2. Способи нагрівання

У біотехнологічних виробництвах широко розповсюджені теплові процеси – нагрівання й охолодження рідин і газів та конденсація парів, які здійснюються у теплообмінних апаратах – теплообмінниках.

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від одних речовин до інших. Речовини, що беруть участь у процесі передачі тепла, називаються теплоносіями. Теплоносії, що мають температуру, вищу за середовище, яке нагрівається, і які віддають тепло, прийнято називати нагріваючими агентами. Теплоносії з температурю, нижчою за середовище, від якого вони приймають тепло, називають охолоджуючими агентами.

Як прямі джерела тепла у біотехнологічних виробництвах використовують переважно гази – продукти спалювання органічного пального – та електричний струм. Речовини, що отримують тепло від цих джерел і віддають його через стінку теплообмінника середовищу, яке нагрівається, називають проміжними теплоносіями. До числа поширених проміжних теплоносіїв (нагріваючих агентів) належать водяна пара і гаряча вода, іноді застосовують високотемпературні теплоносії – перегріту воду, мінеральні масла або органічні рідини.

Як охолоджуючі агенти для охолодження до звичайних температур (10 – 30 °С) використовують воду, повітря, іноді лід.

Вибір теплоносія залежить насамперед від необхідної температури нагрівання або охолодження та необхідності її регулювання. Крім того, промисловий теплоносій має забезпечувати достатньо високу інтенсивність теплообміну за невеликих масових та об’ємних його витрат. Відповідно він має володіти малою в’язкістю, але високими густиною, теплоємністю та теплотою пароутворення. Бажано також, щоб теплоносій був негорючим, нетоксичним, термічно стійким, не руйнував матеріал теплообмінника і водночас був достатньо доступною та дешевою речовиною. У багатьох випадках економічно доцільним виявляється утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів та відходів виробництва, які використовують як теплоносії у теплообмінних апаратах.

Нагріваючі агенти та способи нагрівання. Одним із найпоширеніших нагріваючих агентів є насичена водяна пара. Це пояснюється суттєвими перевагами її як теплоносія. У результаті конденсації пари отримують великі кількості тепла за відносно невисокої витрати пари, оскільки теплота конденсації її складає приблизно 2.26 ∙ 10⁶ Дж/кг (540 ккал/кг) за тиску 1 атмосфера. Внаслідок високих коефіцієнтів тепловіддачі від пари, що конденсується, опір перенесенню тепла з боку пари малий. Це дозволяє проводити процес нагрівання за малої поверхні теплообміну.

Важливою перевагою насиченої пари є постійність температури її конденсації, що дозволяє точно підтримувати температуру нагрівання, а також у випадку необхідності регулювати її, змінюючи тиск нагріваючої пари. За використання тепла парового конденсату к.к.д. нагріваючих парових пристроїв достатньо високий. Пара задовільняє також іншим вимогам, що висуваються до теплоносіїв – доступністю, дешевизною, пожежобезпечністю та екологічною безпекою.

Основний недолік водяної пари – значне зростання тиску із підвищенням температури. Внаслідок цього температури, до яких можна проводити нагрівання насиченою водяною парою, зазвичай не перевищують 180-190 °С, що відповідає тиску пари 10-12 ат. За більших тисків потрібна надто товстостінна та дорога теплообмінна апаратура, а також зростають витрати на комунікації та арматуру.

Рис. 11.6. Схема нагрівання глухою парою:

1 – парова оболонка; 2 – конденсатовідвідник; 3 – обвідна лінія; 4 – патрубок для зливу продукту

Найпоширенішим способом нагрівання є нагрівання глухою парою, що передає тепло через стінку теплообмінного апарату (рис. 11.6). Нагріваюча пара з генератора – парового котла, подається у теплообмінник 1, де рідина або газ нагрівається парою через розділяючу їх стінку. Пара конденсується на холоднішій стінці, і плівка конденсату стікає униз. Для полегшення вилучення конденсату пару вводять у верхню частину апарату, а конденсат відводять з нижньої частини. Температура плівки конденсата близька до температури пари і ці температури можна прийняти рівними одна одній.

Витрату D глухої пари за неперервного нагрівання визначають з рівняння теплового балансу:

, (11.16)

де G – витрата середовища, що нагрівається; с – середня питома теплоємність середовища, що нагрівається; t₁, t₂ – початкова та кінцева температури середовища, що нагрівається; I_П, I_К – ентальпії нагріваючої пари та конденсату; Q_В – втрати тепла у навколишнє середовище.

Якщо пара не буде повністю конденсуватися на поверхні теплообміну і частина її буде виходити з конденсатом, то це спричинить непродуктивну витрату пари. Щоб цьому запобігти використовують спеціальні пристрої – конденсатовідвідники 2 (див. рис. 11.6). Їх встановлюють нижче теплообмінника і обладнують обвідною лінією 3 (байпасом), наявність якої дозволяє не переривати роботу апарату під час короткотривалого відключення конденсатовідвідника для його ремонту або заміни.

Нагріваюча пара зазвичай містить деяку кількість газів (азот, кисень, вуглекислий газ), що виділяються у процесі пароутворення у котлах. Тому з парового теплообмінника ці гази необхідно час від часу вилучати.

Нагрівання гострою парою використовують у випадках, коли допустимим є змішування середовища, що нагрівається, з паровим конденсатом. За такого способу пару безпосередньо вводять у рідину, що нагрівається. Такий спосіб простіший за нагрівання глухою парою і дозволяє краще використовувати тепло пари, оскільки паровий конденсат змішується з рідиною і їх температури вирівнюються.

Рис. 11.7. Схема нагрівання гострою парою:

1 – ємність; 2 – дифузор; 3 – паропровід; 4 – трубопровід для подачі рідини

Якщо одночасно з нагріванням рідину необхідно перемішати, то введення гострої пари здійснюють через барботери – труби, розміщені поблизу дна апарату, закриті з кінця і обладнані великою кількістю дрібних отворів, спрямованих догори (рис. 11.7). Для кращого перемішування, послаблення шуму, що виникає внаслідок різкого зменшення об’єму пари, та запобігання гідравлічним ударам застосовують безшумні підігрівачі. Пара подається через сопло і захоплює рідину, що надходить через бічні отвори у змішуючий дифузор 2. Під час змішування пари з водою всередині дифузора шум значно зменшується.

Витрату гострої пари D визначають, враховуючи рівність кінцевих температур рідини, що нагрівається, і конденсату. Тоді за рівнянням теплового балансу:

,

звідки витрата пари

, (11.17)

де с_В – теплоємність конденсату, а всі інші позначення – як у рівнянні (11.16).

Гаряча вода як нагріваючий агент має певні недоліки порівняно з насиченою водяною парою. Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води нижчі за коефіцієнти тепловіддачі від пари, що конденсується. Крім того, температура гарячої води знижується вздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність нагрівання та ускладнює його регулювання.

Гарячу воду отримують у водогрійних котлах, які обігріваються топковими газами, і парових водонагрівачах – бойлерах. Вона застосовується зазвичай для нагрівання до температур не вище за 100 °С. Для вищих температур як теплоносій використовують воду за підвищеного тиску.

Димові, або пічні, гази належать до числа найдавніше використовуваних нагріваючих агентів. Пічні гази не втратили свого значення до нашого часу, оскільки дозволяють здійснювати нагрівання до високих температур, що сягають 1000-1100 °С, за незначного надлишкового тиску у теплообміннику (з боку газів). Найчастіше пічні гази використовують для нагрівання через стінку інших нагріваючих агентів – проміжних теплоносіїв, а також для обігріву сушарок.

Найістотнішими недоліками пічних газів є: нерівномірність нагрівання, зумовлена охолодженням газу у процесі теплообміну, важкість регулювання температури обігріву, низькі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки (не вище 55-60 Вт/(м² ∙ К)), можливість забруднення матеріалів, що нагріваються, продуктами неповного згоряння пального (за безпосереднього обігріву газами). Значні перепади температур між пічними газами та середовищем, що нагрівається, створюють «жорсткі» умови нагрівання, які неприпустимі для багатьох продуктів і можуть викликати їх перегрівання.

Через відносно низьку питому теплоємність пічних газів їх об’ємні витрати великі, а транспортування потребує значних матеріальних затрат. Тому пічні гази зазвичай використовують у місці їх отримання.

Пічні гази отримують, спалюючи у топках печей тверде, рідке або газоподібне пальне. Нагрівання топковими газами здійснюють у печах (рис. 11.8). Горючий газ, що виходить із сопла пальника 1, змішується з необхідною кількістю повітря та рухається через пористу панель 2 з вогнестійкого матеріалу. Горіння відбувається на поверхні випромінюючої панелі за відсутності полум’я (безполум’яневий пальник).

Утворені пічні гази надходять до першої – радіантної – частини робочого простору печі, у якій основна частина тепла передається рідині, що рухається по змійовику 3, шляхом випромі­нювання. У другій – конвек­тивній – частині печі 4 тепло передається рідині через стінку змійовика переважно шляхом конвекції. У конвективній частині печі для кращої утилізації тепла димових газів встановлюють додаткові теплообмінні пристрої, наприклад, змійовик перегрівач 5. Гази вилучаються через трубу 6.

Рис. 11.8. Піч для нагрівання рідких продуктів, що працює на газі:

1 – сопло пальника; 2 – вогнестійка пориста панель; 3 – радіантна частина (змійовик); 4 – конвективна частина (змійовик); 5 – перегрівач; 6 – димова труба

Регулювання температури нагрівання пічними газами здійснюють завдяки рециркуляції частини відпрацьованих газів. Повертаючи димососом або ежектором частину відпрацьованих газів до печі та змішуючи їх з газами, отриманими у топці, понижають температуру газів і одночасно збільшують об’єм газів, що нагрівають теплообінні пристрої. Збільшення об’єму газів приводить до зростання їх швидкості і відповідно – до збільшення коефіцієнтів тепловіддачі від газів до стінки. Для зменшення температури гріючих газів у топку печі додатково підводять повітря.

Рис. 11.9. Елекропіч опору:

1 – апарат, що обігрівається; 2 – бічні секції нагрівальних елементів; 3 – донна секція нагрівального елемента; 4 – футерування печі; 5 – пристрій для опускання футерування

Витрату пального для нагрівання пічними газами визначають з рівняння теплового балансу. Так, якщо витрата газоподібного пального складає В, а ентальпії пічних газів дорівнюють І₁ (на вході до теплообмінника) і І₂ (на виході з теплообмінника), то рівняння теплового балансу має вигляд

,

звідки , (11.18)

де всі інші позначення такі ж, як у рівнянні (11.16). При цьому величина Q_В, крім втрат тепла у навколишнє середовище, включає такі витрати тепла, як втрати від недоспалювання газів або твердого пального.

Нагрівання електричним струмом. За допомогою електричного струму нагрівання можна проводити у дуже широкому діапазоні температур, точно підтримуючи та регулюючи температуру нагрівання відповідно до заданого технологічного режиму. Електричні нагріваючі пристрої характеризуються простотою, компактністю і зручністю в обслуговуванні.

Залежно від способу перетворення електричної енергії у тепло розрізняють нагрівання електричними опорами (омічне нагрівання) – печі прямої дії; індукційне нагрівання; високочастотне нагрівання.

Найпоширенішим способом є нагрівання електричним опором. Нагрів здійснюється у електричних печах опору (рис. 11.9) під час проходження струму через нагрівальні елементи 2 і 3, виконані у вигляді дротяних спіралей або стрічок. Нагрівальні елементи виготовляються переважно з хромо-залізо-алюмінієвих сплавів, що мають великий омічний опір і високу термостійкість (ніхроми або фехралі). Тепло, що виділяється під час проходження електричного струму через нагрівальні елементи, передається стінкам апарату 1. Піч футерують зсередини вогнестійкою кладкою 4 та покривають ззовні шаром теплової ізоляції, наприклад шаром шлакової вати. Для періодичного огляду електронагрівачів електропіч обладнують пристроєм для опускання 5. Температуру нагріву зазвичай регулюють підключенням (відключенням) окремих секцій нагрівальних елементів. Нагрівання електрич­ними опорами дозволяє дося­гати температур 1000-1100 °С.

Розрахунок електронагрі­вачів полягає у визначенні потрібної потужності. Кількість тепла, яке необхідно підвести у процесі нагрівання електричним струмом, визначається з теплового балансу

, (11.19)

де Q_Е – кількість тепла, що виділяється в електронагрівальному елементі під час проходження електричного струму, кДж/год.; усі інші позначення – як у рівнянні (11.16).

Звідси . (11.20)

Потужність електронагрівальних елементів (у кВт)

. (11.21)

Виходячи з розрахованої потужності, знаходять необхідну силу струму та опір нагрівача. За величиною опору підбирають матеріал, переріз і довжину провідників. Крім цього, за рівняннями теплопередачі має бути розрахована поверхня елементів, за якої задана кількість тепла буде передаватись середовищу, що нагрівається, без надмірного підвищення температури і перегоряння нагрівача.

Спосіб індукційного нагрівання базується на використанні теплового ефекту, що викликається вихоровими струмами Фуко, які виникають у товщині стінок сталевого апарату під дією змінного електричного поля. Апарат з індукційним електронагрівом схожий на трансформатор, первинною обмоткою якого слугують індукційні катушки, а магнітопроводом і вторинною обмоткою – стінки апарату (рис. 11.10). Змінне магнітне поле створюється за допомогою індукційних катушок 2, які кріпляться на апараті 1. Апарат обладнаний змійовиком 3 і мішалкою 4. Індукційне нагрівання за-безпечує рівномірне обігрівання за температур до 400 °С і дозволяє точно підтримувати задану температуру. Робота таких обігрівачів може бути повністю автоматизована.

Недоліком індукційного нагрівання є висока вартість. Тому для підвищення економічності спочатку продукт у апараті нагрівають насиченою водяною парою, що проходить через змійовик 3 до температури близько 180 °С, після чого температуру підвищують до заданого рівня за допомогою індукційного нагрівання.

Рис. 11.10. Апарат із зовнішніми індукційними котушками:

1 – апарат; 2 – індукційні котушки; 3 – паровий змійовик; 4 – мішалка

Спосіб високочастотного нагрівання використовують для нагрівання матеріалів, що не проводять електричного струму (диелектриків), тому часто його називають диелектричним. Принцип високочастот­ного нагрівання полягає у тому, що молекули матеріалу, поміщені у змінне електричне поле, починають коливатися з частотою поля і при цьому поляризуються. Коливальна енергія частинок витрачається на подолання тертя між молекулами диелектрика і перетворюється у тепло безпосередньо у масі матеріалу, що нагрівається. За рахунок використання цього тепла досягається рівномірне нагрівання матеріалу. Кількістть тепла, що виділяється, пропорційне до квадрату напруги та частоти струму. Зазвичай використовують частоту 1 ∙ 10⁶ – 100 ∙ 10⁶ Гц. Диелектричне нагрівання легко регулюється та може бути повністю автоматизоване, але к.к.д. нагрівальних установок відносно низький.