Тема 1.6 Теплообменные аппараты специального назначения

В последнее время в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также в энергетических установках с высокотемпературными уровнями процессов, когда даже высоколегированные стали недостаточно жаростойки, получили применение теплообменные аппараты с так называемым кипящим слоем. В этом случае мелкораздробленные твердые частицы находятся в восходящем потоке газа как бы в кипящем, или псевдоожиженном, состоянии.

Рассмотрим принцип образования кипящего слоя. При небольшой скорости газа слой твердых частиц, через который проходит газ, неподвижен (рис. 3-8, а).

С увеличением скорости газа высота слоя твердых частиц начинает возрастать, материал как бы набухает, вспучивается. Когда скорость газа достигает критической величины, при которой сопротивление слоя становится равным его весу, слой твердых частиц приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние. При этом твердые частицы интенсивно движутся в потоке газа, и весь слой движущихся частиц напоминает кипящую жидкость, отделенную резко выраженной поверхностью от газа, прошедшего кипящий слой (рис. 3-8, б). При увеличении скорости газа под решеткой, удерживающей зернистый материал, до некоторой критической величины, когда сила гидравлического сопротивления частиц становится равной их весу, твердые частицы начинают уноситься потоком газа (рис. 3-8, в).

На рис 3-9 показано изменение сопротивления слоя твердых частиц в зависимости от скорости потока Wo.

У часток АВ соответствует области, характеризуемой неподвижным слоем. Участок ВС соответствует кипящнму слою и характеризуется постоянным, не зависящим от скорости сопротивлением. На участке СD, соответствующем уносу частиц потоком, сопротивление снова возрастает с увеличением скорости.

Фиктивная скорость W/o . cоответствующая переходу неподвижного слоя в состояние псевдоожижения, называется скоростью псевдоожижения, фиктивная скорость W//o, сответствующая началу уноса частиц,- скоростью уноса. Отношение рабочей скорости Wo к скорости псевдоожижения

Wo

W = -------

W/o

Называется числом псевдоожижения и характеризует интенсивность перемешивания частиц в кипящем (псевдоожиженном) слое. Опытами установлено, что наиболее интенсивное перемешивание соответствует W = 2. При дальнейшем возрастании величины W слой частиц становится неоднородным: происходит прорыв крупных пузырей газа через слой (рис. 3-10, а), и частицы начинают интенсивно выбрасываться над поверхностью слоя.

П узыри газа могут увеличиваться в объёме и заполнить все сечение аппарата. Начинается режим так называемого поршневого кипения слоя (рис. 3-10, б), заключающийся в том, что слой разделяется на отдельные частицы газовыми «пробками», часть слоя, находящаяся над «пробкой», подбрасывается вверх, пузырь газа прерывается и происходит большой выброс твердых частиц. Развитию такого процесса способствуют увеличение размеров частиц, повышение скорости газа и уменьшение диаметра аппарата. Режим поршневого псевдоожижения является нежелательным, так как приводит к колебаниям сопротивления кипящего слоя и ухудшению равномерности контакта между газом и твердыми частицами.

Несмотря на несомненные и многочисленные преимущества электрообогрева по сравнению с другими видами нагрева, в настоящее время в промышленной теплоэнергетике намечается тенденция к сдерживанию расхода электроэнергии на тепловые нужды. Объясняется это тем, что к.п.д. использования органического топлива (из которого получается большая часть производимой электроэнергии) составляет 12,5 – 17,5% (если принимать к.п.д. тепловой электрической станции 25 – 33%, а суммарный к.п.д. электротермической установки 50%). Таким образом, при преобразовании химической энергии топлива в электрическую, а затем в тепловую более 80% химической энергии топлива тратится впустую, что недопустимо, если учитывать ограниченность запасов топлива.

Электрическая энергия превращается в тепловую одним из четырех способов:

1. в электронагревателях сопротивления;

2. в электродуговых печах;

3. в установках индукционного нагрева;

4. в печах и установках диэлектрического нагрева.

В электронагревательных установках методом сопротивления электрическая энергия превращается в тепловую в нагревательных элементах, выполненных из высокоомных жаростойких материалов (печи сопротивления косвенного действия) или непосредственно в нагреваемой среде – в твердом теле или в электропроводной жидкости – под воздействием протекающего по этой среде электрического тока (установки прямого нагрева).

В дуговых электропечах преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге. Различают дуговые печи прямого и косвенного действия. В первых дуга стабилизируется между электродом и нагреваемым материалом, в печах косвенного действия дуга стабилизируется между двумя электродами. Теплота, излучаемая столбом дуги, передается нагреваемому материалу. Температура дуги достигает 5000 – 5500˚С.

Принцип действия установок и печей индукционного нагрева основан на выделении теплоты в нагреваемом теле индуктированным в нем током.

В установках и печах диэлектрического нагрева выделение теплоты в нагреваемом теле происходит под воздействием токов смещения, возникающих в теле при помещении его в быстроизменяющееся электрическое поле. Нагреваемое тело должно быть полупроводником или диэлектриком и служит конденсатором, к обкладкам которого подводится ток ,

Ниже описаны электрические нагреватели сопротивления.

Электронагреватели с жидкостной ванной.

