Подвод теплоты
В химической технологии нагревание используют в основном для ускорения массообменных и химических процессов, температурные условия которых и определяют выбор соответствующих теплоносителя и способа нагревания.
В качестве прямых источников тепловой энергии на предприятиях химической промышленности используют топочные (дымовые) газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту нагреваемой среде через стенку теплообменника, называют промежуточными теплоносителями.
Наиболее распространенными промежуточными теплоносителями являются насыщенный водяной пар, горячая вода, различные высокотемпературные теплоносители – перегретая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла и др.
Выбор теплоносителя для каждого конкретного случая индивидуален и определяется, прежде всего, величиной температуры нагревания и необходимостью ее регулирования.
Нагревание водяным паром
Для нагревания применяют преимущественно насыщенный пар давлением до (1 – 1,2) МПа. Использование пара более высокого давления обычно экономически неоправданно (соответственно указанному давлению нагревание водяным паром ограничено температурой 190 °С).
Широкому распространению нагревания паром способствуют:
1. большое количество тепла, выделяющееся при конденсации единицы массы водяного пара (2260…1990 кДж/кг при давлениях 0,1…1,2 МПа).
2. высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке – порядка 5000…15000 Вт/м2с.
3. равномерность обогрева (т.к. конденсация пара происходит при постоянной температуре).
Нагревание «острым паром»
При таком способе водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость, конденсируясь, он отдает жидкости тепло, а конденсат смешивается с этой жидкостью.
Устройства для обогрева жидких сред «острым» водяным паром
а – бесшумный сопловой подогреватель (1 – сопло; 2 – смешивающий диффузор);
б – паровой барботер
Рис. XVI.4
Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали или колец.
Расход острого пара при периодическом нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:
,
,
где G – количество нагреваемой жидкости, (кг); D – расход греющего пара, (кг); с – теплоемкость нагреваемой жидкости, (кДж/(кг∙К)); с в – теплоемкость конденсата, (кДж/(кг∙К)); Н – энтальпия греющего пара, (кДж/кг); t 1 и t 2 – температура жидкости соответственно до и после нагревания, (К); Q п – потери тепла аппаратом в окружающую среду, (кДж/ч); τ – продолжительность нагрева, (ч).
При обогреве «острым паром» происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.
Нагревание «глухим» паром
В данном случае жидкость нагревается паром через разделяющую их перегородку, стенку, в аппаратах с рубашками, со змеевиками и т.д. Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата. Температуру конденсата можно с достаточной точностью принять равной температуре греющего пара.
Расход «глухого» пара при непрерывном нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:
,
,
где G – поток нагреваемой жидкости, (кг/ч); D – расход греющего пара, (кг/ч); t в – температура конденсата, К.
Схема размещения конденсатоотводчика на аппарате с обогревом «глухим» водяным паром
1 – паровая рубашка; 2 –конденсатоотводчик; 3 – обводная линия;
4 – патрубок для слива продукта
Рис. XVI.5
Пар практически всегда вводят в верхнюю часть аппарата, а образующийся конденсат отводят из нижней его части через конденсатоотводчик. Последний обеспечивает быстрый и своевременный отвод образующегося в паровом пространстве конденсата и препятствует уходу с конденсатом не успевшего сконденсироваться газа.
Поплавковый конденсатоотводчик
1 – корпус; 2 – поплавок; 3 – клапан; 4 – стержень; 5 – направляющий стакан
Рис. XVI.6
При поступлении конденсата в корпус 1 конденсатоотводчика поплавок 2 всплывает, поднимается клапан 3 для отвода конденсата. После удаления конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие.
Степень открытия выходного отверстия соответствует расходу отводимого через конденсатоотводчик конденсата. Конденсатоотводчик снабжен также отводной линией, позволяющей производить его ремонт и техническое обслуживание, не прерывая работу аппарата.