2.2.3. Нагрівання “гострою парою”

Під час нагрівання “гострою парою” в рідину, що нагрівається, водяна пара вводиться безпосередньо, і під час конденсації, віддаючи тепло рідині, змішується з нею. Цей метод нагрівання є простим і дає змогу краще використовувати тепло пари, оскільки під час змішування температури конденсату і рідини вирівнюються. Однак цей метод можна застосовувати тоді, коли припустиме змішування водяної пари з рідиною.

Якщо одночасно із нагріванням рідину необхідно переміщувати, то введення “гострої пари” здійснюється через барботери – труби, які розміщаються на дні апарата, закриті з кінця і мають велику кількість дрібних отворів, обернених догори. Для кращого перемішування, зменшення шуму, викликаного різким зменшенням об’єму пари під час конденсації, і виникнення гідравлічних ударів, використовують безшумні соплові нагрівачі (рис. 2.4), в яких пара подається в сопло 1 і змішується з рідиною, що захоплюється парою через бокові отвори у змішувальний дифузор 2. Під час змішування рідини з парою всередині дифузора 2 значно зменшується шум.

Рис. 2.4. Безшумний пароструминний нагрівач: 1 – резервуар; 2 – сопло; 3 – труба для подачі пари; 4 – вентиль

Витрату гріючої “гострої пари” визначають з теплового балансу:

, (2.2)

де G – кількість рідини, яка нагрівається, кг; c – середня питома теплоємність рідини, Дж/(кгград); D – витрата гріючої пари, кг/год; t₁ і t₂ – температури рідини до і після нагрівання, С; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/кг; τ – тривалість нагрівання, год; І_n – ентальпія гріючої пари, Дж/кг; С_в –теплоємність конденсату, Дж/(кгград).

З рівняння (2.2) визначають витрату “гострої пари”:

. (2.3)

Оскільки під час нагрівання “гострою парою” відбувається розбавлення рідини конденсатом, то цей метод використовується для нагрівання води і водних розчинів.

2.2.4. Нагрівання гарячою водою

Порівняно з нагріванням водяною насиченою парою нагрівання гарячою водою має певні недоліки. Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води, як і від іншої рідини, нижчі за коефіцієнти тепловіддачі від водяної насиченої пари. Під час нагрівання гарячою водою знижується температура вздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність нагрівання.

Гарячу воду одержують у водонагрівних котлах, що обігріваються димовими газами, і парових водонагрівачах (бойлерах). Застосовують її у разі нагрівання до температур, нижчих за 100 °С. Для нагрівання водою використовують циркуляційні системи обігрівання.

В деяких випадках для нагрівання використовують конденсат водяної пари.

2.2.5. Нагрівання димовими газами

Нагрівання димовими (топковими) газами є найстарішим методом нагрівання, який не втратив свого значення внаслідок можливості отримання високих температур (100–1100 °С) під час спалювання твердого, рідкого та газо­подібного палива (за невисокого надлишкового тиску в теплообміннику). Най­частіше їх використовують для нагрівання через стінку інших нагрівальних агентів (проміжних).

Особливістю нагрівання димовими газами є жорсткі умови процесу нагрівання (неприпустимі для багатьох продуктів), значні перепади температур і невеликі коефіцієнти тепловіддачі (35–60 Вт/м²град) від газу до стінок апарата. Великі температурні перепади під час такого нагрівання сприяють досягненню високих теплових навантажень. Найістотнішими недоліками цього методу є: нерівномірність нагрівання, можливість забруднення продуктами неповного згоряння палива, перегрівання матеріалу, який нагрівається, вогненебезпечність тощо. Внаслідок низької питомої теплоємності топкових газів об’ємні витрати їх великі і транспортування вимагає значних капітальних витрат. Тому топкові гази переважно використовують на місці їх одержання.

Нагрівання топковими газами здійснюється в різних печах (трубчастих, реакційних котлах та автоклавах). Економічно доцільно застосовувати як гріючі агенти відхідні гази деяких хімічних та інших виробництв, температура яких є достатньо високою і досягає 500–600 С.

