Нагрівання

Нагріваннясередовищ до необхідних температур в промисловості здійснюють за допомогою гріючих теплоносіїв.

Водяна пара (особливо насичена) як гріючий теплоносій набула велике поширення в теплообмінних апаратах різних конструкцій завдяки ряду позитивних якостей. Вона може транспортуватися по трубопроводах на значні відстані (сотні метрів). При його конденсації виділяється значна кількість теплоти (близько 2·10⁶ Дж/кг), що супроводжується високими коефіцієнтами тепловіддачі (порядку 10⁴ Вт/(м² К). Постійність температури конденсації при певному тиску забезпечує підтримку незмінного теплового режиму, рівномірності обігріву і легкості регулювання процесу теплообміну. Водяна пара доступна, дешева, нетоксична і пожежобезпечна.

Недоліком застосування насиченої водяної пари є необхідність збільшення її тиску з метою збільшення температури, що вимагає підвищення міцнісних характеристик, а отже, і матеріаломісткості теплообмінних апаратів, в яких вона використовується. Так при температурах насиченої водяної пари 140... 180 °С її абсолютний тиск складає 0,37... 1,02 МПа.

У промисловості застосовують нагрів гострою і глухою водяною парою.

При нагріві гострою парою вона вводиться безпосередньо в середовище, що обігрівається, і змішується з ним. Використовування даного способу допускається у разі можливості контакту і розбавлення середовища, що нагрівається, конденсатом, що утворюється.

Витрата гострої пари D_ост визначається з рівняння теплового балансу

(13.1)

Звідси

(13.2)

де G — витрата середовища, що нагрівається;

— питомі теплоємності середовища, що нагрівається, і води (конденсату);

— початкова і кінцева температури середовища, що нагрівається;

^— питома ентальпія пари.

При нагріванні глухою парою теплота передається через стінку — поверхню теплообміну.

Витрата глухої пари визначається по залежності, аналогічній (6.1),

(13.3)

— питома ентальпія конденсату.

Гаряча вода (при нормальному тиску) як гріючий теплоносій набула велике поширення для нагріву середовищ до температур порядку 100°С, особливо в опалювальних і вентиляційних установках. Приготування гарячої води здійснюється в спеціальних водогрійних котлах і водонагрівальних установках.

Гарячу воду можна транспортувати по трубопроводах на значні відстані (декілька кілометрів). Вона володіє відносно високими коефіцієнтами тепловіддачі. Проте нагрівання гарячою водою супроводжується зниженням її температури уздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність обігріву і утрудняє регулювання температури.

Топкові (димові) гази дозволяють нагрівати середовища в інтервалі температур 180... 1000 °С. Утворюються вони при спалюванні твердого, рідкого або газоподібного палива в топках або печах різної конструкції.

При нагріві топковими газами спостерігаються значні перепади температур між гарячим теплоносієм і середовищем, що нагрівається («жорсткі» умови нагріву), дозволяючі досягати високих теплових навантажень. Проте при цьому методі нагрівання важко регулювати процес теплопередачі і уникнути локальних перегрівів через нерівномірність обігріву. Коефіцієнти тепловіддачі від топкових газів до теплообмінних поверхонь значно нижче, ніж у інших середовищ (30...50 Вт/(м² К)). Крім того, обігрів топковими газами є пожежонебезпечним, супроводжується необхідністю регулярного чищення апаратів. Істотним недоліком топкових газів є можливість використовування їх тільки безпосередньо на місці отримання через великі теплові втрати.

Високотемпературні проміжні теплоносії одержують теплоту або від топкових газів, або від електричного струму і передають її матеріалу, що нагрівається.

Перегріта вода (вище 100°С) існує при підвищеному тиску. Так, при температурі біля 370°С і тиску 22,5 МПа перегріта вода дозволяє нагрівати матеріали до 350°С. Проте обігрів перегрітою водою через високий тиск значно здорожує нагрівальну установку.

Мінеральні масла дозволяють нагрівати середовища до температури 300 °С. При нагріві використовуються компресорне, циліндрове масло і інші речовини з високою температурою спалаху. Проте даний спосіб має ряд недоліків: низькі коефіцієнти тепловіддачі; пожежонебезпечність; забруднення теплопередавальної поверхні продуктами окислення і розкладання, знижуючими коефіцієнти теплопередачі.

Високотемпературні органічні теплоносії (ВОТ), вживані як в рідкому, так і в пароподібному стані, дозволяють здійснювати нагрів до температури 400°С. До ВОТ відносяться гліцерин, етиленгліколь, нафталін, а також похідні ароматичних вуглеводнів (діфеніл, діфеніловий ефір, діфенілметан, дітомілметан і ін.), кремнійорганічні рідини і т.п. Більшість ВОТ відрізняються термічною стійкістю, вибухобезпечністю, значними коефіцієнтами тепловіддачі (1500...1700 Вт/(м²·К)) і теплотворною здатністю (до 300 кДж/кг) при нормальному тиску.

