2.1.3. Нагрівання “гострою парою”

Під час нагрівання “гострою парою” в рідину, що нагрівається водяна пара вводиться безпосередньо, і під час конденсації віддаючи тепло рідині змішується з нею. Цей метод нагрівання є простим і дає змогу краще використовувати тепло пари, оскільки в процесі змішування температури конденсату і рідини вирівнюються. Однак цей метод можна застосовувати тоді, коли припустиме змішування водяної пари з рідиною.

Якщо одночасно із нагріванням рідину необхідно переміщувати, то введення “гострої пари” здійснюється через барботери - труби, які розміщуються на дні апарата, закриті з кінця і мають велику кількість дрібних отворів, що обернені догори. Для кращого перемішування, зменшення шуму, що викликаний різким зменшенням об‘єму пари під час конденсації, і уникнення гідравлічних ударів використовують безшумні соплові нагрівачі (рис. 2.4), в яких пара подається в сопло 1 і змішується з рідиною, що захоплюється парою через бокові отвори у змішуючий дифузор 2. Під час змішування рідини з парою всередині дифузора 2 значно зменшується шум.

Рис. 2.4. Безшумний паро струминний нагрівач:

1 – резервуар; 2 – сопло; 3 – труба для подачі пари; 4 – вентиль.

Витрату гріючої “гострої пари” визначають з теплового балансу:

(2.2)

де G - кількість рідини яка нагрівається, кг; c - теплоємність рідини, дж/кг·град; D - витрата гріючої пари, кг/год; δ - тепловміст гріючої пари, дж/кг; t₁ і t₂ - температури рідини до і після нагрівання; Q_втр - втрати тепла в оточуюче середовище, дж/кг; τ - тривалість нагрівання.

З рівняння (2.2) визначають витрату “гострої пари”.

(2.3)

Оскільки під час нагрівання гострою парою відбувається розбавлення рідини конденсатом, то цей метод використовується для нагрівання води і водних розчинів.

2.1.4. Нагрівання гарячою водою

Порівняно з нагріванням водяною насиченою парою нагрівання гарячою водою має певні недоліки. Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води, як і від іншої рідини нижчі за коефіцієнти тепловіддачі від водяної насиченої пари. Під час нагрівання гарячою водою знижується температура вздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність нагрівання.

Гарячу воду одержують у водогрійних котлах, що обігріваються димовими газами, і парових водонагрівачах (бойлерах). Застосовують її у разі нагрівання до температур, які є нижчі від 100°С. Для нагрівання водою використовують циркуляційні системи обігріву.

В деяких випадках для нагрівання використовують конденсат водяної пари.

2.1.5. Нагрівання димовими газами

Нагрівання димовими (топковими) газами є найстарішим методом нагрівання, який не втратив свого значення внаслідок можливості отримання високих температур (100÷1100°С) під час спалювання твердого, рідкого та газоподібного палива (за невисокого надлишкового тиску в теплообміннику). Найчастіше їх використовують для нагрівання через стінку інших нагрівальних агентів (проміжних).

Особливістю нагрівання димовими газами є жорсткі умови процесу нагрівання ( неприпустимі для багатьох продуктів), значні перепади температур і невеликі коефіцієнти тепловіддачі (35÷60 вт/м²·град) від газу до стінок апарату. Великі температурні перепади під час такого нагрівання сприяють досягненню високих теплових навантажень. Найбільш суттєвими недоліками цього методу є: нерівномірність нагрівання, можливість забруднення продуктами неповного згоряння палива, перегрівання матеріалу, який нагрівається, вогненебезпечність тощо. Внаслідок низької питомої теплоємності топкових газів об`ємні витрати їх великі і транспортування вимагає великих капітальних витрат. Тому топкові гази переважно використовують на місці їх одержання.

Нагрівання топковими газами здійснюється в різних печах (трубчастих, реакційних котлах та автоклавах). Економічно доцільно застосовувати в якості гріючих агентів відхідні гази деяких хімічних та інших виробництв, температура яких є достатньо високою і досягає 500-600⁰С.