Для нагрівання рідких продуктів (нафти) переважно використовують трубчасті печі (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Трубчаста піч: 1 – топка; 2 – топкова камера; 3 – вікно; 4 – вентилятор; 5 – змійовик; 6 – шахта; 7 – канал

Топкові гази утворюються в топці 1, в якій спалюється тверде, рідке або газоподібне паливо, а також сюди подається необхідна для спалювання газу кількість повітря. Повітря подається в топки 2 через вікно з вентилятором 4. Топкові гази омивають трубний змійовик 5, розміщений в шахті 6, і виводять через канал 7. Перша за ходом руху топкових газів частина печі називається радіантною, оскільки в ній основна частина тепла передається до трубного змійовика випромінюванням, а друга – конвективною. В цій камері тепло передається трубам, передусім за рахунок конвекції.

Піч для реакційних котлів (автоклавів), яка працює на газоподібному паливі, показано на рис. 2.6. Газоподібне паливо спалюється в топці 1, куди через канал 2 подається необхідне для спалювання палива повітря. Димові гази відтак направляються в камеру 3, де передають тепло апарату 4. Відпрацьовані димові гази через кільцевий канал 5 направляються в канал 6.

Безпосереднє нагрівання топковими газами, яке відбувається в жорстких умовах, може призвести до неприпустимого перегрівання продуктів біля стінок апарата.

Тому для пом’якшення умов передачі тепла за одночасного збільшення коефіцієнтів тепловіддачі відпрацьовані гази повертають в піч для змішування з димовими газами, які відводяться з топки.

Рис. 2.6. Печі для реакційних котлів, автоклавів: 1 – топка; 2 – канал; 3 – камера; 4 – апарат; 5 – кільцевий канал; 6 – боров

Часткове повернення відпрацьованого газу знижує температуру і збільшує об’єм газу, який нагріває апарат. Збільшення кількості газу приводить до збільшення швидкості газового потоку і коефіцієнта тепловіддачі. Подібні методи нагрівання називаються нагріванням з рециркуляцією.

На рис. 2.7. показано піч з рециркуляцією топкових газів. В цій печі частина від­рацьованих топкових газів безперервно відсмоктується вентилятором 3 і через димохід 4 і вікно 5 направляється на змішування з димовими газами, які виходять з топки.

Рис. 2.7. Принципова схема обігрівання з рециркуляцією димових газів: 1 – топка; 2 – змійовик; 3 – вентилятор; 4 – димохід; 5 – вікно; 6 – димова труба

Рис. 2.8. До теплового балансу нагрівання димовими газами

Витрати палива під час нагрівання димовими газами визначають з теплового балансу (рис. 2.8):

, (2.4)

де G – кількість продукту, який підлягає нагріванню, кг/год; с – теплоємність, Дж/(кг·град); t₁ і t₂ – температура продукту до нагрівання і після нього відповідно, С; Q₀ – загальна кількість тепла, що вноситься паливом, Дж/кг; Q₁ – витрати тепла з газами, які виводяться з печі, Дж/кг; Q₂ – втрати тепла, пов’язані з механічно неповним згорянням палива, Дж/кг; Q₃ – втрати тепла від хімічної неповноти згоряння, Дж/кг; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/кг.

Тепло, яке корисно використовується і передається через поверхню нагрівання, визначається за рівнянням

. (2.5)

Загальна кількість тепла, яке вноситься з паливом, визначається з теплового балансу (2.4):

. (2.6)

Втрати палива в кг/кг визначаються з рівняння:

, (2.7)

де q₀ = q_т + q_п + q_з – тепло в Дж, яке вноситься в топку на 1 кг палива; q_т – теплота палива, Дж/кг; q_п – тепловміст повітря, яке вноситься для спалювання 1 кг палива, Дж/кг; q₃ – теплота згоряння палива, Дж/кг.