Нагревание и охлаждение:
В химической промышленности на многих стадиях технологического процесса требуются подача или отвод тепла. Цели при этом могут быть самыми разными, в том числе:
— настройка и соответственно поддержание заданных температур для достижения благоприятных условий протекания реакции (например, реакций в смесителях или каталитических реакций между газами);
— использование изменений определенных физических свойств (например, вязкости) в зависимости от температуры;
— изменение агрегатного состояния до уровня испарения, конденсации, расплавления и т. д.;
— изменение агрегатного состояния для разделения смесей веществ путём перегонки, кристаллизации и проч.
Пересчёт единицы измерения тепла.
| кДж | Дж или Вт/с | кВт/ч | ккал |
| 1 | 1000 | 2,78*10 -4 | 0,2397 |
| 10 -3 | 1 | 3*10 -7 | 2,397*10 -4 |
| 3600 | 3,6*10 6 | 1 | 860 |
| 4,19 | 4190 | 1,16*10 -3 | 1 |
Водяной пар.
Водяной пар, один из важнейших энергоносителей в химической промышленности, служит для осуществления процессов нагрева в ёмкостях разного рода и теплообменниках. Он находит применение также в качестве технологического пара и при эксплуатации топливных насосов.
Особым достоинством водяного пара как носителя тепловой энергии считается большое количество тепла, которое аккумулировано в нём и освобождается при конденсации (рис. 7-5). Оно во много раз превышает количество тепла, которое может быть аккумулировано, например, в теплой воде. Кроме того, теплопередача конденсирующего водяного пара на нагреваемую поверхность чрезвычайно велика, так что даже при небольшой площади нагрева удаётся получить достаточно высокую теплопередачу.
Процессы при испарении
Водяной пар — это испарившаяся газообразная вода. Для испарения необходимо, например, воду комнатной температуры нагреть до 100 °С (при атмосферном давлении). При дальнейшей подаче тепла вода закипает, и начинается парообразование (рис. 7-6). Образующийся водяной пар имеет температуру порядка 100 °С, если абсолютное давление в пространстве над жидкостью составляет 1,013 бар (атмосферное давление).
Если паровое пространство (над кипящей водой) закрыто, то при продолжающейся подаче тепла в результате непрерывно испаряющейся воды создается избыточное давление пара. По мере возрастания давления в паровом пространстве дальнейшее испарение затрудняется, что повышает температуру кипения воды.
Между температурой кипения и давлением пара устанавливается определённое равновесие: при низком давлении пара и температура кипения будет низкой, при высоком давлении пара — высокой. Эту зависимость между температурой кипения и давлением пара демонстрирует кривая в диаграмме давления пара (рис. 7-7).
Пар может быть нескольких видов.
Насыщенный пар
Водяной пар, находящийся в равновесии с кипящей водой, из которой он поднимается, называется насыщенным паром. Он сухой, то есть не содержит жидкой воды в виде капель тумана, и невидим. Насыщенный пар имеет температуру и давление, соответствующие точке на кривой давления пара (см. рис. 7-7).
Насыщенный пар с температурой 130 °С обладает абсолютным давлением 2,8 бар.
Состояние насыщенного пара неустойчиво, это некое граничное состояние. Даже незначительный отвод тепла приведет к конденсации части пара (влажный пар), в то время как дополнительная подача тепла перегревает насыщенный пар (перегретый, или острый пар).
Влажный пар
Влажный пар образуется при охлаждении насыщенного пара — например, в отводных трубах парогенератора, ведущих к потребителю. В результате охлаждения часть газообразной воды превращается в жидкость, выступающую мелкими каплями тумана. Влажный пар проявляется в виде белого тумана. Процентное содержание насыщенного пара во влажном паре указывают через параметр х — удельное паросодержание (%).
Влажный пар с х= 0,8 означает: влажный пар, состоящий из 80 % насыщенного пара и 20 % жидкости.
