2.2. Гріючі агенти і способи нагрівання

2.2.1. Нагрівання водяною парою

Для нагрівання використовують переважно насичену водяну пару за тисків 1,0–1,2 МПа (10–12 ат). Використання водяної пари більш високого тиску вимагає складної та дорогої апаратури, що економічно не вигідно. Відповідно до тисків 1,0–1,2 МПа нагрівання насиченою водяною парою обмежується температурою ~180 С. Під час нагрівання пара конденсується, виділяючи велику кількість тепла за невеликої витрати пари.

Широке застосування процесів з нагріванням насиченою водяною парою обумовлено:

• великою кількістю тепла, яке виділяється під час конденсації пари (2,2610⁶Дж/кг) за тиску 0,1 МПа;

• високим коефіцієнтом тепловіддачі від пари до стінки (4640– 17400 Вт/(м²град);

• рівномірністю нагрівання, оскільки конденсація відбувається за постійної температури;

• високим ККД нагрівальних парових пристроїв;

• доступністю;

• пожежобезпечністю.

Однак використання насиченої водяної пари як нагрівального агента має недолік: із збільшенням температури відбувається значне зростання тиску, тому нагрівання насиченою водяною парою обмежене температурою 180–190 С (10–12 ат). Проведення процесу за високих тисків вимагає забезпечення товстостінною та дорогою апаратурою, а також відповідними комунікаціями та арматурою.

Оскільки хімічні виробництва використовують велику кількість тепла і електроенергії, тому доцільно енергетичну пару високого тиску (до 250 ат) пропустити через турбіни для отримання електроенергії, а тоді м’яту пару (6–8 ат) після турбін задіяти для нагрівання теплообмінної апаратури. Тепло м’ятої (перегрітої) пари незначне порівняно з її теплотою конденсації, а об’єм пари на одиницю тепла, що віддається, є значно більшим, ніж для насиченої пари, що вимагає збільшення діаметра паропроводів. Для уникнення витрат на транспорту­вання теплоносія перегріту пару з турбін зволожують, змішуючи її з водою. В цей час пара додатково випаровує деяку кількість води і скеровується в насиченому стані в теплообмінні апарати.

2.2.2. Нагрівання глухою парою

В хімічній промисловості найпоширенішим є нагрівання глухою парою, що передає тепло через стінку теплообмінного апарата. Принципову схему нагрівання глухою парою показано на рис. 2.1. Гріюча пара із генератора пари – парового котла 1 – скеровується у теплообмінник 2, де рідина (або газ) нагрівається парою через стінку, що їх розділяє. Пара, що контактує з холоднішою стінкою, конденсується на ній, і плівка конденсату стікає по її поверхні. Для того, щоб полегшити видалення конденсату, пару вводять у верхню частину апарата, а конденсат відводять з його нижньої частини. Температура плівки конденсату приблизно дорівнює температурі конденсованої пари, і ці температури можуть бути прийняті такими, що дорівнюють одна другій.

Рис. 2.1. Схема нагрівання глухою парою: 1 – паровий котел; 2 – теплообмінник-підігрівач; 3 – конденсатовідвідник; 4 – проміжна ємність; 5 – відцентровий насос

Витрату D глухої пари під час безперервного нагрівання визначають з рівняння теплового балансу (рис. 2.2):

Рис. 2.2. До розрахунку теплового балансу нагрівання глухою парою

, (2.1)

де G – витрата нагрівального середовища; c – середня питома теплоємність нагрівального середовища; t₁, t₂ – початкова і кінцева температури нагрівального середовища; І_п, І_к – ентальпії гріючої пари і конденсату; Q_втр – втрати тепла у навколишнє середовище.

Якщо пара не буде повністю конденсуватись на поверхні теплообміну і частина її буде виходити з конденсатом (так звана прольотна пара), то це називається непродуктивною витратою пари.

Для уникнення непродуктивної витрати гріючої пари і організації безперешкодного видалення із апарата парового конденсату без виведення пари застосовують спеціальні пристрої – конденсатовідвідники. Серед великої кількості таких пристроїв розглянемо найчастіше застосовуваний – конденсатовідвідник з відкритим поплавком (рис. 2.3).

Такий конденсаційний глечик є пристроєм періодичної дії. Конденсат надходить в глечик і заповнює корпус 1, тоді поплавок 2, який має форму склянки, спливає, і за допомогою клапана 5 закриває вихідний отвір. Клапан закріплюється до поплавка за допомогою стрижня 3. Під час подальшого надходження конденсату він починає переливатись через краї поплавка і заповнює його. У разі певного рівня заповнення поплавка конденсатом він тоне, і клапан 5 відкриває отвір, через який виводиться конденсат.

Рис. 2.3. Конденсаційний горщик з відкритим поплавком: 1 – корпус; 2 – поплавок; 3 – стрижень; 4 – труба для відведення конденсату; 5 – клапан; 6 – зворотний клапан; 7 – вентиль

Конденсатовідвідник встановлюють нижче від рівня теплообмінника і забезпечують обвідною лінією (рис. 2.1), наявність якої дає змогу не переривати роботу апарата під час короткочасного вимкнення конденсатовідвідника для його ремонту або заміни.

Гріюча пара здебільшого містить певну кількість газів, які не сконденсувались (N₂, O₂, CO₂), що виділяються під час хімічної обробки котлової води і процесу пароутворення в котлах. Ці домішки дуже знижують коефіцієнти тепловіддачі від пари. Тому у разі парового обігрівання із парового об’єму теплообмінника повинні періодично видалятись гази, що накопичились і не сконденсувались. Для цього використовують продувний вентиль 8 у конденсато­відвіднику (рис. 2.3).