Нагревание высокотемпературными теплоносителями

Для обогрева аппаратов с рабочими температурами свыше 200 °С применяют высококипящие органические и неорганические теплоносители в жидком и парообразном состояниях при атмосферном или небольших избыточных давлениях. Эти теплоносители сначала нагреваются топочными газами или электрическим током, а затем передают воспринятое тепло нагреваемой среде. Таким образом, они являются промежуточными.

Выбор теплоносителя определяется обеспечением переноса требуемого количества тепла при минимальном расходе энергии, наибольшем коэффициенте теплоотдачи и наименьшем термическом разложении.

В качестве высокотемпературных органических теплоносителей применяют глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов.

Наибольшее промышленное применение получила эвтектическая смесь дифенила и дифенилового эфира – «даутерм», используемая как в жидком (до температуры 330 °С), так и в парообразном (до температуры 400 °С) состояниях. Основным достоинством этой смеси является возможность получения высоких температур без применения высоких давлений. Она горюча, но практически взрывобезопасна и оказывает лишь слабое токсическое воздействие на человека. Недостатком дифенильной смеси, как и других органических теплоносителей, является малая теплота парообразования. Однако у дифенильной смеси это в значительной мере компенсируется большей, чем у воды, плотностью паров, в результате чего при испарении или конденсации смеси количество тепла, выделяющееся на единицу объема пара, оказывается близким к соответствующей величине для воды.

При длительном использовании «даутерма» в теплообменных аппаратах происходит его термический распад и полимеризация. Допустимая концентрация полимеров и продуктов термического распада (10–15 %) достигается после 45–60 месяцев работы при 350 °С и 1,5–2 месяцев при 410 °С.

Для области температур до 360 ^оС применяется нагрев парами дихлорбензола.

Минеральные масла являются самыми дешевыми, но и наименее термически устойчивыми теплоносителями. Их достоинством является текучесть при температурах ниже 0 °С. Применяют минеральные масла при атмосферном давлении и температурах до 300 °С, а под давлением – и при более высоких температурах (до 350 °С). Однако вблизи температуры вспышки, которая обычно ниже 300 °С, наблюдается их термическое разложение, сопровождающееся отложением кокса на поверхности нагрева и выделением газообразных веществ. Последние образуют с кислородом воздуха взрывоопасные смеси, а отложение кокса приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.

В качестве неорганических высокотемпературных теплоносителей используют расплавленные соли и жидкие металлы.

Расплавленные соли используются в виде нитрит-нитратной смеси, содержащей 40 % азотистокислого натрия, 7 % азотнокислого и 53 % азотнокислого калия. Эта смесь применяется для нагрева до температур 500–540 °С. Недостатками нитрит-нитратной смеси являются сравнительно высокая температура кристаллизации (142,3 °С), что требует обогрева трубопроводов и арматуры, а также то, что она представляет собой сильный окислитель. Последнее может привести к взрыву.

Ртуть и жидкие металлы (натрий, калий, свинец) являются эффективными теплоносителями при температурах 400–800 °С. Они отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи, огне- и взрывобезопасны. Однако они отличаются высокой агрессивностью по отношению к распространенным конструкционным материалам. В связи с этим допускаемые максимальные температуры жидкометаллических теплоносителей диктуются их коррозионным действием. Помимо этого, пары их высокотоксичны, а некоторые из них в смеси с воздухом взрывоопасны. Для безопасной эксплуатации установки с жидкометаллическими теплоносителями должны быть надежно герметизированы, а теплоносители находиться в среде инертных газов.

Рисунок 8.7 – Принципиальная схема установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя: 1 – печь; 2 – змеевик; 3 – обогреваемый аппарат

Нагревание жидкими промежуточными теплоносителями осуществляется на установках с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Принципиальная схема установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис. 8.7.

Жидкий теплоноситель нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании плотности теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к обогреваемому аппарату 3. Далее теплоноситель перемещается по змеевику, расположенному вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемой среде. Теплоноситель при этом охлаждается, а плотность увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз. Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.

Тепловая нагрузка установки с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя:

, (8.4)

где G – массовая скорость циркуляции теплоносителя; t_гор – температура теплоносителя до обогреваемого аппарата; t_хол – температура теплоносителя после обогреваемого аппарата.

Массовая скорость циркуляции теплоносителя может быть определена из соотношения: (f – площадь сечения трубопровода; w – линейная скорость теплоносителя в трубопроводе; ρ – плотность теплоносителя).

Линейная скорость теплоносителя в трубопроводе может быть найдена исходя из равенства движущего напора в контуре и гидравлического сопротивления контура.

Напор, определяющий движение теплоносителя в контуре:

, (8.5)

где H=h+0,5(h_a+h_n); h – высота, определяющая положение обогреваемого аппарата над печью (см. рис. 8.7); ρ_хол и ρ_гор – плотности теплоносителя в холодной и горячей ветви контура.

Гидравлическое сопротивление холодной и горячей ветвей контура:

. (8.6)

Здесь w_хол и w_гор – линейные скорости теплоносителя в холодной и горячей ветви контура соответственно; – сумма сопротивлений соответственно холодной и горячей ветви.

При одном и том же сечении трубопровода в холодной и горячей ветвях w_холρ_хол = w_горρ_гор (по закону неразрывности потока), следовательно,

.

Подставляя найденное значение w_гор в уравнение (8.6), получим

. (8.7)

При установившемся процессе , тогда

. (8.8)

Из уравнения (8.8) следует, что тепловая производительность циркуляционных установок возрастает с увеличением разности высот расположения обогреваемого аппарата и печи и увеличением разности плотностей теплоносителя в холодной и горячей ветвях контура. С ростом гидравлических сопротивлений системы ее тепловая производительность уменьшается. Скорость теплоносителя в условиях естественной циркуляции мала (порядка 0,1 м/с), поэтому тепловая производительность установок с естественной циркуляцией невелика.

Высокая тепловая производительность достигается в установках с принудительной циркуляцией жидких теплоносителей (рис. 8.8).

Рисунок 8.8 – Схема установки с принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя: 1 – сборник теплоносителя; 2 – насос; 3 – трубчатый нагреватель; 4 – обогреваемый аппарат; 5 – расширительный сосуд

Для заполнения системы необходимое количество теплоносителя перекачивается в нее из сборника 1 насосом 2. После этого сборник 1 разобщается с системой перекрытием вентилей и при работающем насосе 2 теплоноситель начинает циркулировать через трубчатый нагреватель 3, расположенный в печи, и рубашку обогреваемого аппарата 4. В трубчатом нагревателе теплоноситель воспринимает тепло топочных газов, а в рубашке обогреваемого аппарата 4 отдает его нагреваемой среде. В верхней точке система снабжается расширительным сосудом 5, уровень в котором изменяется вследствие термического расширения теплоносителя, содержащегося во всей системе.

Применение принудительной циркуляции позволяет значительно увеличить скорость циркуляции теплоносителя (до 2–2,5 м/с и более) и тем самым повысить интенсивность теплообмена. Кроме того, одна печь может обслуживать одновременно несколько аппаратов. Однако использование циркуляционного насоса значительно удорожает стоимость установки и ее эксплуатации.