Перегретый (острый) пар
При нагреве насыщенного пара выше температуры кипения возникает перегретый пар (рис. 7-7). Он свободен от любой жидкой воды и не образует водяных капель при незначительном охлаждении. Именно поэтому его называют «сухим»; такой пар невидим.
И только если охладить его до температуры кипения, из него начинает выступать вода в виде тумана. Чем сильнее перегрет пар, тем выше его температура и тем больше давление, под которым он находится.
Нагрев водяным паром
Пар, чаще всего используемый в химических установках для целей нагрева, — это слегка перегретый пар с избыточным давлением от 2 до 3 бар. Его называют также паром низкого давления, а температура обычно находится в диапазоне от 130 до 150 °С.
Давления пара от 2 до 3 бар вполне достаточно для транспортировки на средние расстояния, и при этом не нужны трубы с толстыми стенками. Легкий перегрев препятствует образованию конденсационной воды в трубопроводах и гарантирует в месте использования наличие почти насыщенного пара.
Для целей нагрева более всего подходит именно насыщенный пар, поскольку теплопередача на основе конденсации пара на поверхности нагрева особенно велика, что позволяет обходиться минимальной её площадью. При нагреве пар приводится в соприкосновение с обогреваемой поверхностью — например, в рубашке бака с мешалкой (рис. 7-8). Пар охлаждается на обогреваемой поверхности и конденсирует, отдавая стенке бака своё тепло конденсации QKond, вычисляемое по формуле: QKond = mD • r, где mD есть масса пара, а r — его удельное тепло конденсации. Оно составляет, например, у насыщенного пара с температурой 100 °С (1,013 бар) около 2260 кДж/кг, а у насыщенного пара при 120 °С (около 2 бар) примерно 2200 кДж/кг.
Конденсационная вода стекает на поверхность нагрева, продолжая охлаждаться, и покидает паровое пространство через конденсатоотводчик. Тепло, дополнительно отдаваемое при охлаждении, относительно невелико по сравнению с теплом конденсации (рис. 7-5).
Для решения особых задач по нагреву потребуется насыщенный пар высокого давления. Это тот случай, когда подлежащий нагреванию материал приходится доводить до высоких температур. Температура греющего пара должна — в силу теплотехнических причин — на 20-40 °С превосходить максимальную температуру обрабатываемого продукта. Если таковая составляет, например, 140 °С, то при разности температур 40 °С потребуется температура греющего пара 180 °С. Это соответствует насыщенному пару с абсолютным давлением около 10 бар (рис. 7-7).
Недостатком высокой температуры пара и, следовательно, его высокого давления является тогда обязательное толстостенное исполнение отопительных приборов. А это связано не только с повышением расхода материалов, но и с ухудшением теплопередачи.
Источник
Нагревание водяным паром и горячей водой
Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар, основными достоинствами которого являются:
– высокая теплота конденсации, численно равная теплоте испарения;
– высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности теплопередачи;
– равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;
– возможность передачи на большие расстояния без транспортирующих устройств.
Основной недостаток водяного пара – быстрый рост давления с повышением температуры, что приводит к удорожанию аппаратуры из-за необходимости увеличения ее прочности. Поэтому температуры, до которых можно производить нагрев в промышленных условиях, обычно не превышают 180–190 °С, что соответствует давлению пара 1,0–1,5 МПа.
| |
| Рисунок 8.1 – Устройство для нагревания жидкости «острым» паром: 1 – резервуар; 2 – паровая труба; 3 – запорный вентиль; 4 – обратный клапан; 5 – продувочный вентиль |
Нагревание «острым» паром. Наиболее простым способом нагревания является введение пара непосредственно в нагреваемую среду (жидкость). Пар при этом конденсируется и отдает тепло нагреваемой среде, а образующийся конденсат смешивается с ней. Такой пар получил название «острого». Простейший аппарат для нагревания жидкости «острым» паром представлен на рис. 8.1.
| |
Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 8.2) или колец.
