22.СПОСОБЫ ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛОТЫ ... ТЕХНОЛОГИИ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

22.СПОСОБЫ ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ.
ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМ.
ОБОГРЕВ
ВОДЯНЫМ
ПАРОМ,
ВЫСОТЕМППЕРАТУРНЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ,
ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ. СПОСОБЫ ЭЛЕКРООБОГРЕВА. ОТВОД
ТЕПЛОТЫ
ВОДОЙ,
ВОЗДУХОМ
И
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ.
В качестве первичных источников тепла в промышленности используют
электрическую энергию и топочные (дымовые) газы, получаемые при сжигании
различных видов топлив (прир. газ, мазут, уголь и т.д.). Эти источники тепла могут
использоваться либо для непосредственного нагрева среды, либо для нагревания других
теплоносителей, называемых промежуточными, которые затем уже отдают тепло среде.
Когда возможно, следует утилизировать тепло, содержащееся в продуктах и
отходах производства, направляя их в качестве теплоносителей в теплообменные
аппараты.
Промышленные теплоносители.
Выбор теплоносителя зависит, в первую очередь, от требуемой температуры
нагрева или охлаждения.
Промышленный теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность
теплообмена при минимальных его расходах и затратах на перемещение - обладать
высоким теплосодержанием и малой вязкостью.
Кроме этого, желательно, чтобы теплоноситель был негорючим, нетоксичным,
термически и химически стойким, не должен оказывать корродирующего (разрушающего)
действия на материал теплообменника, и загрязнять аппарат разного рода отложениями
(накипью, осмолениями и т.д.), должен быть дешевым и доступным.
Нагревающие агенты.
1.Водяной пар промежуточный теплоноситель получаемый на тепловых станция переводом воды
в пар в паровых котлах при сжигании топлива. Подают пар к потребителям по
паропроводам.
Наиболее широко используется насыщенный водяной пар, т.к. он обладает
большим значением удельной теплоты конденсации (2260 кДж.кг при 1 ат), высоким
коэффициентом теплоотдачи при конденсации. Изменяя давление пара можно точно
регулировать его температуру. Водяной пар доступен, сравнительно недорог, не горюч, не
токсичен, легко транспортируется по трубопроводам на значительные расстояния.
Основным недостатком у пара является то, что высокие температуры достигаются
значительным увеличением давления, что требует использования дорогостоящей
толстостенной химической аппаратуры. Поэтому, на практике, насыщенный водяной пар
используется для нагревания до температур около 180 оС, что соответствует давлению
около 12 ат.
На заводах кроме выработки пара проводят и его утилизацию после турбин
электрогенераторов. При этом, пар высоких параметров (перегретый относительно
температуры конденсации) давлением до 250 ат крутит турбину, после турбины пар
(«мятый пар») давлением 5-7 ати поступает на нужды производства.
Перегретый ( относительно температуры конденсации) пар имеет меньшие чем у
насыщенного коэффициенты теплоотдачи. Часто, в паропроводы подают немного
перегретый пар, чтобы скомпенсировать тепловые потери на пути пара к аппаратам.
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.
Наиболее распространено нагревание «глухим» паром.
Пар подается в рубашку аппарата 1, где он конденсируется и нагревает через стенку
жидкость. Конденсат пара стекает по стенке аппарата и отводится из нижней части
рубашки через конденсатоотводчик 2. Обводная линия 3 служит для обеспечения
возможности осмотра и ремонта конденсатоотводчика или продувки парового
пространства.
Для того, чтобы поддерживать в паровой системе заданное давление и удалять
конденсат без непроизвольного стравливания пара применяют специальные устройства –
конденсатоотводчики (конденсационные горшки). Конденсатоотводчик размещают ниже
аппарата, т.к. конденсат стекает самотеком и снабжают обводной линией (байпасом) для
возможности его отключений на осмотр или ремонт без прекращения работы
теплообменника.
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.
Конденсатоотводчик с открытым поплавком.
