Оскільки то

(1.126)

Розділивши змінні та інтегруючи рівняння (1.126) вздовж поверхні теплообміну в межах доі dF- від 0 доF за постійного значення коефіцієнта теплопередачі К одержимо:

або

(1.127)

де Δ t _п – початкова різниця температур ( на одному кінці теплообмінника); Δ t _к – кінцева різниця температур ( на протилежному кінці теплообмінника).

Запишемо рівняння теплового балансу для всієї поверхні теплообміну

звідки

Підставивши значення m в рівняння (1.127) одержимо

,

звідки остаточно

(1.128)

Порівнюючи (1.128) з основним рівнянням теплопередачі (1.5) приходимо до висновку, що середня різниця температур, або середній температурний напір

(1.129)

За відношення різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника t/t<2 можна вважати з достатньою для технічних розрахунків точністю, що середній температурний напір є середньоарифметичною величиною, тобто

З рівняння (1.127) випливає, що

(1.130)

Тобто криві зміни температури, описані рівнянням (1.130) для прямотечійного руху теплоносіїв асимптотично наближаються одна до другої. Якщо середній температурний напір є середньоарифметичною різницею температур, то температури теплоносіїв змінюються прямолінійно вздовж поверхні теплообміну.

Рис. 1.18. Зміна температури теплоносіїв при протитечійному процесі.

Рівняння для протитечійного процесу теплопередачі рис. (1.18) матиме вигляд

(1.131)

де - різниця температур на тому кінці теплообмінника, де вона більша;t - менша різниця температур на протилежному кінці теплообмінника.

. Вибір взаємного напрямку теплоносіїв

Вибір взаємного напрямку теплоносіїв має велике значення для економічнішого проведення процесу теплообміну. Для оцінки ефективності процесів теплообміну порівняємо прямотечійний і протитечійний процеси з точки зору витрат теплоносіїв і середньої різниці температур (рис.1.19). Для прямотечійного процесу кінцева температура більш холодного носія t_2к не може бути вищою за температуру більш нагрітого теплоносія t_1к. Практично для здійснення процесу теплообміну на виході з теплообмінника повинна бути деяка різниця температур t_к = t_1к – t_2к.

Рис. 1.19. Порівняння прямотечійного і протитечійного руху теплоносіїв

За протитечійного процесу холодніший теплоносій з такою ж початковою температурою t_2п, що за прямотечійного процесу може бути нагрітий до більш високої температури_2к, яка наближається до початкової температури t_1нбільш нагрітого теплоносія. Це дає можливість скоротити витрати холоднішого теплоносія, беручи до уваги рівняння матеріального балансу:

(1.132)

Під час протитечійного процесу зменшується середня різниця температур і, відповідно збільшується поверхня теплообміну порівняно з прямотечійним процесом, однак економічний ефект, який досягається внаслідок зменшення витрат за протитечійного процесу перевищує додаткові витрати пов’язані із збільшенням розмірів теплообмінника. Отже застосування протитечійного процесу теплообміну є економічнішим ніж прямотечійний процес.

Порівняємо тепер протитечійний процес з прямотечійним за тих самих початкових і кінцевих температур теплоносіїв. Зміна температури холоднішого теплоносія показана на рис.1.19 пунктиром. Розрахунки показують, що в цьому випадку середня різниця температур під час протитечійного процесу буде більшою ніж за прямотечійного, а витрати теплоносіїв однакові. Тому, швидкість теплообміну за протитечійного процесу буде більшою, що надає переваги протитечійному процесу перед прямотечійним.

В окремих випадках вибір напрямку руху теплоносіїв за принципом прямотоку визначається технологією процесу. Так в барабанних сушарках матеріал, який підлягає сушінню і гріючий агент (топкові гази, нагріте повітря) направляють в одному напрямку з метою запобігання перегрівання матеріалу, який підлягає сушінню.

Вказані вище переваги протитечійного процесу відносяться до процесів теплообміну, в яких не відбувається зміни агрегатного стану теплоносіїв. Якщо температура одного з теплоносіїв (наприклад сконденсована пара) залишається постійною вздовж поверхні теплообміну, а температура теплоносія з іншого боку стінки змінюється в часі і вздовж поверхні теплообміну, то напрямок руху теплоносіїв не впливає на різницю температур, середню різницю температур і витрату теплоносіїв.

НАГРІВАННЯ, ОХОЛОДЖЕННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ

Загальна характеристика

В хімічній промисловості поширені теплові процеси – нагрівання і охолодження рідин і газів і конденсація пари, які проводяться в теплообмінних апаратах (теплообмінниках).