На паропроводящей трубе устанавливают обратные клапаны (рис. 8.1), которые пропускают пар в аппарат, но задерживают жидкость, поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавливают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат.
При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.
Расход «острого» пара D определяют из теплового баланса:
откуда
где G, c, tн – расход, удельная теплоемкость и начальная температура нагреваемой жидкости; tк – конечная температура смеси нагреваемой жидкости и конденсата; λ – энтальпия пара; cк – удельная теплоемкость конденсата.
Нагревание «глухим» паром. Если по технологическим причинам недопустимо использование «острого» пара, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку.
Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства теплообменного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата с достаточной точностью может быть принята равной температуре насыщенного греющего пара. При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей и взаимное направление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в теплообменный аппарат пар обычно подводят сверху для того, чтобы конденсат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата.
Расход «глухого» пара определяют из теплового баланса:
где tконд – температура конденсата.
Для нормальных условий работы теплообменных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить от них конденсат. При этом нельзя допускать потери несконденсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом.
Отвод конденсата и неконденсирующихся газов производится с помощью специальных устройств – конденсатоотводчиков. Работа их основана на использовании различия плотностей пара и конденсата.
Конденсатоотводчики с закрытым поплавком(рис. 8.3, а) применяют при давлении пара выше 1 МПа. При поступлении в корпус 3 конденсата поплавок 2 всплывает, открывая клапан 1 для вывода конденсата. С выходом конденсата поплавок опускается и клапан закрывает выходное отверстие.
При непрерывном поступлении конденсата клапан открыт соответственно постоянному расходу. Вертикальное положение поплавка с клапаном фиксируется стержнем 4 и направляющим стаканом 5.
| |
Конденсатоотводчики с открытым поплавком (рис. 8.3, б) периодического действия. Конденсат поступает в корпус и заполняет его. При этом поплавок, выполненный в виде стакана, всплывает и при помощи клапана закрывает выходное отверстие. Клапан крепится к стакану стержнем. При дальнейшем поступлении конденсата он начинает переливаться через края поплавка и заполняет его. При определенном заполнении поплавка конденсатом он опускается и клапан открывает отверстие, через которое выводится конденсат.
При постоянном расходе пара, а следовательно, и при постоянной скорости отвода конденсата применяют более простые конструкции конденсатоотводчиков. Таким конденсатоотводчиком служит подпорная шайба, представляющая собой диск с одним или несколькими отверстиями диаметром до 5–6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу с отверстием большего диаметра или сетку для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т.д. Работа шайбы основана на том, что при небольших давлениях до 0,7 МПа через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата.
Подобно подпорной шайбе работает подпорный фильтр. Здесь роль шайбы выполняет слой песка или гравия, насыпанный на сетку. Соответственно размеру частиц фильтрующего слоя высота его выбирается таким образом, чтобы производительность строго отвечала количеству отводимого конденсата.
| |
Конденсатоотводчики устанавливают не менее чем на 0,5 м ниже места вывода конденсата из пространства теплообменного аппарата. Для обеспечения непрерывной работы аппарата при ремонте и осмотре конденсатоотводчиков они снабжаются обводной линией (рис. 8.4).
При обогреве «глухим» паром в паровом пространстве теплообменника скапливаются несконденсирующиеся газы, главным образом воздух, попадающий в аппарат вместе с паром. Из-за наличия газов в паровом пространстве резко снижается коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, поэтому газы периодически удаляют с продувкой через предусмотренный для этой цели в аппарате штуцер с вентилем.
Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, так как она имеет более низкий коэффициент теплоотдачи, более низкую температуру при низких давлениях, а в процессе теплообмена охлаждается (неравномерный обогрев). Ее используют для нагревания до температур ниже 100 °С. Как правило, для этой цели служит отходящая вода или конденсат пара.
Источник