Для нагрівання рідких продуктів (нафти) переважно використовують трубчасті печі (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Трубчаста піч:

1 – топка; 2 – топкова камера; 3 – вікно; 4 – вентилятор; 5 – змійовик; 6 – шахта; 7 – канал

Топкові гази утворюються в топці 1, в якій спалюється тверде, рідке або газоподібне паливо, а також сюди подається необхідна для спалювання газу кількість повітря. Повітря подається в топки 2 через вікно з вентилятором 4. Топкові гази омивають трубний змійовик 5, який розміщений в шахті 6 і виводять через канал 7. Перша за ходом руху топкових газів частина печі називається радіантною, оскільки в ній основна частина тепла передається до трубного змійовика випромінюванням, а друга - конвективною. В цій камері тепло передається трубам, головним чином, за рахунок конвекції.

Піч для реакційних котлів (автоклавів), яка працює на газоподібному паливі показана на рис 2.6. Газоподібне паливо спалюється в топці 1, куди через канал 2 подається необхідне для спалювання палива повітря. Димові гази відтак направляються в камеру 3, де передають тепло апарату 4. Відпрацьовані димові гази через кільцевий канал 5 направляються в канал 6.

Безпосереднє нагрівання топковими газами, яке відбувається в жорстких умовах може призвести до неприпустимого перегрівання продуктів біля стінок апарату.

Т ому для пом‘якшення умов передачі тепла за одночасного збільшення коефіцієнтів тепловіддачі відпрацьовані гази повертають в піч для змішування з димовими газами, які відводяться з топки.

Рис. 2.6. Печі для реакційних котлів, автоклавів:

1 – топка; 2 – канал; 3 – камера; 4 – апарат; 5 – кільцевий канал; 6 – боров.

Часткове повернення відпрацьованого газу знижує температуру і збільшує об`єм газу, який нагріває апарат. Збільшення кількості газу приводить до збільшення швидкості газового потоку і коефіцієнта тепловіддачі. Подібні методи нагрівання називаються нагріванням з рециркуляцією.

На рис. 2.7. показана піч з рециркуляцією топкових газів. В цій печі частина відпрацьованих топкових газів безперервно відсмоктується вентилятором 3 і через димохід 4 і вікно 5 направляється на змішування з димовими газами, які виходять з топки.

Рис. 2.7. Принципова схема обігріву з рециркуляцією димових газів:

1 – топка; 2 – змійовик; 3 – вентилятор; 4 – димохід; 5 – вікно; 6 – димова труба.

Рис. 2.8. До теплового балансу

нагрівання димовими газами

Витрати палива під час нагрівання димовими газами визначають з теплового балансу (рис.2.8)

(2.4)

де G – кількість продукту, який підлягає нагріванню, кг/год; с – теплоємність, Дж/(кг·град); t₁ і t₂ – температура продукту до нагрівання і після нього відповідно, ⁰С; Q₀ – загальна кількість тепла, що вноситься паливом, Дж/кг; Q₁ – витрати тепла з газами, які виводяться з печі, Дж/кг; Q₂ – втрати тепла, пов‘язані з механічно неповним згорянням палива, Дж/кг; Q₃ – втрати тепла від хімічної неповноти згоряння, Дж/кг; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/кг.

Тепло, яке корисно використовується і передається через поверхню нагрівання визначається за рівнянням:

(2.5)

Загальна кількість тепла, яке вноситься з паливом, визначається з теплового балансу (2.4)

(2.6)

Втрати палива в кг/кг визначаються з рівняння:

(2.7)

де q₀ = q_т + q_п + q_з – тепло в Дж, яке вноситься в топку на 1кг палива; q_т – теплота палива, Дж/кг; q_п – тепловміст повітря, яке вноситься для спалювання 1 кг палива, Дж/кг; q₃ – теплота згоряння палива.