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від однієї речовини до другої. Речовини, що задіяні у процесі передачі тепла, називають теплоносіями. Теплоносії з вищою температурою, ніж нагріваюче середовище, які віддають тепло, називають нагрівальним агентом, а теплоносії з нижчою температурою, ніж середовище, від якого вони сприймають тепло, - охолоджуючим агентом.

Прямим джерелом тепла в хімічній технології є димові гази - газоподібні продукти згорання палива, і електрична енергія. Речовини, що одержують тепло від таких джерел і віддають його через стінку теплообмінника до нагріваючого середовища, називають проміжним теплоносієм. Поширеними проміжними теплоносіями (нагрівальними агентами) є водяна пара і гаряча вода, а також високотемпературні теплоносії – перегріта пара, мінеральні масла, органічні рідини (і їх пара), розплавлені солі, рідкі метали і їх сплави.

Воду і повітря використовують в якості охолоджуючих агентів для охолодження до звичайних температур (10 - 30С).

Необхідна температура нагрівання або охолодження та необхідність її регулювання визначають вибір того чи іншого теплоносія, що відповідає необхідним вимогам:

• повинен забезпечувати високу інтенсивність теплообміну за невисоких масових та об‘ємних його витрат;

• повинен мати незначну в‘язкість і високу густину, теплоємність і теплоту пароутворення;

• повинен (по можливості) бути негорючий, нетоксичний, термічно стійкий;

• щоб не здійснював руйнівного впливу на матеріал теплообмінника;

• повинен бути доступним і дешевим.

Утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів і відходів виробництва, які використовуються в якості теплоносіїв здебільшого є економічно доцільною.

. Гріючі агенти і способи нагрівання

Нагрівання водяною парою

Для нагрівання використовують переважно насичену водяну пару за тисків 1,0-1,2 МПа (10-12 ат). Використання водяної пари більш високого тиску вимагає складної та дорогої апаратури, що економічно не вигідно. Відповідно до тисків 1,0-1,2 МПа нагрівання насиченою водяною парою обмежується температурою ~180⁰С. В процесі нагрівання пара конденсується, виділяючи під час цього велику кількість тепла за невеликої витрати пари.

Широке застосування процесів з нагріванням насиченою водяною парою обумовлено наступним:

1. великою кількістю тепла, яке виділяється під час конденсації пари (2,26·10⁶Дж/кг за тиску 0,1МПа;

2. високим коефіцієнтом тепловіддачі від пари до стінки (4640-17400вт/(м²·град);

3. рівномірністю нагрівання, оскільки конденсація відбувається за постійної температури;

4. високий К.К.Д. нагрівальних парових пристроїв;

5. доступність;

6. пожежобезпечність.

Однак використання насиченої водяної пари в якості нагрівального агента має недолік: із збільшенням температури відбувається значне зростання тиску, тому нагрівання насиченою водяною парою обмежене температурою 180-190⁰С (10-12 ат). Проведення процесу за високих тисків вимагає забезпечення товстостінною та дорогою апаратурою, а також відповідними комунікаціями та арматурою.

Оскільки хімічні виробництва використовують велику кількість тепла і електроенергії, тому доцільно енергетичну пару високого тиску (до 250 ат) пропустити через турбіни для отримання електроенергії, а тоді м‘яту пару (6-8 ат) після турбін задіяти для нагрівання теплообмінної апаратури. Тепло м‘ятої (перегрітої) пари незначне порівняно з її теплотою конденсації, а об‘єм пари на одиницю тепла, що віддається є значно більшим, ніж для насиченої пари, що вимагає збільшення діаметра паропроводів. Для уникнення витрат на транспортування теплоносія, перегріту пару з турбін зволожують, змішуючи її з водою. В цей час пара додатково випаровує деяку кількість води і скеровується в насиченому стані на теплообмінні апарати.

Нагрівання глухою парою

Найпоширеніше використовують в хімічній промисловості нагрівання глухою парою, що передає тепло через стінку теплообмінного апарата. Принципова схема нагрівання глухою парою приведена на рис. 2.1. Гріюча пара із генератора пари – парового котла 1 скеровується у теплообмінник 2, де рідина (або газ) нагріваються парою через стінку, що їх розділяє. Пара, що контактує з холоднішою стінкою, конденсується на ній, і плівка конденсату стікає по її поверхні. Для того, щоб полегшити видалення конденсату, пару вводять у верхню частину апарата, а конденсат відводять з його нижньої частини. Температура плівки конденсату приблизно дорівнює температурі конденсуючої пари, і ці температури можуть бути прийняті такими, що дорівнюють одна другій.

