Промышленные способы нагревания

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, важна достаточно высокая интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных расходах теплоносителя. Соответственно, теплоноситель должен обладать малой вязкостью, высокой плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Желательно, чтобы он был негорюч, нетоксичен, термостоек и не оказывал на метариал теплообменника разрушающего воздействия. Немаловажным фактором также является его стоимость и доступность.

Во многих случаях экономически целесообразна утилизация тепла некоторых полупродуктов, продуктов и отходов производства, которые используются в качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах.

Нагревание водяным паром.

Это один из наиболее широко применяемых греющих агентов. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало, что позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.

Основной недостаток — значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно проводить нагревание водяным паром, не превышают 180-190°С и давления пара 10-12 атмосфер.

Наиболее распространено нагревание глухим паром, при котором тепло передается посредством стенок теплообменного аппарата. Нагревание острым паром применяется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой жидкости с паровым конденсатом. Способ нагревания острым паром значительно эффективнее и проще, чем глухим, поскольку паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, и их температуры выравниваются.

Нагревание горячей водой.

Горячая вода в качесвте нагревающего агента обладает некоторыми недостатками по сравнению с паром. Коэффициенты теплоотдачи от воды ниже, температура снижается вдоль поверхности теплообмена и т.д. Вода обычно применяется для нагрева до температур не более 100°С. Для более высоких температур воду требуется подавать под избыточным давлением.

Горячую воду получают в водогрейных котлах и паровых водонагревателях (бойлерах). Иногда используется конденсат водяного пара.

Нагревание топочными газами.

Дымовые (топочные) газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Они позволяют осуществлять нагревание до высоких температур (1000-1100°С) при незначительном избыточном давлении в теплообменнике со стороны газов. Чаще всего их используют для нагревания через стенку других нагревательных агентов.

Наиболее существенные недостатки: неравномерность нагрева, обусловленная быстрым охлаждением газов в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи, возможность загрязнения нагреваемого материала продуктами неполного сгорания топлива. Кроме того, значительные перепады температур создают жесткие суловия нагревания, недопустимые для многих продуктов. Низкая удельная теплоемкость газов обуславливает большой объемный расход. Поэтому топочные газы обычно используют прямо на месте их получения.

Топочные газы получают, сжигая твердое, жидкое или газообразное топливо, например, уголь, нефть, природные газы.

Нагревание высокотемпературными теплоносителями.

В процессах химической технологии обогрев часто осуществляется высокотемпературными теплоносителями. Они получают тепло от топочных газов или электрического тока и передают его нагреваемому материалу. Такие теплоносители обеспечивают равномерность обогрева и безопасные условия работы.

Нагревание перегретой водой используется при давлениях до 225 атмосфер и температур до 374°С. С ее помощью возможно нагревание материалов до 350°С. Однако такое нагревание связано с применением высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время этот метод вытесняется более современными способами.

Нагревание минеральными маслами позволяет нагревать агенты до 310°С. Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания. Нагрев производится размещением теплоиспользующего аппарата с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо внутри масляной рубашки устанавливается электронагреватель. Иногда во избежание возгораний и взрывов нагрев масла производится вне теплоизоляционного аппарата в установках с принудительной циркуляцией.

Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемпературным теплоносителем. Однако, помимо относительно небольших температур, они обладают низкими коэффициентами теплоотдачи, которые еще более снижаются при термическом разложении и окислении масел. Эти процессы, кроме того, приводят к загрязнению поверхности теплообмена и еще более снижают коэффициенты теплоотдачи. Поэтому для получения достаточных тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым аппаратом должна быть не ниже 15-20 градусов.

Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами применяется для температур до 400°С.Это глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов, продукты хлорирования дифенила и полифенолов и т.д. Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь, состоящая из 26, 5% дифенила и 73, 5% дифенилового эфира.

Нагревание расплавленными солями используется для температур до 500-540°С. Наибольшее распространение получила тройная эвтектическая нитрит-нитратная смесь, содержащая 40% масс. азотистокислого натрия, 7% масс. азотнокислого натрия и 53% масс. азотнокислого калия. Смесь практически не вызывает коррозию углеродистых сталей при температурах до 450°С.

Нагревание ртутью и жидкими металлами используется для температур до 800°С. Применяются ртуть, расплавы натрия, калия, свинца и других легкоплавких металлов, а также их сплавы. Эти теплоносители отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Ртуть, кроме того, является единственным металлическим теплоносителем, используемым в парообразном состоянии, причем давление паров очень низкое — около 2 атмосфер при 400°С.

Однако пары металлических теплоносителей крайне ядовиты. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной вентиляцией.

Нагревание электрическим током производится в очень широком диапазоне температур, причем возможно точно поддерживать и регулировать температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Такие нагреватели компактны, просты и удобны для обслуживания. Однако применение электричества для нагревания пока относительно дорого, что связано с многоступенчатостью преобразования химической энергии топлива в электроэнергию.

Различают следующие виды нагревания электрическим током:

— омический нагрев (нагревание электрическими сопротивлениями),

— индукционное нагревание, основанное на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими в толще стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического тока,

— высокочастотное нагревание, применяемое для нагревания материалов, не проводящих электрический ток; принцип заключается в том, что молекулы такого материала, помещенные в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой этого поля и при этом поляризуются. Колебательная энегргия частиц затрачивается на преодоление трения между молекулами и превращается в тепло непосредственно в массе нагреваемого метариала,

— нагревание электрической дугой, производится в дуговых печах, где электроэнергия превращается в тепло за счет пламени дуги. Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы, в результате получают температуры до 1500-3000°С.