2.2.6. Нагрівання високотемпературними теплоносіями

Під час нагрівання багатьох продуктів в хімічній промисловості з метою їх збереження і забезпечення безпеки процесу нагрівання в тих випадках, коли навіть короткочасне нагрівання неприпустиме, застосовують нагрівання високотемпе­ратурними теплоносіями.

Суть цього методу полягає в тому, що такі теплоносії спочатку нагріваються димовими газами і передають одержане тепло матеріалам, які підлягають нагріванню.

Як проміжні теплоносії можуть використовуватися мінеральні оливи, перегріта вода, високотемпературні органічні теплоносії (гліцерин, етиленгліколь, нафталін) і деякі похідні ароматичних вуглеводнів (дифеніл, дифенільний ефір тощо), розплавлені солі, метали тощо.

2.2.6.1. Нагрівання перегрітою водою

Як гріючий агент перегріта вода використовується за тисків, що досягають критичного значення [22,1 Мн/м² (225 ат)], якому відповідає температура 374 С. Тому за допомогою перегрітої води можливе нагрівання матеріалів до температур, що не перевищують 350 С. Але обігрівання перегрітою водою пов’язане з використанням високих тисків, що значно ускладнює і збільшує вартість нагрівальної установки та її експлуатації.

Цей метод нагрівання може здійснюватись як природною циркуляцією проміжного теплоносія, так і вимушеною.

Принципову схему установки з природною циркуляцією рідкого теплоносія показано на рис. 2.9. Рідкий теплоносій (перегріта вода) нагрівається в змійовику 2 печі 1. В результаті зменшення під час нагрівання густини теплоносія, він переміщається трубопроводом догори до нагрівного апарата 3. Теплоносій переміщається змійовиком і віддає тепло матеріалу, який знаходиться в теплообміннику 3, що призводить до зменшення температури теплоносія і збільшення його густини, в результаті чого він стікає трубопроводом вниз. Так здійснюється замкнута циркуляція проміжного теплоносія.

Рис. 2.9. Принципова схема установки з природною циркуляцією рідкого теплоносія: 1 – піч; 2 – змійовик; 3 – нагрівальний апарат

Розрахунок установок з природною конвекцією рідкого проміжного теплоносія здійснюють, враховуючи рівняння напору, завдяки якому відбувається циркуляція з врахуванням гідравлічного опору контура:

, (2.8)

а також тепла, відданого гріючим агентом за одиницю часу і отриманого теплообмінним апаратом:

, (2.9)

де h – різниця рівнів робочої частини апарата і змійовика в печі, яка приймається такою, що дорівнює різниці їхніх середніх перерізів, м; g – прискорення сили тяжіння, м/с²; і – густина гріючого агента у верхній і нижній частинах труб, кг/м³ за температур t₁ і t₂ відповідно; G – витрата циркулюючого гріючого агента в гарячій і холодній частинах труб, кг/год; І₁ і І₂ – ентальпії гріючого агента в гарячій і холодній частинах труб, Дж/кг; t_пр – температура продукту, С.

З рівняння (2.8) зрозуміло, що напір, завдяки якому циркулює рідина, збільшиться із зростанням h і різниці густин рідини. Тому під час нагрівання за схемою з природною циркуляцією теплообмінники розміщають на висоті, не меншій, ніж 4–5 м, вище від печі або іншого гріючого апарата. Отже, загальна висота повинна бути значною. Однак швидкість рідини в умовах природної конвекції є низькою (0,1 м/с), тому кількість переданого тепла буде невеликою.

В установках з природною циркуляцією як теплоносії використовують або високотемпературні органічні речовини, або перегріту воду. Максимальна температура нагрівання води дорівнює її критичній температурі 374 С за тиску 22,6 МПа. Роботу такої установки переважно проводять за режиму, коли теплий контур заповнений переважно парою, а холодний – переважно рідиною. За таких умов, завдяки великій різниці між густинами рідини і пари, швидкість циркуляції і теплова продуктивність зростають.

Установки з циркуляцією перегрітої води розраховані на тиск 22,5 МПа, для чого необхідна складна апаратура. Простішим і економічнішим є обігрівання високотемпературними теплоносіями, які дають змогу отримувати високі температури за помірних тисків в системі.

Рис. 2.10. Принципова схема установки з вимушеною циркуляцією рідкого проміжного теплоносія: 1 – піч із змійовиком; 2 – теплоізолювальний апарат; 3 – піднімальний трубопровід; 4 – опускний трубопровід; 5 – відцентровий насос

На рис. 2.10 показано установку з вимушеною циркуляцією рідкого проміжного теплоносія. Для заповнення системи необхідна кількість теплоносія подається насосом 5 з ємності 1, після чого збірник 2 відключається від системи вентилями і під час роботи насоса 5 теплоносій циркулює трубчастим підігрівачем 2, який розміщений в печі, і сорочкою теплообмінника 1, віддаючи матеріалу необхідну кількість тепла. Використання вимушеної циркуляції дає змогу значно збільшити швидкість циркуляції (до 2 – 2,5 м/с і більше) і відповідно збільшити інтенсивність теплообміну. Під час обігрівання з вимушеною циркуляцією зникає необхідність у підніманні теплообмінного апарата над піччю. Крім цього, одна піч може обслуговувати одночасно декілька апаратів. Однак використання насоса збільшує вартість установки і вартість її експлуатації.