Рис. 2.1. Схема нагрівання глухою парою:

1 – паровий котел; 2 – теплообмінник-підігрівач; 3 – конденсатовідвідник; 4 – проміжна ємність; 5 – відцентровий насос

Витрату D глухої пари під час безперервного нагрівання визначають з рівняння теплового балансу ( рис.2.2)

(2.1.)

де G – витрата нагріваючого середовища; c – середня питома теплоємність нагріваючого середовища; t₁, t₂ – початкова і кінцева температури нагріваючого середовища; І_п, І_к – ентальпії гріючої пари і конденсату; Q_втр – втрати тепла у навколишнє середовище.

Якщо пара не буде повністю конденсуватись на поверхні теплообміну і частина його буде виходити з конденсатом (так звана пролітна пара), то це називається непродуктивною витратою пари.

Для уникнення непродуктивної витрати гріючої пари і організації безперешкодного видалення із апарату парового конденсату без виведення пари, застосовують спеціальні пристрої - конденсатовідвідники. Серед великої кількості таких пристроїв розглянемо найчастіше застосовуваний - конденсатовідвідник з відкритим поплавком (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Конденсаційний горщик з відкритим поплавком:

1 – корпус; 2 – поплавок; 3 – стержень; 4 – труба для відводу конденсату; 5 – клапан; 6 – зворотний клапан; 7 – вентиль.

Такий конденсаційний глечик є пристроєм періодичної дії. Конденсат поступає в глечик і заповнює корпус 1, тоді поплавок 2, який має форму склянки спливає і за допомогою клапана 5 закриває вихідний отвір. Клапан закріплюється до поплавка за допомогою стержня 3. Під час подальшого поступлення конденсату він починає переливатись через краї поплавка і заповнює його. У разі певного рівня заповнення поплавка конденсатом він тоне і клапан 5 відкриває отвір, через який виводиться конденсат.

Конденсатовідвідник встановлюють нижче теплообмінника і забезпечують обвідною лінією (рис.2.1), наявність якої дозволяє не переривати роботу апарата під час короткочасного вимкнення конденсатовідвідника для його ремонту або заміни.

Гріюча пара здебільшого містить певну кількість газів, які не сконденсувались (N₂, O₂, CO₂), що виділяються під час хімічної обробки котлової води і процесу пароутворення в котлах. Ці домішки значно знижують коефіцієнти тепловіддачі від пари. Тому у разі парового обігріву із парового об‘єму теплообмінника повинні періодично видалятьсь гази, що накопичились і не сконденсувались. Для цього використовують продувний вентиль 8 у конденсатовідвіднику (рис.2.3).

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.

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.

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.

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.

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.

Тому 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.

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.

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.

Нагрівання високотемпературними теплоносіями

Під час нагрівання багатьох продуктів в хімічній промисловості з метою їх збереження і забезпечення безпеки процесу нагрівання в тих випадках, коли навіть короткочасне нагрівання неприпустиме, застосовують нагрівання високотемпературними теплоносіями.

Суть цього методу полягає в тому, що такі теплоносії спочатку нагріваються димовими газами і передають одержане тепло матеріалам, які підлягають нагріванню.

В якості проміжних теплоносіїв можуть використовуватися мінеральні олії, перегріта вода, високотемпературні органічні теплоносії (гліцерин, етиленгліколь, нафталін) і деякі похідні ароматичних вуглеводнів (дифеніл, дифенільний ефір тощо), розплавлені солі, метали та ін.

. Нагрівання перегрітою водою

В якості гріючого агента перегріта вода використовується за тисків, що досягають критичного [22,1 Мн/м² (225ат)], якому відповідає температура 374С. Тому за допомогою перегрітої води можливе нагрівання матеріалів до температур, що не перевищують 350С. Але обігрів перегрітою водою пов‘язаний з використанням високих тисків, що значно ускладнює і збільшує вартість нагрівальної установки та її експлуатації.

Цей метод нагрівання може здійснюватись, як природною циркуляцією проміжного теплоносія, так і вимушеною.

Принципова схема установки з природною циркуляцією рідкого теплоносія показана на рис. 2.9. Рідкий теплоносій (перегріта вода) нагрівається в змійовику 2 печі 1. В результаті зменшення під час нагрівання густини теплоносія він переміщається трубопроводом догори до нагрівного апарата 3. Теплоносій переміщується змійовиком і віддає тепло матеріалу, який знаходиться в теплообміннику 3, що призводить до зменшення температури теплоносія і збільшення його густини, в результаті чого він стікає трубопроводом вниз. Так здійснюється замкнута циркуляція проміжного теплоносія.

Рис. 2.9. Принципова схема установки з природною циркуляцією рідкого теплоносія:

1 – піч; 2 – змійовик; 3 – нагрівальний апарат.