Розплави солей (нітріт-нітратні суміші), що складаються з 40% NaNO₂,

7 % NaN0₃, 53 % КNО₃, призначені для нагріву речовин до температури 550 °С. Процесс здійснюється при вимушеній циркуляції суміші.

Нітріт-нітратні суміші є сильними окислювачами, тому по міркуваннях вибухобезпечності недопустимий їх контакт з органічними речовинами.

Розплави металів (літій, натрій, калій, ртуть, свинець і ін.) застосовують для нагріву до температури 800 °С.

Теплообмінні установки, наповнені натрієм, повинні бути герметичні і захищені інертним газом. Сплав натрію і калію є вельми небезпечною горючою і вибуховою речовиною. Ртуть застосовується при атмосферному тиску для подачі теплоти тільки при зниженій температурі. Пари її є дуже токсичними.

Ефективним теплоносієм з високим коефіцієнтом тепловіддачі є евтектика Pb + Bі. Цей теплоносій в обігу порівняно безпечний.

В даний час рідкі метали набувають особливого значення при їх застосуванні в теплоустановках атомних електростанцій.

Тверді зернисті теплоносії дозволяють нагрівати різні технологічні гази до температури 1500°С.

Як зернисті теплоносії застосовують жаростійкі тверді матеріали (кварц, алюмосилікати, діабаз, алунд, шамот і ін.) з частинками розміром 0,05...8 мм. Такі зернисті матеріали мають велику питому поверхню — 500... 100 000 м²/м³ залежно від розмірів частинок.

Завдяки цьому в порівняно невеликих апаратах вдається розмістити значні теплообмінні поверхні і здійснити ефективний теплообмін між заповнюючими апарати зернистими матеріалами і газами, що продуваються через них.

Для нагрівання топковими газами застосовують установки з циркулюючим зернистим матеріалом, рухомим суцільним потоком; з циркулюючим зернистим матеріалом, що знаходиться в апаратах в псевдозрідженому стані, а також з нерухомими шарами.

Нагрівання електричним струмом характеризується легкістю і точністю регулювання, рівномірністю обігріву, компактністю нагріваючих пристроїв.

За способом перетворення електричної енергії в теплову розрізняють електричні печі опору, індукційні і дугові. Електричні печі опору діляться на печі прямої дії і печі побічної дії.

У електричних печах опору прямої дії тіло, що нагрівається, включається безпосередньо в електричний ланцюг і нагрівається при проходженні через нього електричного струму.

У електричних печах опору побічної дії теплота виділяється при проходженні електричного струму по нагрівальних елементах. Нагрівальні елементи печей виготовляють з дроту (діаметр 3...5 мм) або із стрічки ніхрому (сплав, що містить 20% Сг, 30...80% Ni і 0,05...50% Fe) або хромозалізоалюмінієвих сплавів (відношення товщини до ширини — 0,05.-.0,2).

Теплота, що виділяється, передається матеріалу випромінюванням, конвекцією і теплопровідністю. Нагрів середовищ в таких печах здійснюється до температур 1000... 1100 °С.

Кількість теплоти, що виділилося при проходженні електричного струму в нагрівальному пристрої (Q_э, необхідне для нагріву речовини від t_н до t_к, визначається з теплового балансу

(13.4)

звідки

(13.5)

У електричних індукційних печах нагрів здійснюється унаслідок теплових ефектів, що викликаються індукційними струмами, що виникають під впливом змінного електричного струму, або в стінках апарату, або в речовині, що нагрівається.

Діелектричні матеріали, що не проводять електричний струм (пластмаса, скло, дерево і ін.), нагріваються струмами високої частоти (5 • 10⁵... 1 • 10⁸ Гц) при напрузі електричного поля 1000...2000 В/см, які впливають безпосередньо на молекули речовини, що нагрівається. Діелектричне нагрівання відрізняється рядом переваг: безпосереднє виділення теплоти у всій товщині матеріалу, що нагрівається (забезпечуюче рівномірний прогрів оброблюваного матеріалу); велика швидкість нагрівання; можливість нагрівання тільки окремих частин матеріалу; легкість регулювання процесу нагрівання і можливість його повної автоматизації.

У дугових печах тіло, що нагрівається, взаємодіє безпосередньо з електричною дугою, що виникає в газовому середовищі між електродами. Нагрів даним способом дозволяє досягати температур 2500...3000°С, проте відрізняється підвищеною «жорсткістю», нерівномірністю нагріву, а також трудністю регулювання.

Дата добавления: 2014-01-15