Нагревание водяным паром и горячей водой

Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар, основными достоинствами которого являются:

– высокая теплота конденсации, численно равная теплоте испарения;

– высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности теплопередачи;

– равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

– возможность передачи на большие расстояния без транспортирующих устройств.

Основной недостаток водяного пара – быстрый рост давления с повышением температуры, что приводит к удорожанию аппаратуры из-за необходимости увеличения ее прочности. Поэтому температуры, до которых можно производить нагрев в промышленных условиях, обычно не превышают 180–190 °С, что соответствует давлению пара 1,0–1,5 МПа.

Рисунок 8.1 – Устройство для нагревания жидкости «острым» паром: 1 – резервуар; 2 – паровая труба; 3 – запорный вентиль; 4 – обратный клапан; 5 – продувочный вентиль

Нагревание «острым» паром. Наиболее простым способом нагревания является введение пара непосредственно в нагреваемую среду (жидкость). Пар при этом конденсируется и отдает тепло нагреваемой среде, а образующийся конденсат смешивается с ней. Такой пар получил название «острого». Простейший аппарат для нагревания жидкости «острым» паром представлен на рис. 8.1.

Рисунок 8.2 – Паровой барботер: 1 – резервуар; 2 – барботер; 3 – паропровод; 4 – запорный вентиль

Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 8.2) или колец.

На паропроводящей трубе устанавливают обратные клапаны (рис. 8.1), которые пропускают пар в аппарат, но задерживают жидкость, поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавливают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат.

При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Расход «острого» пара D определяют из теплового баланса:

,

откуда , (8.1)

где G, c, t_н – расход, удельная теплоемкость и начальная температура нагреваемой жидкости; t_к – конечная температура смеси нагреваемой жидкости и конденсата; λ – энтальпия пара; c_к – удельная теплоемкость конденсата.

Нагревание «глухим» паром. Если по технологическим причинам недопустимо использование «острого» пара, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку.

Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства теплообменного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата с достаточной точностью может быть принята равной температуре насыщенного греющего пара. При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей и взаимное направление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в теплообменный аппарат пар обычно подводят сверху для того, чтобы конденсат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата.

Расход «глухого» пара определяют из теплового баланса:

или

, (8.2)

где t_конд – температура конденсата.

Для нормальных условий работы теплообменных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить от них конденсат. При этом нельзя допускать потери несконденсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом.

Отвод конденсата и неконденсирующихся газов производится с помощью специальных устройств – конденсатоотводчиков. Работа их основана на использовании различия плотностей пара и конденсата.

Конденсатоотводчики с закрытым поплавком(рис. 8.3, а) применяют при давлении пара выше 1 МПа. При поступлении в корпус 3 конденсата поплавок 2 всплывает, открывая клапан 1 для вывода конденсата. С выходом конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие.

При непрерывном поступлении конденсата клапан открыт соответственно постоянному расходу. Вертикальное положение поплавка с клапаном фиксируется стержнем 4 и направляющим стаканом 5.

Рисунок 8.3 – Конденсатоотводчики: а – с закрытым поплавком; б – с открытым поплавком; 1 – клапан; 2 – поплавок; 3 – корпус; 4 – стержень; 5 – направляющий стакан

Конденсатоотводчики с открытым поплавком (рис. 8.3, б) периодического действия. Конденсат поступает в корпус и заполняет его. При этом поплавок, выполненный в виде стакана, всплывает и при помощи клапана закрывает выходное отверстие. Клапан крепится к стакану стержнем. При дальнейшем поступлении конденсата он начинает переливаться через края поплавка и заполняет его. При определенном заполнении поплавка конденсатом он опускается и клапан открывает отверстие, через которое выводится конденсат.

При постоянном расходе пара, а следовательно, и при постоянной скорости отвода конденсата применяют более простые конструкции конденсатоотводчиков. Таким конденсатоотводчиком служит подпорная шайба, представляющая собой диск с одним или несколькими отверстиями диаметром до 5–6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу с отверстием большего диаметра или сетку для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т.д. Работа шайбы основана на том, что при небольших давлениях до 0,7 МПа через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата.

Подобно подпорной шайбе работает подпорный фильтр. Здесь роль шайбы выполняет слой песка или гравия, насыпанный на сетку. Соответственно размеру частиц фильтрующего слоя высота его выбирается таким образом, чтобы производительность строго отвечала количеству отводимого конденсата.

Рисунок 8.4 – Схема установки конденсатоотводчика: 1 – теплообменный аппарат; 2 – отдувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик; 4, 5, 6 – запорные вентили; 7 – обводная линия

Конденсатоотводчики устанавливают не менее чем на 0,5 м ниже места вывода конденсата из пространства теплообменного аппарата. Для обеспечения непрерывной работы аппарата при ремонте и осмотре конденсатоотводчиков они снабжаются обводной линией (рис. 8.4).

При обогреве «глухим» паром в паровом пространстве теплообменника скапливаются несконденсирующиеся газы, главным образом воздух, попадающий в аппарат вместе с паром. Из-за наличия газов в паровом пространстве резко снижается коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, поэтому газы периодически удаляют с продувкой через предусмотренный для этой цели в аппарате штуцер с вентилем.

Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, так как она имеет более низкий коэффициент теплоотдачи, более низкую температуру при низких давлениях, а в процессе теплообмена охлаждается (неравномерный обогрев). Ее используют для нагревания до температур ниже 100 °С. Как правило, для этой цели служит отходящая вода или конденсат пара.