Способы нагревания и нагревающие агенты ( 4.1.1)

Нагревание газов и жидкостей происходит за счет теплообмена их с

нагревающими агентами (теплоносителями), имеющими более высокую

температуру, чем нагреваемые вещества, и отдающими им теплоту. Процесс

нагревания осуществляется также с помощью электрической энергии.

В качестве нагревающих сред используются топочные газы, водяной пар, горячая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла и др.

Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры, способности

теплоносителя передать нужное количество теплоты при относительно

небольшом расходе, а также от свойств теплоносителя (токсичности, агрес-

сивности, термической стойкости и др.) и его стоимости.

На многих технических производствах экономически целесообразно

использовать в качестве нагревающих агентов теплоту отработанных тепло-

носителей: пара, конденсата, газа, жидкостей, а также тепловую энергию

продуктов производства.

При проведении процессов нагревания необходимо осуществить

мероприятия по экономии энергии: по возможности использовать тепловую

изоляцию и водонепроницаемые материалы; применять автоматическое

регулирование температурных режимов и расходов теплоносителей;

использовать аппараты непрерывного действия; применять отражательные

экраны для аккумулирования теплоты в области процесса и т.д.

Нагревание водяным паром.

В качестве греющего агента широко применяется водяной пар, обладающий высокими термодинамическими свойствами, к числу которых относятся большое количество теплоты, выделяемое при конденсации пара (так при давлении 0,1 МПа q = 2260 кДж/кг), и наличие постоянной температуры конденсации при постоянном давлении.

Вследствие выделения большого количества теплоты расходы пара

небольшие. Постоянство температуры конденсации дает возможность точно

поддерживать и, в случае необходимости, регулировать температурный

режим процесса, изменяя давление пара.

Коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара высокие,

достигающие значений α ≈17000 Вт/(м2 · К), что позволяет уменьшить

поверхность нагревания.

К числу достоинств водяного пара также относятся его доступность,

нетоксичность, пожаробезопасность, а основным недостатком является

зависимость между температурой насыщения и давлением. С ростом темпе-

ратуры необходимо, чтобы пар полностью конденсировался на поверхности

теплообмена. Во избежание потери пара (пролетный пар) из пространства

конденсации вместе с отходящим конденсатом, применяются специальные

устройства конденсатоотводчики, которые позволяют выходить только

конденсату и задерживают выход пара.

Нагревание острым паром происходит обычно при его смешивании с

нагреваемой средой. Этот способ проще нагрева глухим паром и позволяет

полнее использовать теплоту конденсации пара. Для лучшего контакта пара и нагреваемой среды в смесителях используются различные устройства, например барботеры, которые, разделяя пар на мелкие струйки, создают перемешивание нагреваемой жидкости.

Нагревание горячей водой и конденсатом. Горячая вода применяется

для нагревания веществ до температуры ниже 100 °С. При более высоких

температурах нагревания (130 _ 150°С) используется горячая вода при

повышенном давлении. Как теплоноситель горячая вода хуже водяного пара.

Она отдает меньше теплоты и температура воды вдоль поверхности тепло-

обмена постепенно снижается, что ухудшает равномерность обогрева и зат-

рудняет регулирование температурного режима. Коэффициенты теплоотдачи

от горячей воды ниже, чем от конденсирующегося пара [не выше 5000

Вт/(м2· К)]. При нагревании поверхности теплообмена водой применяется

циркуляционная система с естественной или принудительной циркуляцией.

Нагревание органическими жидкостями и их парами. К числу

основных требований, предъявляемых к промышленным жидким теплоноси-

телям, относятся следующие: высокая температура, при которой осуществля-

ется технологический процесс (рабочая температура), большая плотность и

низкая вязкость, высокая теплоемкость и теплопроводность. Жидкие тепло-

носители должны быть нетоксичны, химически не агрессивны, пожаро- и

взрывобезопасны, иметь невысокую стоимость и низкие эксплуатационные

расходы. Верхний предел рабочей температуры теплоносителя ограничен началом его

разложения, нижний предел его вязкостью, которая увеличивается при

уменьшении температуры. Повышение вязкости теплоносителя приводит к

росту расхода энергии на его циркуляцию.

Таким образом, лучшими теплоносителями являются те, у которых

высокий коэффициент теплоотдачи и низкая вязкость при рабочей темпера-

туре.__В качестве высококипящих органических теплоносителей (ВОТ) полу-

чили распространение некоторые производные ароматических углеводородов

(дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан, дитолилметан и др.), продукты

хлорирования дифенила и полифенолов, этиленгликоль, глицерин и др.

Органические теплоносители применяются как в чистом виде, так и в смеси.

К группе органических теплоносителей помимо ВОТ относятся и

некоторые минеральные масла, которые отличаются высокой термической

стойкостью.

В настоящее время в качестве теплоносителей используют следующие

ВОТ: ДФС _ дифенильная смесь (эвтектическая смесь 26,5 % масс.

дифенила и 73,5 % дифенилоксида), ДТМ _ дитолилметан, АМТ-300 _

ароматизированное масло, КТ-2 _ комбинированный теплоноситель (смесь

50 % дитолил-метана, 36,8 % дифенилоксида и 13,3% масс. дифенила), ИС-

40А _ минеральное масло).

Для нагрева до высоких температур (≈ 300 °С) применяются кремний-

органические жидкости (ионные теплоносители), представляющие собой

главным образом ароматические эфиры орто-кремниевой кислоты, например

ортокрезилоксисилан. Эти теплоносители термически стойки, имеют высо-

кую температуру кипения при атмосферном давлении, но легко гидролизу-

ются при взаимодействии с водой, что является их недостатком.