Нагревание промежуточными теплоносителями

При нагревании многих материалов для сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы недопустим даже кратковременный их перегрев. В этих случаях для обогрева применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают воспринятое тепло обрабатываемому материалу.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют минеральные масла, перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители, расплавленные смеси солей и др.

Нагревание топочными газами через жидкостную баню относятся к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями.

В случае нагревания на масляной бане (до температур 200250°С) аппарат снабжают рубашкой, заполненной маслом. Топочные газы омывают рубашку и передают тепло маслу, а масло через стенки аппарата - обрабатываемым материалам. Рубашка соединена трубопроводом с расширительным бачком, в который перетекает часть масла, когда объем его увеличивается при нагревания. В этот же бачок выбрасывается масло при бурном вскипании влаги (почти всегда содержащейся в свежем масле) в случае нагревания масла выше 100 120°С.

Нагревание через жидкостные бани не обеспечивает высоких коэффициентов теплопередачи, так как в рубашке в жидком промежуточном теплоносителе возникают - только очень слабые конвекционные токи. Для повышения коэффициентов теплопередачййёй6ьзуют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем.

Нагревание дымовыми газами с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Этот процесс осуществляется на установках с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Принципиальная схема установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис.7. Жидкий теплоноситель нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании плотности теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к обогреваемому аппарату 3. Теплоноситель проходит по змеевику, расположенному вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемому материалу.

Рис.7. Принципиальная схема нагревательной установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:

1 печь; 2 змеевик; З обогреваемый аппарат

Температура теплоносителя при этом снижается, а плотность увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз. Таким образом, осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.

Тепловая производительность установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя определяется равенством (9)

где Q скорость циркуляции теплоносителя, кг/ч; с теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг.°С); температура теплоносителя в горячей ветви системы (до обогреваемого аппарата), °С; температура теплоносителя в холодной ветви системы (после обогреваемого аппарата), °С.

Скорость циркуляции теплоносителя может быть найдена из соотношения , (10) где f площадь сечения трубопровода, ; линейная скорость теплоносителя в трубопроводе, м/с; плотность теплоносителя, .

Линейную скорость теплоносителя в трубопроводе можно найти, если принять линейный закон изменения плотности теплоносителя в зависимости от высоты рабочей части обогреваемого аппарата (м), а также от высоты змеевика в печи (м), то напор, определяющий движение теплоносителя в системе, составит (11)

где высота, определяющая положение обогреваемого аппарата над печью, м; плотности теплоносителя соответственно в холодной а горячей ветви системы, .

Сопротивление горячей и холодной ветвей циркуляционной системы может быть выражено в виде

(12)

где и линейная скорость теплоносителя соответственно в холодной и горячей ветви, м/с; и сумма сопротивлений соответственно холодной и горячей ветви.

При одном и том же сечении трубопровода в холодной и горячей ветвях, согласно закону неразрывности потока, и, следовательно,

, (13)

Подставляя найденное значение в (12), получим:

(14)

При установившемся процессе

Следовательно,

, (15)

Из соотношения (15) следует, что тепловая производительность циркуляционныхустановок возрастает с увеличением разности высот расположения обогреваемого аппарата и печи и с увеличением разности плотностей теплоносителей в холодной и горячей ветвях; с ростом гидравлических сопротивлений системы ее тепловая производительность уменьшается. Скорость теплоносителя в условиях естественной циркуляции невелика: обычно ≈ 0,1 м/с.

В установках с естественной циркуляцией в качестве
теплоносителя обычно при меняют перегретую воду или высокотемпературные органические теплоносители. Максимальная температура нагревания воды равна ее критической температуре 374°С при соответствующем давлении. 22,5 МПа. До герметизации циркуляционной системы при разогреве из нее следует удалить воздух или другие неконденсирующиеся газы, поэтому установку заполняют только дистиллированной водой.

Высокая тепловая производительность установок достигается применением принудительной циркуляции жидких теплоносителей.

Установка с принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис.8. Для наполнения системы необходимое количество теплоносителя перекачивают в нее из сборника 1 насосом 2.

Рис.8.Схема нагревательной установки с принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:

1 -сборник теплоносителя; 2 - насос; З - трубчатый нагреватель: 4 - обогреваемый аппарат; 6 - расширительный бачок

После этого сборник 1 разобщается с системой перекрытием вентилей, и при работающем насосе 2 теплоноситель начинает циркулировать через трубчатый нагреватель З (расположенный в печи) и рубашку обогреваемого аппарата 4. В трубчатом нагревателе теплоноситель воспринимает тепло топочных газов, а в рубашке обогреваемого аппарата 4 отдает его обрабатываемому материалу.

Расход жидкого промежуточного теплоносителя при нагревании в установках с естественной или принудительной циркуляцией определяют из уравнения теплового баланса:

,(16)

где - количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; -теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг°С);начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, ; - потери тепла в окружающую среду, кДж/ч; остальные обозначения те же, что и в равенстве (9).

Отсюда расход жидкого промежуточного теплоносителя составит

. (17)

В зависимости от заданных температур и давлений для установок с естественной и принудительной циркуляцией подбирают соответствующие жидкие промежуточные теплоносители: воду, газойль, высокотемпературные органические теплоносители, силиконы, расплавленные смеси солей, расплавленные металлы.

Нагревание дымовыми газами с применением жидких промежуточных теплоносителей возможно до температур 500 °С. При необходимости нагревания обрабатываемых материалов до более высоких температур применяют твердые зернистые промежуточные теплоносители.

Нагревание топочными газами с циркулирующим твердым зернистым промежуточным теплоносителемполучает все болееширокое распространение в технике. Этим способом можно нагревать различные технологические газы до температур порядка 1500°С. В качестве зернистых теплоносителей применяют жаростойкие твердые материалы (кварц, алюмосиликаты, диабаз, алунд, шамот и др.), измельченные до частиц размером 0,058 мм.

Зернистые материалы имеют очень большую удельную поверхность до 500100 000 , в зависимости от размеров частиц. Благодаря этому в сравнительно небольших аппаратах удается разместить значительные теплообменные поверхности и осуществить почти полный теплообмен между заполняющими аппараты зернистыми материалами и продуваемыми через них газами.

Для нагревания топочными газами каких-либо других газов с помощью зернистых материалов могут быть применены установки двух типов:

1) с циркулирующим зернистым материалом, движущимся в аппаратах сплошным потоком;

2) с циркулирующим зернистым материалом, который находится в аппаратах в псевдоожиженном состоянии.

Нагревательная установка с циркулирующим зернистым материалом, движущимся сплошным потоком (рис.9).

В футерованном огнеупорным кирпичом аппарате 5 находится зернистый материал. Через распределительное устройство 4 в аппарат из топки З, работающей под давлением, поступают топочные газы. Устройство 4, выполненное, например, в виде нескольких перевернутых желобов, обеспечивает равномерное распределение потока топочных газов по сечению аппарата. Топочные газы, взаимодействуя противоточно с зернистым материалом, охлаждаются и выводятся через патрубок 9.

Зернистый материал поступает через патрубок 8 в движется в аппарате сплошным потоком по всему сечению, нагреваясь при этом топочными газами. Нагретый зернистый материал непрерывно выгружается через патрубок 10.

Аппарат 2 работает аналогично аппарату 5. В нем осуществляется нагревание технологических газов за счет взаимодействия с поступающим в верхнюю часть нагретым зернистым материалом. Охлажденный зернистый материал непрерывно отводится из аппарата 2 через патрубок 11 в загрузочное устройство 1 пневмотранспортной системы, куда воздуходувкой 12 подается транспортирующий газ. Последний подхватывает частицы зернистого материала и направляет их по пневмотранспортной трубе 7 в бункер-сепаратор б. Здесь частицы осаждаются и пересыпаются в аппарат 5, а транспортирующий газ, освобожденный от твердых частиц, удаляется из аппарата.

Циркулирующий таким образом зернистый материал воспринимает тепло топочных газов в аппарате 5 и передает его нагреваемым технологическим газам в аппарате 2

Рис.9. Нагревательная установка с циркулирующим зернистым материалом, движущимся сплошным потоком:

1- загрузочное устройство пневмотранспортной системы; 2- аппарат для нагревания технологических газов; З - топка под давлением; 4 - распределительное устройство; 5 - аппарат для нагревания зернистого материала; 6 - бункер-сепаратор; 7 - пневмотранспортная труба; 8-11 патрубки; 12 воздуходувка;

I - топочные газы; II - технологические газы; III - зернистый материал; IV - транспортирующий газ