Розрахунок установок з природною конвекцією рідкого проміжного теплоносія здійснюють виходячи з рівняння напору, завдяки якому здійснюється циркуляція з врахуванням гідравлічного опору контуру

(2.8)

а також тепла відданого гріючим агентом за одиницю часу і отриманого теплообмінним апаратом

(2.9)

де h – різниця рівнів робочої частини апарату і змійовика в печі, яка приймається такою, що дорівнює різниці їх середніх перерізів, м; g – прискорення сили тяжіння, м/с²; і- густина гріючого агента у верхній і нижній частині труб, кг/м³ за температур t₁ і t₂ відповідно; G – витрата циркулюючого гріючого агента в гарячій і холодній частині труб, кг/год; І₁ і І₂ – ентальпії гріючого агента в гарячій і холодній частині труб, Дж/кг; t_пр - температура продукту, ⁰С.

З рівняння (2.8) видно, що напір, завдяки якому циркулює рідина, збільшиться із зростанням h і різниці густин рідини. Тому під час нагрівання за схемою з природною циркуляцією теплообмінники розміщують на висоті не меншій ніж 4-5м вище від печі або іншого гріючого апарата. Отже загальна висота повинна бути значною. Однак швидкість рідини в умовах природної конвекції є низькою (0,1м/с), тому кількість переданого тепла буде невеликою.

В установках з природною циркуляцією в якості теплоносіїв використовують або високотемпературні органічні теплоносії або перегріту воду. Максимальна температура нагрівання води дорівнює її критичній температурі 374⁰С за тиску 22,6МПа. Роботу такої установки переважно проводять за режиму, коли теплий контур заповнений переважно парою, а холодний – переважно рідиною. За таких умов, завдяки великій різниці між густинами рідини і пари швидкість циркуляції і теплова продуктивність зростають.

Установки з циркуляцією перегрітої води розраховані на тиск 22.5МПа, для чого необхідна складна апаратура. Простішим і економічнішим є обігрівання високотемпературними теплоносіями, яки дають змогу отримувати високі температури за помірних тисків в системі.

Рис.2.10. Принципова схема установки з вимушеною циркуляцією рідкого проміжного теплоносія:

1 – піч із змійовиком; 2 – тепло ізолюючий апарат; 3 – піднімальний трубопровід; 4 – опускаючий трубопровід; 5 – відцентровий насос.

На рис. 2.10 показана установка з вимушеною циркуляцією рідкого проміжного теплоносія. Для заповнення системи необхідна кількість теплоносія подається насосом 5 з ємності 1, після чого збірник 2 відключається від системи вентилями і під час роботи насоса 5 теплоносій циркулює трубчастим підігрівачем 2, який розміщений в печі і сорочкою теплообмінника 1 віддаючи матеріалу необхідну кількість тепла. Використання вимушеної циркуляції дозволяє значно збільшити швидкість циркуляції (до 2 – 2,5 м/с і більше) і відповідно збільшити інтенсивність теплообміну. Під час обігріву з вимушеною циркуляцією зникає необхідність у підніманні теплообмінного апарату над піччю. Крім цього, одна піч може обслуговувати одночасно декілька апаратів. Однак використання насоса збільшує вартість установки і її експлуатації.

Нагрівання мінеральними маслами

Мінеральні масла – це один із найстаріших проміжних теплоносіїв, що використовуються для рівномірного нагрівання різних продуктів. В якості гріючих агентів використовують масла, що мають найвищу температуру спалаху – до 310С. Тому верхня границя нагрівання маслами обмежується температурами 250 - 300С.

Нагрівання за допомогою мінеральних масел здійснюють або розміщуючи апарат з сорочкою, заповненою маслом, в піч, в якій тепло передається до масла від топкових газів, або встановлюючи електронагрівачі всередині масляної сорочки. Якщо використання рідинної сорочки не забезпечує високих коефіцієнтів теплопередачі, оскільки в проміжному теплоносії виникають дуже слабкі конвекційні струмені, то використовують установки з циркулюючим рідким проміжним теплоносієм.

У тих випадках, коли нагрівання теплоносія в сорочці виключається (на вогне- та вибухонебезпечних підприємствах), нагрівання масла здійснюють зовні теплоізолюючого апарата в установках з природною та вимушеною циркуляцією.

Ці установки відрізняються деякими особливостями порівняно зі схемами на рис. 2.9, 2.10. Так, внаслідок значного збільшення об‘єму масла під час його нагрівання за теплообмінником (і вище нього) встановлюють розширюючу ємність. Ємність для холодного в‘язкого масла забезпечують паровим обігрівачем і підводять до нього інертний газ для створення „подушки”, що захищає масло від окислення під час взаємодії з повітрям.

Незважаючи на те, що масла є найбільш дешевими органічними високотемпературними теплоносіями, вони мають певні недоліки. Крім відносно невисоких граничних температур використання, мінеральні масла мають низькі коефіцієнти тепловіддачі, які знижуються ще більше під час термічного розкладу і окислення масел. Окислення і забруднення поверхні теплообміну продуктами розкладу посилюється у разі роботи масел за температур, що наближені до температури їхнього спалаху, і спричиняє значне погіршення теплопередачі. Тому для одержання необхідних теплових навантажень різниця температур між маслом і нагрівальним продуктом повинна бути не нижчою ніж 15 – 20 град.

Нагрівання високо киплячими органічними рідинами і їх парою

Докладно властивості високотемпературних органічних теплоносіїв, до яких належать:

• індивідуальні органічні речовини (гліцерин, етиленгліколь, нафталін та його замінники);

• похідні ароматичних вуглеводнів (дифеніл, дифенілів ефір, дифенілметан, дитолілметан тощо);

• продукти хлорування дифеніла і поліфенолів (арохлори);

• багатокомпонентні (дифенільна суміш)

описуються у спеціальній і довідковій літературі.

У промисловості здебільшого використовують дифенільну суміш (дифеніл – 25%; дифенілів ефір – 73,5%), або Даутерм А, дініл, тощо. Вона є термічно стійкою з низькою температурою топлення (+12,3⁰С), добре транспортується не кристалізуючись. ЇЇ температура кипіння становить 258⁰С (1 атм), тому в рідкому стані використовується для нагрівання до температур менших від 250⁰С. Основною перевагою дифенільної суміші є те, що тиск її насиченої пари становить 1/30-1/60 від тиску насиченої пари води в межах температур від 200 до 400⁰С і тому є можливим використовувати замість змійовиків простіші теплообмінні пристрої – сорочки.

Недоліком дифенільної суміші є її мала теплота пароутворення, однак він компенсується більшою, ніж у води густиною парів, в результаті чого під час випаровування або конденсації суміші кількість тепла, що виділяється на одиницю об‘єму пари є наближеною до відповідної величини для води.

За температур вищих від 400⁰С відбувається розкладання дифенільної суміші. Вона є горючою але практично вибухобезпечною, для людського організму є слаботоксичною.

На рис.2.11. показано схему нагрівання рідкою дифенільною сумішшю з вимушеною циркуляцією. Суміш відцентровим насосом 1 через котел 2 з електрообігрівом подається на нагрівання апарата 3.

Рис. 2.11. Схема нагрівання рідкої дифенільної суміші з вимушеною циркуляцією:

1 – спеціальний відцентровий насос; 2 – котел з електрообігрівом; 3 – тепло ізолюючий агент; 4 – розширювальна ємність; 5 – приймальна ємність; 6 – фільтр.

Через збільшення об‘єму суміші під час нагрівання за апаратом 3 встановлена розширюючи ємність 4. Після здійснення процесу теплообміну і охолодження суміш знову насосом 1 засмоктується в котел. Для компенсації втрат теплоносія під час заповнення системи і її підживлення в ємності 5 здійснюють попереднє підігрівання системи, в яку суміш поступає через фільтр 6.

Щоб уникнути окислення суміші під час контактування її з повітрям над поверхнею рідини в посудині 4 і ємності 5 знаходиться інертний газ (азот), подавання якого в камери електронагрівачів котла 2 забезпечує вибухобезпечні умови його роботи. Вся система також періодично продувається азотом.

Схема нагрівання пароподібною дифенільною сумішшю наведена на рис. 2.12 . Пара з котла 1 з електронагріванням подається у сорочки теплообмінних апаратів 2, де вона конденсується. Конденсат через конденсатовідвідники 3 повертається на випаровування самопливом у котел 1. Для очищення дифенільної суміші від продуктів осмолення частину парів з котла 1 подають у міжтрубний простір теплообмінника-регенератора 4, у трубний простір якого насосом подають рідкий теплоносій з ємності 5. В трубках суміш кипить, від неї відокремлюються смолисті домішки, після чого чиста пара теплоносія скеровується в конденсатор 6, звідки конденсат стікає у ємність 7.

