2.1.1. Нагревание водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей

Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.

При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты. Насыщенный водяной пар используют при 1,0 1,2 МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 C. Выше – экономически невыгодно, усложняется аппаратурное оформление процесса.

Преимущества насыщенного водяного пара:

• высокий коэффициент теплоотдачи  от конденсированного пара к стенке;

• большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара;

• равномерность обогрева (T_конд = const);

• возможность регулирования температуры путем изменения давления;

• возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

• увеличение давления с увеличением температуры (основное).

• постепенное увеличение в системе содержания неконденсированных газов (N₂, O₂, CO₂, и т.д.).

При нагревании насыщенным водяным паром различают острый и глухой пар. Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку.

Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема использования острого пара

Массовый расход острого пара, используемого на нагревание жидкости, определяют из уравнения теплового баланса

. (81)

Здесь – массовый расход сухого острого пара; Н_г – энтальпия пара; – массовый расход нагреваемой жидкости; с – теплоемкость нагреваемой жидкости; – теплоемкость конденсата; Т₁ и Т₂ – температуры жидкости до и после нагрева; – потери тепла в окружающую среду. Температура конденсата и жидкости одинаковы.

Острый пар применяется редко, наиболее часто применяется глухой пар (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема использования глухого пара

Пар конденсируется на поверхности аппарата, и стекает в виде пленки по поверхности стенки. Уравнение теплового баланса в таком случае

(82)

Как видно из (82), температура конденсата и температура нагреваемой среды разные. При нагревании глухим паром в паровом пространстве аппарата может скапливаться содержащийся в нем неконденсирующийся газ (N₂, O₂, CO₂ и др.), что значительно снижает коэффициент теплоотдачи от пара к стенке.

Более высокого уровня температуру (чем для водяного пара) можно получить при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) (рис. 2.3). Как видно из рисунка, к нагреваемой системе можно подводить теплоту при температуре дифениловой смеси 258 C при атмосферном давлении.

Рис. 2.3. Зависимость температуры насыщения Т C

от давления р для воды (1) и дефиниловой смеси (2)

2.1.2. Нагревание горячими жидкостями

Когда недопустим даже кратковременный перегрев нагреваемой среды, используются промежуточные теплоносители в виде жидкостей. К их числу относят горячую (перегретую) воду, минеральные масла, жидкие ВОТ, расплавы солей.

Этот процесс может быть организован с естественной или вынужденной циркуляцией промежуточного теплоносителя (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схемы обогрева с естественной (а) и вынужденной (б) циркуляцией жидких ВОТ

Жидкий ТН нагревается в печи, например, топочными газами, плотность ТН уменьшается, и возникает естественная конвекция. При этом скорости жидкого ТН невелики, и поэтому значения коэффициента теплоотдачи небольшие

При вынужденной циркуляции скорость жидкого ТН доходит до 2–2,5 м/с и процесс теплоотдачи более интенсивный.

Рассмотренные выше способы нагревания предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до 1000–1100 С. Нагревание топочными газами производят в трубчатых печах, облицованных шамотом камерах сгорания, внутри которых размещены нагревательные элементы, состоящие из стальных трубок.

Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать. Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах.