Нагревание электрическим током

В химической технике довольно широко применяют нагревание в электропечах. При нагревании электротоком необходимо предусматривать меры, предотвращающие перегрев материала и обеспечивающие электро- и пожаробезопасность.

По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные о дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

Электрические печи прямого действия. В этих печах нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.

Электрические печи сопротивления косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур 10001100°С. Схема такой печи показана на рис. 7.10. Футеровка печи 2выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элёменты 4, к которым подводится ток через электрошины 5.Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция Зуменьшает потери тепла в окружающую среду.

Нагревательные элементы печей изготовляют из проволоки либо из ленты нихрома (сплав, содержащий 20% Сr, 30-80% Ni и 0,550% Fе) или хроможелезоалюминиевьюх сплавов.

Рис.10. Электрическая печь сопротивления косвенного действия:

1 обогреваемый аппарат; 2 футеровка печи; Зтепловая изоляция; 4спиральные нагревательные элементы; 5 выводные электрошины

Количество тепла, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяют из уравнения теплового баланса:

, (18)

где количество тепла, выделяющегося в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч; количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; с теплоемкость перерабатываемого продукта, кдж/(кг.°С); и -соответственно начальная и конечная температура перерабатываемого продукта, °С; -потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

Отсюда (I9)

а мощность (в кВт) нагревательного электрического устройства

. (20)

Электрические индукционные печи (рис.11). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток,. при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата. Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.

Диэлектрическое нагревание токами высокой частоты применяется при нагревании диэлектриков (пластмассе, резины, дерева в др.). Нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора. Под действием переменного электрического тока молекулы диэлектрика колеблются со скоростью, соответствующей частоте электрического поля, при этом в результате внутреннего трения между молекулами выделяется тепло. Количество выделяющегося тепла пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Нагревание ведут обычно токами высокой частоты, для получения которых пользуются ламповыми генераторами.

Рис.11. Принципиальная схема электрической
индукционной печи: 1 обогреваемый аппарат; 2 соленоид

Диэлектрическоенагревание отличается большими преимуществами: непосредственное выделение тепла во всей толщине нагреваемого материала (обеспечивающее равномерны прогрев обрабатываемого материала), большая скорость нагревания, возможность нагревания только отдельных, легкость регулирования процесса нагревания полной автоматизации его.

Дуговые печи. В дуговых печах применяется нагревание электрической дугой до температур 15001300°С. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяют для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора.

ОХЛАЖДЕНИЕ

В химической технике очень часто возникает необходимость охлаждать газы, пары и жидкости. Для их охлаждения обычно используют наиболее распространенные и доступные теплоносители воду и воздух. Охлаждение происходит в результате теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами, при этом температура охлаждающей среды должна быть ниже температуры охлаждаемой.

Обычно температуру охлаждающей воды, которая также зависит от времени года и климатических условий, принимают равной 15 - 25°С.

Охлаждение водой и воздухом осуществляют в различных теплообменниках, при этом охлаждающая и охлаждаемая среды либо разделены стенкой (если контакт между этими средами по каким-либо причинам недопустим), либо непосредственно контактируют между собой.

Рис.12.Теплообменник для охлаждения теплоносителей водой

Кожухотрубчатый теплообменник, в котором охлаждение водой производится через стенку, показан на рис.12. Охлаждающая вода вводится в нижнюю часть межтрубного пространства теплообменника и выводится из верхней. Охлаждаемый теплоноситель вводится в верхнюю часть трубного пространства и выводятся из нижней. При таком направлении движения конвекционные токи, вызываемые изменением плотностей жидкостей при изменении температур, совпадают с направлением потоков. Расход охлаждающей воды W (кг/ч) определяют из теплового баланса:

(21)

(22)

где G - количество охлаждаемого теплоносителя, кг/ч; с теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг.°С); и соответственно начальная и конечная температура теплоносителя,°С; -теплоемкость охлаждающей воды, кДж/(кг.°С); и - соответственно начальная и конечная температура охлаждающей водою, °С; - потери тепла в окружающую среду, кДжIч.

Охлаждение льдом проводят в тех случаях, когда необходимо достигнуть близкой к нулю температуры охлаждаемой жидкости.

Очень часто при охлаждения в лед вносится непосредственно в охлаждаемую жидкость. При этом лед нагревается жидкостью до 0°С, а затем плавится, отнимая теплоту плавления от охлаждаемой жидкости. Такой метод охлаждения применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой и для которых допускается разбавление.