Рис. 2.12. Схема обігріву парами високотемпературних органічних теплоносіїв (ВОТ):

1 – котел з електрообігрівачем; 2 – теплоізолюючі апарати; 3 – конденсатовідвідники; 4 – теплообмінник-регенератор; 5 – приймальна ємність; 6 – конденсатор; 7 – ємність для очищеного ВОТ; 8 – насос; 9 –мембрана

В нижній частині регенератора 4 збираються продукти осмолення і періодично із нього видаляються. В ємність 7, яка оснащена паровим обігрівом подається азот. Під час запуску установки, а також для компенсації втрат рідкий теплоносій з ємності 7 насосом 8 подається в парогенератор 1. В котлі на паровій лінії встановлена мембрана 9, яка призначена для запобігання недопустимого збільшення тиску. Для забезпечення інтенсивної циркуляції теплоносія теплообмінні апарати встановлюються значно вище від котла-парогенератора, на відміну від схеми на рис. 2.11. Оскільки процес здійснюється за високої температури теплоносія, що спричиняє інтенсивне окислення і смолоутворення в схемі, то для очищення теплоносія передбачені додаткові пристрої. Перевагою схеми наведеної на рис 2.12 є її спрощення - зникає необхідність у наявності спеціального і складного в експлуатації циркуляційного насосу, який є обов‘язковою ланкою у схемі на рис. 2.11.

Нагрівання розплавленими солями

У випадках коли необхідно рівномірно нагрівати продукти до температур, що перевищують гранично допустимі температури для високотемпературних органічних теплоносіїв використовують неорганічні рідкі теплоносії – розплавлені солі та рідкі метали. Найбільше практичне застосування у хімічній промисловості має нітрит-нітратна суміш (азотистокислий натрій – 40 %(мас.), азотнокислий натрій – 7% (мас.), азотнокислий калій – 53% (мас.)). Використання цієї суміші дає змогу нагрівати продукти до температур 500-540 С (1 амт.) . За температур, що не перевищують 450С суміш практично не сприяє корозії вуглецевих сталей. У разі необхідності проведення процесу за більш високих температур для виготовлення апаратури і трубопроводів використовують хромисті і хромонікелеві сталі, крім цього їх оснащують паровим обігрівом. Суміш застосовують тільки у разі обігріву з вимушеною циркуляцією, яка забезпечується спеціальними насосами пропелерного типу (вертикальні) або безсальніковимим відцентровими насосами. Коефіцієнти тепловіддачі від перегрітої води є вищими ніж від суміші, однак у разі вимушеної циркуляції суміші досягають інтенсивнішого теплообміну.

З міркувань вибухобезпеки неприпустимий контакт за високих температур нітрит-нітратної суміші з речовинами органічного походження, стружкою і тирсою чорних металів, алюмінію і магнію, оскільки вона є сильним окислювачем.

Нагрівання ртуттю та рідкими металами

Ртуть, натрій , калій, свинець, інші легкотопкі метали та їх сплави ефективно використовують в якості високотемпературних теплоносіїв для нагрівання до температур 400-800 ⁰С і вище. Ці теплоносії мають велику густину, термічну стійкість, високу теплопровідність і значні коефіцієнти тепловіддачі, що є їх перевагою. Однак їм характерні низькі значення критерія Прандтля (Pr≤0,07), тому коефіцієнти тепловіддачі для них необхідно розраховувати за спеціальними рівняннями.

Більшість металічних теплоносіїв вогне- і вибухобезпечні і практично не діють на маловуглецеві леговані сталі. Тільки калій і натрій вимагають використання нержавіючої сталі, оскільки є надзвичайно високохімічноактивними і спалахують зі швидкістю вибуху. В якості проміжних теплоносіїв для нагрівальних бань використовують легкотопкі метали крім ртуті, натрію, калію, і їх сплавів, які знайшли застосування у нагрівальних установках з природною та вимушеною циркуляцією. Ртуть є єдиним металічним теплоносієм, що використовується у пароподібному стані, тиск парів якої дуже низький (приблизно 2 атм. за 400 ⁰С). Ртутно-парові нагрівальні установки, що працюють за природної циркуляції теплоносія характеризуються високим ККД.

Недоліком ртутного та інших металічних теплоносіїв є те, що необхідно забезпечити абсолютну герметичність нагрівальних установок та потужну приточно-витяжну вентиляцію, оскільки вони є надзвичайно отруйними. Крім цього, погана змочуваність металів та висока вартість обмежують можливості розповсюдженого використання теплоносіїв цієї групи.

Нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями з нерухомим і циркулюючим твердим зернистим матеріалом

Цей метод використовується в хімічній промисловості недавно. За його допомогою можна нагрівати гази до температури 1500⁰С. В якості зернистого матеріалу переважно застосовують кварц, алюмосилікати, діабаз, шамот тощо, подрібнені до частинок з розміром 0,05÷8мм. Зернисті матеріали характеризуються великою питомою поверхнею 500÷100 000 м²/м³ залежно від розміру частинок. Завдяки великій питомій поверхні в порівняно невеликих апаратах можна розмістити значні поверхні теплообміну і таким чином здійснити повний теплообмін між зернистим матеріалом і газами, які продуваються через шар.

