Нагревание топочными газами

Дымовые или топочные газы относятся к давно применяемым нагревательным агентам. Топочные газы не потеряли своего значения до настоящего времени, так как позволяют осуществлять нагревание до высоких температур, достигающих 1000... 1100 °С, при незначительном избыточном давлении в теплообменнике (со стороны газов). Наиболее часто топочные газы используют для нагрева через стенку других нагревательных агентов — промежуточных теплоносителей.

Наиболее существенными недостатками топочных газов являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке [не более 35 ... 60 Вт/м²К)], возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при непосредственном обогреве газами). Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают «жесткие» условия нагревания, которые недопустимы для многих продуктов и могут вызвать их перегрев.

Из-за относительно низкой удельной теплоемкости топочных газов их объемные расходы велики и транспортирование требует значительных затрат. Поэтому топочные газы обычно используют непосредственно на месте их получения.

Топочные газы получают, сжигая в топках печей твердое, жидкое или газообразное топливо. Кроме того, экономически целесообразно применение в качестве греющих агентов отходящих газов некоторых химических и других производств; температура этих газов достаточно высока и иногда достигает 500...600 °С.

Нагревание перегретой водой

В качестве нагревательного агента перегретая вода используется при давлениях, достигающих критического (22,1 МН/м²) которому соответствует температура 374 °С. Поэтому с помощью перегретой воды возможно нагревание материалов до температур, не превышающих приблизительно 350 °С. Однако обогрев перегретой водой связан с применением высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время он вытесняется более экономичными способами нагрева другими высокотемпературными теплоносителями.

Для нагрева перегретой водой и другими жидкими теплоносителями используют установки с естественной и принудительной циркуляцией.

В установке с естественной циркуляцией (рисунок 4.12,а) жидкость заполняет нагревательную систему, состоящую из змеевика 1, обогреваемого в печи топочными газами, и теплоиспользующего аппарата 2, соединенных

подъемным трубопроводом 3 и опускным трубопроводом 4. Нагретая в змеевике 1 жидкость поднимается по трубопроводу 3, отдает тепло среде, нагреваемой в аппарате 2, и сама охлаждается. При этом ее плотность возрастает и жидкость возвращается в печь по трубопроводу 4 для последующего нагревания в змеевике 1. Таким образом, движение жидкости в замкнутом циркуляционном контуре происходит под действием разности плотностей нагретой и охладившейся жидкости.

Для того, чтобы свести к минимуму коррозию труб и устранить выделе­ние неконденсирующихся газов, ухудшающих теплообмен, всю нагрева­тельную систему заполняют дистиллированной водой, не допуская попа­дания в систему воздуха при ее заполнении и разогреве.

Расчет установок с естественной циркуляцией жидкого нагревающего агента ведут, исходя из равенства движущего напора в контуре и гидрав­лического сопротивления контура

(4.50)

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

(4.51)

где h — разность уровней рабочей части теплообменного аппарата и змеевика в генераторе тепла, которая принимается равной разности отметок их средних сечений; g — ускорение свободного падения; ρ_1, ρ₂ — плотности нагревающего агента в подъемной и опускной трубах при температурах t₁ и t₂ соответственно (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.

С помощью уравнений (4.50) и (4.51), а также с учётом уравнения Бернулли для определения гидравлического сопротивления контура, можно рассчитать диаметр d трубопровода и расход G любого жидкого нагревающего агента при естественной циркуляции.

Из правой части уравнения (4.50) видно, что движущий напор возрастает с увеличением h и разности плотностей нагретой и охладившейся жидкостей. Поэтому при обогреве с естественной циркуляцией теплоиспользующие аппараты располагают не менее чем на 4...5 м выше печи или другого нагревательного устройства. Таким образом, общая высота

нагревательной установки должна быть весьма значительной. Однако даже в этих условиях скорость жидкости при естественной циркуляции мала, и поэтому тепловая производительность установок с естественной циркуляцией невелика.