Наиболее распространенным типом таких аппаратов является металлический сосуд с рубашкой, заполненной маслом и смонтированными в ней проводниками нагревателя. (рис. 1-17, а).

К стенке рубашки прикреплены штифты с фарфоровыми изоляторами, на которых крепятся спирали электронагревателя. Проводники выведены наружу с помощью фарфоровых втулок через отверстия, прорезанные в рубашке. В целях обеспечения одинаковых температурных условий для всех участков нагревателей проводники должны быть полностью погружены в масло или иную жидкость. Нагревание в жидкостных ваннах отличается мягкостью и равномерностью процесса повышения температуры обрабатываемого материала. Интенсивность нагрева невелика вследствие малой подвижности теплопередающей жидкости. Предельная температура нагрева в таких аппаратах не превышает 250˚С.

Муфельные электропечи. Печная камера выполнена из кирпича; стенки камеры имеют каналы из жаростойкого материала, в которых проложены проволочные или ленточные спирали.

Муфельный электронагревательный котел изображен на рис. 1-17, б. Сосуд с жидкостью установлен в печной камере. Электронагреватели, выполненные в виде спирали, уложены в каналах стенок печной камеры. Высокие температуры в таких печах достигаются быстро. Муфельные печи удобны в обслуживании, компактны и нашли поэтому широкое применение в химической промышленности.

Установки с трубчатыми нагревательными элементами ( рис. 1-17, в). В отличие от электронагревательных элементов, для которых в качестве электроизоляционных материалов применяют керамику, слюду современные трубчатые электронагреватели (рис. 1-18) представляют собой металлический патрон (обычно трубу из латуни, меди, углеродистой стали), внутри которого запрессована в наполнителе спираль из нихромовой проволоки.

В качестве наполнителя применяют кварцевый песок, окись алюминия (электрокорунд), плавленную окись магния (периклаз) и другие материалы.

Наполнитель служит, с одной стороны, электроизоляцией спирали от металлической трубы, а с другой стороны проводником тепла.

Трубчатые электронагреватели (ТЭН) изготовляют одно – и двухспиральными. Спирали выполняются из нихромовой проволоки диаметром 0,2 – 1,6 мм; их располагают в трубе диаметром 7 – 19 мм. Между трубой и спиралью засыпают наполнитель в виде порошка одного из указанных выше материалов. Для уплотнения наполнителя трубу обсаживают на меньший диаметр ( например, с 14 на 11,8 мм). В готовом виде сечение труб может быть круглым, треугольным или ромбическим (рис. 1-18, д); для радиационного обогрева теплоотдающую поверхность трубы делают специально уширенной; в газовых и воздушных электронагревателях на трубу насаживают ребра. Освоено также изготовление ТЭН в виде кабелей-нагревателей с монолитной жилой . Такие кабели закладываются в полы, стены и потолки жилых помещений для обогрева, в покрытия дорог и мостов, взлетных площадок аэродромов для защиты их от обледенения.

Трубчатый электронагреватель выгодно отличается от других электрических нагревателей: его патрон практически герметичен, что обеспечивает малую окисляемость электроспирали; плотная набивка наполнителя предохраняет спираль от разрушений при ударах и вибрациях патрона; большая теплопроизводительность ТЭН в сравнении со спиралями, укладываемыми в слюду и другие электроизоляционные материалы. Возможность погружения ТЭН в жидкости и в расплавы устраняет потери в окружающую среду и тем самым повышают их к.п.д. Срок службы ТЭН превышает 5 – 8 лет.

Индукционные нагреватели. Использование в промышленности индукционных нагревателей как источников тепловой энергии началось в 30 – годах. В настоящее время индукционный нагрев на основе токов высокой и промышленной частоты нашел широкое применение в технологических процессах: нагревание агрессивных жидкостей, выпаривание, сушка, закалка, плавка металлов, пайка и др

Преимущества индукционного нагрева по сравнению с другими методами электрического нагрева заключается в следующем:

1. возможность прямого нагрева проводниковых материалов, при этом значительно более интенсивного, чем при нагреве в печах или в устройствах косвенного нагрева, где среда нагревается только через поверхность контакта;

2. бесконтактный нагрев, что упрощает конструкцию нагревателей и позволяет применять этот метод в условиях автоматизированного поточного производства с применением вакуума и защитных средств;

3. повышение производительности труда и улучшение санитарно-гигиенических условий производства.

Сущность явления электромагнитной индукции состоит в том, что переменное магнитное поле в спиральной катушке-индукторе возбуждает переменное магнитное поле в нагреваемом теле – проводнике, помещенном в эту катушку или вблизи неё. При этом в проводнике индуцируется электродвижущая сила (э.д.с.), вызывающая появление электрического тока. Тепловая энергия, выделяемая этим током, нагревает проводник.

Установка для индукционного нагрева состоит обычно из следующих основных элементов: а) генератора высокой частоты (лампового или машинного); б) индуктора, представляющего собой спиральную катушку (соленоид) или провод, соответствующий форме нагреваемого тела; в) конденсаторной батареи, компенсирующей низкий коэффициент мощности индуктора. Часто в установках для поверхностного нагрева, например для закалки стали, индуктор подключают к генератору через понизительный трансформатор (рис. 1-20, а). Нагреватели с многовитковым индуктором подключают к генератору через понизительный трансформатор (рис. 1-20, б).