1-корпус; 2-стаканный поплавок, всплывающий при при поступлении конденсата и
закрывающий клапаном 3, крепящимся к стакану 2 стержнем 4, выходное отверстие; при
дальнейшем поступлении конденсата он переливается через край поплавка, заполняет и
топит его, открывая клапан 3, причем конденсат выдавливается по трубе 5, пока клапан
вновь не откроется; 6 –обратный клапан; 7 –продувочный вентиль.
Греющий пар содержит примеси неконденсирующихся газов (азота, кислорода и
т.д.). Примеси снижают коэффициент теплоотдачи при конденсации пара. Чтобы их
удалять из парового пространства теплообменника предусматривают устройства
стравливания неконденсирующихся газов. Этой же цели служит продувочный вентиль в
конденсатоотводчике.
В случаях, когда допустимо смешение нагреваемой жидкости с конденсатом пара
целесообразно использовать нагревание «острым» паром. Пар вводят в жидкость через
барботажные устройства или трубу. Такой способ обогрева проще и позволяет также
использовать тепло конденсата.
Обогрев «острым» паром.
а) Бесшумный сопловой подогреватель (1 –сопло; 2 –смешивающий диффузор);
б) Паровой барботер.
2. Горячая вода.
Коэффициент теплоотдачи от горячей воды в несколько раз меньше чем от
конденсирующегося пара, также значительно меньше и теплосодержание. Температура
вдоль поверхности теплообмена уменьшается, что ухудшает равномерность нагрева и
затрудняет его регулирование. Если предприятие потребляет большое количество пара
целесообразно использовать тепло конденсата для нагрева технологических сред до
сравнительно невысоких температур. Если требуется, горячую воду дополнительно
получают в водогрейных котлах, обогреваемых топочными газами.
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.
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.
В) Высококипящие органические вещества
К ним относя высококипящие органические вещества и их смеси, с помощью
которых можно получать высокие температуры при невысоких давлениях.
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.
Г) Расплавы солей и металлов
Применяют в чистом виде, в смесях и сплавах для нагрева до температур порядка
400 оС.
Например, нитрит-нитратная смесь, состоящая из азотнокислых натрия и калия и
азотистокислого натрия. Температура нагрева – до 540 оС, температура плавления смеси
– + 142 оС. Коэффициенты теплоотдачи ниже, чем у перегретой воды.
Довольно широко применяются легкоплавкие металлы (ртуть, натрий, калий) и их
сплавы. Эти теплоносители отличаются термостойкостью, хорошей теплопроводностью,
высокими коэффициентами теплоотдачи. Основной недостаток – высокая токсичность
паров металлов, высокая стоимость.
Д) Гелий
Применяют для нагрева до температур порядка 1000 оС при давлениях до 50 ат.
Кроме рассмотренных теплоносителей для нагрева применяют электрический ток.
Применение электронагрева охватывает большой диапазон температур, которую можно
точно регулировать. Недостаток электронагрева – высокая стоимость.
Нагрев проводят:
1) при помощи электрического сопротивления;
2) индукционно;
3) высокочастотным способом;
4) электрической дугой.
Охлаждающие агенты
Для охлаждения до температур 10-30 оС используют воду и воздух. Вода имеет
значительно большую теплоемкость и коэффициент теплоотдачи. Кроме того, летом с
помощью воды можно охлаждать до более низких температур.
На производстве для охлаждения, как правило, используют оборотную воду
циркулирующую в замкнутом цикле. После прохождения по теплообменникам вода
охлаждается путем частичного испарения в открытых бассейнах или, что чаще, в
градирнях. Затем при температуре 25-30 оС направляется в цикл на охлаждение. Иногда
используют артезианскую воду температурой около 10 оС.
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.
Если требуется относительно низкие температуры (5-15 оС) можно использовать
захоложенную воду. Для достижения температур около 0 оС – использовать лед,
который, если допустимо, вводят непосредственно в охлаждающую жидкость.
Для достижения более низких температур (меньше 0 оС) применяют холодильные
агенты – пары низкокипящих жидкостей, сжиженные газы и т.д.