаждаю­щего агента.

Достигаемая температура охлаждения зависит от начальной темпе­ратуры воды. Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4—25°С, артезианская вода 8—15° С и оборотная вода приблизительно 30 °С (в летних условиях). При проектировании теплообменной аппаратуры следует принимать в качестве расчетной на­чальную температуру воды для наиболее неблагоприятных (летних) условий с тем, чтобы обеспечить надежную и бесперебойную работу теплообменных устройств в течение всего года. Температура воды, выходящей из теплообменников, не должна превышать 40—50 °С (в зависимости от состава воды), чтобы свести к минимуму выделение растворенных в воде солей, загрязняющих теплообменные поверхности и снижающих эффек­тивность теплообмена.

Расход W воды на охлаждение определяют из уравнения теплового баланса:

G с (t_н – t_к) = W c_в (t₂ – t₁), Откуда W =

где G — расход охлаждаемой среды; с — средняя удельная теплоемкость этой среды; с_в — удельная теплоемкость воды; t_H, t_K — начальная и конечная температуры охлаждае­мой среды; t₁, t₂ — начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Вода используется для охлаждения главным образом в поверхностных теплообменниках (холодильниках), которые будут рассмотрены ниже. В таких холодильниках вода движется обычно снизу вверх для того, чтобы конвекционные токи, обусловленные изменением плотности тепло­носителя при повышении температуры, совпадали с направлением его движения. Вода применяется также в теплообменниках смешения, напри­мер разбрызгивается в потоке газа для охлаждения и увлажнения.

\\

Градирня представляет собой теплообменник смешения, в виде громоздкого сооружения внутри которого располагаются полки или насадка.

Поступающая из теплообменников нагретая вода подается сверху, а снизу, навстречу ей движется воздух. При контакте воздуха с водой часть воды испаряется, в результате. оставшаяся часть охлаждается.

Градирни с естественной циркуляцией имеют высокую полую часть. Для уменьшения размеров применяют принудительную циркуляцию воздуха, размещая в верхней части градирни вентилятор.

Градирни с естественной (а) и принудительной (б) тягой, в- фотография градирни.

1 –слой насадки, по которой стекает охлаждаемая вода; 2 –распределитель горячей воды; 3 –поддон для сбора охлажденной воды; 4 –полая высокая часть градирни для обеспечения естественной тяги; 5 –крыльчатка осевого вентилятора для принудительного движения воздуха; 6 –брызгоотбойник.