Для нагрівання димовими газами з проміжними зернистими теплоносіями використовують установки з циркулюючим і псевдозрідженим матеріалом. На рис. 2.13 показана установка з циркулюючим зернистим матеріалом, який переміщується суцільним потоком.

Рис. 2.13. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом, що рухається суцільним шаром:

1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажувальний пристрій пневмотранспортної системи; 4 – пневмотранспортна труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка під тиском; 8 – розподільчий пристрій; 9, 10, 11, 12 – патрубки

У футерованому вогнетривкою цеглою апараті 1 знаходиться зернистий матеріал. З топки 7 за допомогою розподільчого пристрою 8 в апарат 1 подається газ з високою температурою. Зернистий матеріал подається в апарат 1 через патрубок 10 і переміщається в апараті 1 суцільним шаром, нагріваючись під час цього топковими газами. Нагрітий зернистий матеріал через патрубок 11 попадає в апарат 2, в якому нагріваються технологічні гази, які подаються в нижню частину розподільчого пристрою 8 аналогічно, як в апарат 1.

Таким чином в апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів за рахунок тепла зернистого матеріалу. Охолоджений зернистий матеріал безперервно виводиться через патрубок 12 в завантажуючий пристрій 3 пневмотранспортної системи, в яку подається транспортуючий газ. Транспортуючий газ підхоплює зернистий матеріал і транспортує його трубою 4 в бункер-сепаратор 5. Тут частинки твердого матеріалу осідають і пересипаються в апарат 1, а звільнений від твердих частинок газ виводиться за межі апарата. Циркулюючий таким чином зернистий матеріал відбирає тепло від топкових газів в апараті 1 і передає їх технологічним газам, які нагріваються в апараті 2.

Характер зміни температур зернистого матеріалу і технологічного газу показано на рис. 2.13 у вигляді залежності температури від висоти шару зернистого матеріалу. Температура нагрітих технологічних газів тільки на 10÷20⁰С нижча від температури зернистого матеріалу, який нагрівається в апараті 1 до температури нижчої на 5÷10⁰С від температури топкових газів.

На рис. 2.14 показана установка з циркулюючим зернистим матеріалом в псевдозрідженому стані. Ця установка відрізняється від попередньої установки (рис. 2.13) тільки конструкцією апаратів 1 і 2, в яких зернистий матеріал знаходиться в псевдозрідженому стані.

Рис. 2.14. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом у псевдозрідженому стані:

1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажуючий механізм пневмотранспортної системи3; 4 – труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка; 8 – розподільча решітка; 9, 10, 11 – патрубки.

Топкові гази подаються під розподілюючу решітку 8 апарату 1. Швидкість потоку топкових газів забезпечує псевдозріджений стан зернистого матеріалу, який безперервно поступає через патрубок 10. Зернистий матеріал нагрівається теплом топкових газів і безперервно виводиться з апарату 1 патрубком 11. Охолоджені топкові гази виводяться патрубком 9. В апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів і охолодження зернистого матеріалу. Швидкість газу в апаратах 1 і 2 здебільшого в 10÷15 разів перевищує швидкість псевдозрідження, тому такі установки можуть працювати за значних швидкостей газу і частинок з розміром 50÷400 мкм.

На рис. 2.14 праворуч показані графіки зміни температур зернистого матеріалу і газу в апаратах 1 і 2 у вигляді залежності . (температура – висота псевдозрідженого шару). Як видно з цих залежностей температура газу, що виходить з апарату і зернистого матеріалу практично однакові і рівні середньокалометричній температурі змішування потоків газу і зернистого матеріалу, що відповідає умовам роботи апаратів ідеального змішування.

Нагрівання електричним струмом

Нагрівання електричним струмом часто застосовується в хімічній та інших галузях промисловості через переваги цього методу над іншими. Електричним струмом нагрівання здійснюють в широкому діапазоні температур та легко регулюють температури відповідно до заданого температурного режиму. Крім цього електричне нагрівання просте, а теплові агрегати відрізняються компактністю та зручністю під час їхнього обслуговуванні. Однак цей метод нагрівання є дорогим, оскільки він пов‘язаний з перетворенням хімічної енергії палива в електричну. За способом перетворення електричної енергії в теплову розділюють на нагрівання в електричних печах опору, індукційних та дугових. Печі опору ділять на печі прямої дії та печі посередньої дії.

В печах прямої дії, тіла які нагріваються містять безпосередньо електричний ланцюг і нагріваються під час проходження через них електричного струму. Часто в печах прямої дії, корпус печі є електродом, а другий електрод розміщується в середині апарата. Між електродами розміщують рідкі або розплавлені матеріали.

Нагрівання електричним опором

Ширше застосування знайшли печі посередньої дії, в яких тепло виділяється під час проходження електричного струму по спеціальних гріючих елементах. Тепло, яке виділяється, передається до матеріалу випромінюванням, теплопровідністю і конвекцією. В таких печах здійснюється нагрівання до температур 1000÷1100C.

Схема печі опору показана на рис. 2.15. Нагрівання здійснюється під час проходження струму через нагрівальні елементи 2 і 3, що виконані у вигляді дротяної спіралі. Тепло, що виділяється під час проходження електричного струму через нагрівальні елементи, передається стінкам обігрівального апарата 1. Піч футерують зсередини вогнетривкою цеглою 4 і покривають зовні шаром теплової ізоляції. Для періодичного огляду електро-нагрівачів електропіч забезпечується механізмом для опускання 5.

Рис. 2.15. Електропіч опору:

1 – обігрівальний апарат; 2 – бокові секції нагрівальних елементів; 3 – нижня секція нагрівального елемента; 4 – футерування печі; 5 – механізм для опускання футерування.

З метою зменшення втрат тепла в оточуюче середовище апарат покривають тепловою ізоляцією. Гріючі елементи виготовляють з дроту ніхрому (сплав, який містить 20% Cr, 30-80% Ni і 0,5-5% Fe). Діаметр дроту 3-7мм.

Кількість тепла, яку необхідно підвести в процесі нагрівання визначають з теплового балансу (рис 2.16)

Рис.2.16. До теплового балансу процесу нагрівання електричним струмом.

(2.10)

де Q_e - кількість тепла, яка виділяється елементами під час проходження електричного струму, Дж/год; G - кількість продукта, що підлягає нагріванню, кг/год; с - теплоємність продукта, що нагрівається, Дж/(кг·град); t_ni t_к– початкова і кінцева температура матеріалу,⁰С; Q_втр– втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/год.

З рівняння (2.10) визначають Q_е

(2.11)

Потужність електричного пристрою визначають за рівнянням

(2.12)

Електричні дугові печі

Цей спосіб нагрівання електричним струмом (рис. 2.17) базується на використанні теплового ефекту, що викликаний вихровими струмами Фуко, які виникають в шарі стінок стального апарату під дією змінного електричного струму. Апарат 1 з матеріалом, який підлягає нагріванню, є сердечником селеноїда 2. По селеноїду пропускається електричний струм, внаслідок чого виникає змінне магнітне поле, яке індикує в стінках апарату електрорушійну силу. Під дією вторинного струму стінки апарата 1 нагріваються і тепло від стінки передається до апарата, який підлягає нагріванню.

Рис. 2.17. Принципова схема електричної індукційної печі:

1 – апарат з матеріалом; 2 – соленоїд.

Індукційний нагрів забезпечує рівномірний прогрів за температур, що не перевищують 400С, і дозволяє точно підтримати задану температуру нагрівання. Електронагрівачі відрізняються малою тепловою інерцією і можливістю точного регулювання температури.

Недоліком індукційного нагрівання є його велика вартість. Тому для підвищення економічності нагрівання іноді проводять комбінованим способом.

Високочастотний нагрів

Для нагрівання діелектриків (пластмаса, гума, дерево тощо) використовують струми високої частоти. Матеріал, який підлягає нагріванню розміщують між пластинами конденсатора. Під дією змінного електричного поля молекули діелектрика коливаються з частотою електричного поля. В результаті внутрішнього тертя, яке виникає між молекулами, виділяється тепло. Кількість виділеного тепла пропорційна до квадрату напруги і до частоти струму. Нагрівання здійснюють струмами високої частоти, що дорівнює 0,5·10⁶÷100·10⁶ Гц за напруженості електричного поля 1000-2000 вольт/см. Діелектричне нагрівання має багато переваг: безпосереднє виділення тепла по всій товщині матеріалу, що забезпечує його рівномірний нагрів, висока швидкість нагрівання, можливість нагрівання окремих ділянок матеріалів, легкість регулювання процесу нагрівання тощо.

Дугові печі

В дугових печах застосовують нагрівання електричною дугою до температури 1500-3000⁰С. Електрична дуга виникає в газоподібному середовищі. Ці печі переважно застосовують для плавлення металів, одержання карбіду кальцію і фосфору. Недоліком цього методу є великий температурний перепад і неможливість рівномірного нагрівання.

. Охолодження