При непосредственном охлаждении льдом в аппарат с охлаждаемой жидкостью вносится тепло в количестве

где G количество охлаждаемой жидкости, кг; с теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кг.°С); начальная температура жидкости, °С.

Со льдом вносится холод (или тепло с отрицательным знакам) в количестве

где L количество льда, кг; r теплота плавления льда, кДж/кг.

Обозначив конечную температуру смеси охлаждаемой жидкости и воды (образующейся в результате таяния льда) через и теплоемкость воды через , тепловой баланс процесса выразим равенством . (23)

Из этого равенства определяют расход льда:

(24)

Теплоту плавления льда с учетом его переохлаждения (обычно на 23°С) принимают равной 335 кДж/кг.

Продолжительность охлаждения льдом зависит от условий проведения процесса; она уменьшается с уменьшением размеров кусков льда (вносимого в охлаждаемую жидкость) и с увеличением интенсивности перемешивания жидкости. Точный расчет времени охлаждения льдом затруднителен, поэтому его принимают на основании опытных данных.

КОНДЕНСАЦИЯ

В химической технике широко распространены процессы конденсации (ожижения) паров различных веществ путем отвода от них тепла. Эти процессы осуществляют в аппаратах, называемых конденсаторами.

Различают два вида конденсации:

1) поверхностную (или просто конденсацию), при которой конденсирующиеся пары и охлаждающий агент разделены стенкой и конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки;

2) конденсацию смещением, при которой конденсирующиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.

Поверхностная конденсация осуществляется в теплообменниках поверхностных конденсаторах. В общем случае в поверхностный конденсатор поступает перегретый пар. Очень часто охлаждающим агентом является вода.

При принятых обозначениях энтальпию поступающего перегретого пара можно выразить соотношением
(25) и представить тепловой баланс процесса равенством .(26)

из которого определяют расход охлаждающей воды:

. (27)

Где D - количество поступающего в конденсатор пара, кг/ч;
Н - энтальпия поступающего пара, кДж/кг; - температура поступающего перегретого пара, °С; - температура насыщения (конденсации) пара, °С; - температура конденсата на выходе из аппарата, °С; - теплоемкость перегретого пара, кДж/(кг. °С); - теплоемкость конденсата, кДж/(кг°С); r - теплота конденсации пара (теплота испарения жидкости), кДж/кг; W - количество воды, поступающей на охлаждение, кг/ч; - теплоемкость воды, кДж/(кг•°С); - начальная температура воды, °С; - конечная температура воды, °С; - потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

По условиям теплообмена охлаждающая поверхность конденсатора делится на три зоны: охлаждения перегретого пара, конденсации и охлаждения конденсата. Первой из них соответствуют наихудшие условия теплообмена, второй наилучшие. В результате этого поверхности охлаждения приходится находить для каждой зоны в отдельности. Для определения их необходимо вычисление количеств тепла, передаваемого через поверхность охлаждения в каждой зоне, и промежуточных температур охлаждающей воды и .

Количество тепла, передаваемого через поверхность охлаждения в каждой иззон, находят из следующих равенств:

для зоны охлаждения перегретого пара (28)

для зоны конденсации (29)

для зоны охлаждения конденсата (30)

Из равенств (30) и (28) легко определить промежуточные температуры охлаждающей воды:

(31) (32)

Конденсация смешением. Если конденсации подвергаются пары жидкостей, не растворимых в воде, или пар, являющийся неиспользуемым отходом того или иного процесса, охлаждение и конденсацию этих паров можно проводить путем непосредственного смешения с водой. Этот процесс осуществляется в аппаратах, называемых конденсаторами смешения.

В зависимости от способа вывода из аппаратов потоков различают мокрые и сухие конденсаторы смешения. В мокрых конденсаторах охлаждающую воду, конденсат и неконденсирующие газы (воздух) отводят из нижней части аппарата, а воздух отсасывается вакуум-насосом из верхней части.

Кроме того, различают прямоточные конденсаторы смешения, в которых охлаждающая вода и пар движутся в одном направлении (сверху вниз), и противоточные, в которых пар и охлаждающая вода движутся в противоположных направлениях (вода сверху вниз, а пар снизу вверх).

На рис.13 изображен мокрый прямоточный конденсатор смешения. В корпус 1 конденсатора через патрубок 3 на крышке 2 вводится конденсирующийся пар. Охлаждающая вода подается через распыливающее сопло 4. нагретая вода аместе с конденсатом и воздухом выводится через патрубок 5 мокровоздушным насосом 6.

Расход охлаждающей воды на конденсацию пара определяют из теплового баланса конденсатора:

(33) , (34)

Где W - расход охлаждающей воды, кг/ч; D - количество конденсирующегося пара, кг/ч; Н- энтальпия конденсирующегося пара, кДж/кг; - теплоемкость воды, кДж/(кг ); и соответственно начальная и конечная температура воды, °С.

На рис.14 изображен противоточный барометрический конденсатор. Пар на конденсацию поступает в конденсатор 3 через штуцер в нижней части аппарата. В конденсаторе расположен ряд перфорированных полок 2. охлаждающая вода подается на верхнюю полку, затем перетекает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Образовавшийся конденсат вместе с водой выводится через патрубок в верхней части аппарата. Воздух отводится через патрубок в верхней части аппарата, пройдя брызгоуловитель 1, осушенным удаляется из системы с помощью вакуум - насоса. По способу выхода потоков этот конденсатор относится к группе сухих.

Рис.13. Рис.14.

Рис 13. Мокрый прямоточный конденсатор смешения:

1 корпус конденсатора; 2- крышка; 3- патрубок для ввода пара; 4- распылевающее сопло; 5- патрубок для вывода воды, конденсата в воздух; 6- мокровоздушный насос

Рис 14. Противоточный барометрический конденсатор:

1- брызгоулавливатель; 2- перфорированная полка; 3- конденсатор; 4- барометрическая труба; 5- гидравлический затвор

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом; обычно давление в них составляет . Для отвода из аппарата воды и конденсата служит барометрическая труба 4. Высота этой трубы (м) определяется равенством

(35)

Где - высота столба воды в барометрической трубе, уравновешивающего разность давлений в конденсаторе и атмосферного, м; - высота столба воды в барометрической трубе, создающего динамический напор, который обеспечивает движение жидкости по трубе, м; 0,5 м запасная высота, предотвращающая заливание водой штуцера для ввода пара при увеличении атмосферного давления.

Высоту (в м) находят из соотношения , (36)

где b- разряжение в конденсаторе, Па.

Коэффициент сопротивления на входе воды в барометрическую трубу принимают , на выходе . Тогда высота , (37)

где - скорость жидкости в барометрической трубе, м/с; - коэффициент трения при движении жидкости по барометрической трубе; d- диаметр барометрической трубы, м.

Диаметр барометрической трубы находят по формуле

, (38)

где D- количество конденсирующегося в аппарате пара, кг/ч; W- расход воды, кг/ч; - скорость жидкости в барометрической трубе, которую принимают равной 1-2 м/с.

Количество воздуха, отсасываемого из конденсатора.

Воздух или другие неконденсирующие газы попадают в конденсатор с паром и охлаждающей водой. Кроме того, при работе конденсатора под вакуумом воздух проникает в аппарат через различные неплотности в аппаратуре и коммуникациях. Наличие воздуха в паре резко снижает коэффициент теплоотдачи при конденсации пара и, следовательно, производительность аппарата. Поэтому воздух должен непрерывно отсасываться из конденсатора.

Количество воздуха, отсасываемого из конденсатора, определяют по эмпирическим формулам. При этом принимают, что с 1 кг охлаждающей воды содержит 0,000025 кг воздуха и что с 1 кг конденсирующегося пара в конденсатор проникает через неплотности в среднем 0,01 кг воздуха.

Количество воздуха (в кг/ч ), отсасываемого из конденсатора смешения, составляет (39)

где D- количество конденсирующегося пара, кг/ч; W- расход охлаждающей воды, кг/ч.

Количество воздуха, отсасываемого из поверхностного конденсатора: (40)

Объем воздуха (в ), отсасываемого из конденсатора, определяют по уравнению состояния

, (41)

где 288 Дж/(кг°С) - газовая постоянная длявоздуха; - температура отсасываемого из конденсатора воздуха, °С; - парциальноедавление отсасываемого воздуха, Па; р - общее давление в конденсаторе, Па; - парциальное давление пара в отсасываемом воздухе, Па, которое принимают равным давлению насыщенного пара при температуре .

Температура отсасываемого из конденсатора воздуха различна в конденсаторах разных типов. Для поверхностных конденсаторов температуру воздуха принимают равной температуре охлаждающей воды на входе в конденсатор.

Для сухих конденсаторов смешения температуру определяют по эмпирической формуле . (42)

Для мокрых конденсаторов смешения температуру воздуха принимают равной температуре охлаждающей воды на выходе из конденсатора: .