Нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями в шарові нерухомої і рухомої твердої насадки

Для нагрівання технологічних газів до високих температур іноді використовують газоподібні теплоносії — топкові гази і т.д., що періодично нагрівають шар насадки, що складається з невеликих твердих тіл або зерен. Вона служить проміжним твердим теплоносієм, від якого технологічні гази одержують тепло і нагріваються до заданої температури. Насадка виготовляється з алюмосилікатів, кварцу, шамоту й інших термостійких неметалічних матеріалів.

Нагрівання газами в шарі нерухомої насадки, що викликає турбулізацію потоку газу і підвищення інтенсивності теплообміну здійснюється, зокрема, у регенеративних теплообмінниках.

Останнім часом успішно використовується нагрівання в шарі насадки, що рухається. Зернисті матеріали, розмір часток яких коливається від 0,05 до 8 мм, мають дуже велику питому поверхню, що дозволяє одержувати дуже значні поверхні теплообміну в малому робочому обсязі апарата й інтенсифікувати різні процеси тепло- і массообміну. Такий спосіб нагрівання часто називають нагріванням за допомогою запилених газових і парогазових потоків.

У нагрівальних установках із циркулюючим зернистим теплоносієм останній рухається чи суцільним потоком (у вигляді так званої падаючої насадки, рис. 7.8), або переміщується, знаходячись у псевдозрідженому стані, тобто працює в режимі псевдозрідження.

В установці з падаючою насадкою (див. рис. 7.8) топкові гази подаються у верхню камеру 1 через газохід і рухаються нагору назустріч суцільному потоку холодних частинок твердого проміжного теплоносія (падаючої насадки), що надходять з бункера 2. У результаті інтенсивного теплообміну тверді частинки нагріваються до температури, близької (на 5—10 °С нижче) до температури топкових газів. Нагрітий твердий теплоносій через герметичний затвор 3 і бункер 4 подається в нижню камеру 5, де віддає своє тепло що рухається протитечією технологічному газу.

У камері 5 також відбувається дуже інтенсивний теплообмін між твердим нагрітим теплоносієм і технологічним газом, що відокремлюється від віднесених твердих часток у циклоні 6 і направляється на подальшу переробку. Відпрацьовані топкові гази очищаються від пилу в циклоні 7 і видаляються в атмосферу. Охолоджені частинки теплоносія, а також дрібні його частинки, відділені в циклонах 6 і 7 за допомогою газодувки 8, надходять по пневмотранспортному трубопроводу знову в бункер 2.

Нагрівальна установка з псевдозрідженим шаром твердого теплоносія також складається з теплообмінних камер, але трохи іншого пристрою. Топкові гази направляються по газоходу під розподільчу решітку верхньої камери з такою швидкістю, щоб привести в псевдозріджений стан холодний зернистий матеріал, що надходить зверху. Нагрітий матеріал відводиться в нижню камеру де псевдозріджується потоком нагріваючого (технологічного) газу, що піднімається крізь отвори розподільчої решітки. Тут відбувається інтенсивне нагрівання технологічного газу, що сприймає тепло від зернистого проміжного теплоносія. У решті схема установки співпадає з зображеною на рис. 7.8.

Рисунок. 7.8. Нагрівальна установка з падаючою насадкою:

1 — верхня камера для нагрівання твердого теплоносія; 2 — бункер для твердого теплоносія; 3 — герметичний затвор; 4 — бункер нижньої камери; 5 — нижня камера для нагрівання технологічного газу; 6 — циклон для очищення технологічного газу; 7 — циклон для очищення топкових газів; 8 — газодувка.

 

7. Нагрівання електричним струмом. Задопомогою електричного струму нагрів можна здійснювати в дуже широкому діапазоні температур, точно підтримуючи і легко регулюючи температуру нагріву у відповідності зі створеним технологічним режимом. Крім цього, електричні нагрівальні пристосування відрізняються простотою, компактністю і зручні для обслуговування.

Проте застосування електричного струму для нагрівання поки досить дороге. Це пов’язане з багатоступінчатістю перетворення хімічної енергії палива в електроенергію.

У залежності від способу перетворення електричної енергії в тепло розрізняють нагрівання електричними опорами (омічний нагрів), індукційне нагрівання, високочастотне нагрівання, а також нагрівання електричною дугою.

Нагрівання електричним опором. Це найбільш розповсюджений спосіб нагрівання електричним струмом. Нагрів здійснюється в електричних печах опору (рис. 7.9) під час проходження струму через нагрівальні елементи 2 і 3, виконані у вигляді дротяних спіралей чи стрічок. Нагрівальні елементи виготовляють головним чином з хромо-залізо-алюмінієвих сплавів, які мають великий омічний опір і високу жаростійкість (ніхроми чи фехралі). Тепло, яке виділяється під час проходження електричного струму через нагрівальні елементи, передається стінкам обігріваючого апарата 1. Піч футерують зсередини вогнетривкою кладкою 4 і покривають ззовні теплою ізоляцією, наприклад шаром шлакової вати. Для періодичного огляду електронагрівачів електропіч забезпечується опускним пристосуванням 5. Під час живлення печі трьохфазним струмом температуру нагріву зазвичай регулюють переключенням провідників із зірочки на трикутник і відповідною зміною споживаючої потужності чи відключенням окремих секцій нагрівальних елементів.

Нагрівання опором здійснюють також за допомогою дротяних провідників, які намотані на керамічні сердечники, встановлені в труби і набираючі в секції. Такі стандартні нагрівальні елементи застосовуються, в котлах для ВОТ. Нагрів електричними опорами дозволяє досягнути температур 1000-1100 °С.

 

 

Рисунок. 7.9. Електропіч опору: 1 – обігріваючий апарат, 2 – бокові секції нагрівальних елементів, 3 – донна секція нагріваючого елемента, 4 – футеровка печі, 5 – пристрій для опускання футеровки

 

Індукційне нагрівання. Цей спосіб нагрівання електричним струмом базується на застосуванні теплового ефекта, викликаного вихровими струмами Фуко, виникаючими в товщині стінок сталевого апарату під впливом змінного електричного поля. Апарат із індукційним електронагрівом подібний трансформатору, первинною обмоткою якого є індукційна катушка, а магнітодротом і вторинною катушкою – стінка апарата.

На рис. 7.10 показаний реакційний апарат із мішалкою, обладнаний зовнішнім індукційним обігрівом. Змінне магнітне поле створюється за допомогою індукційних катушок 2, які кріпляться на апараті 1. Апарат обладнаний змієвиком 3 і мішалкою 4. Регулювання температури нагріву здійснюють переключенням з’єднання катушок із зірки на трикутник.

Рисунок. 7.10. Апарат із зовнішніми індукційними катушками: 1 - реакційний апарат, 2 – індукційні катушки, 3 – паровий змійовик, 4 – аркушева мішалка

 

Індукційне нагрівання забезпечує рівномірний обігрів при температурах, зазвичай не перевищуючих 400 °С, і дозволяє точно підтримувати задану температуру нагріву. Електронагрівачі відрізняються малою тепловою індукцією та можливістю точного регулювання температури. Їх робота може бути повністю автоматизована.

Недоліком індукційного нагрівання є його висока вартість. Тому для підвищення економічності нагрів деколи проводять комбінованим способом. Спочатку продукт у апараті нагрівають насиченим паром, який проходить через змійовик 3 (див. рис. 7.10), до температури приблизно 180 °С, після чого підвищують температуру до заданого рівня за допомогою індукційного нагріву.

Високочастотне нагрівання. Такий спосіб застосовують для нагрівання матеріалів, що не проводять електричний струм (діелектриків), і тому часто називають діелектричними. Принцип високочастотного нагрівання базується на тому, що молекули матеріалу, розміщеного в змінному електричному полі, починають коливатися з частотою поля і при цьому поляризуються. Коливальна енергія частинок затрачується на подолання тертя між молекулами діелектрика та перетворюється в тепло безпосередньо в масі нагріваючого матеріала. За рахунок застосування тепла діелектричних втрат досягається досить рівномірне нагрівання матеріалу.

Застосування для нагрівання струмів високої частоти (від 10 до 100 МГц) обумовлене прагненням усунути застосування небезпечних високих напруг, оскільки кількість виділяючогося в масі діелектрика тепла пропорційне квадрату напруги та частоті струму. Струми високої частоти отримують в лампових генераторах, перетворюючих змінний струм частотою 50 Гц у струм високої частоти. Останній підводять до пластин конденсатора, між якими встановлюється нагріваючий матеріал.

Високочастотний обігрів у хімічній технології застосовують для нагрівання пластичних мас перед їх пресуванням, для сушки деяких матеріалів і іншої мети. Температура нагріву легко і точно регулюється і процес нагрівання може бути повністю автоматизований. Проте цей спосіб обігріву потребує досить складної апаратури, і ККД нагрівальних установок низький. Тому високочастотному нагріванню раціонально піддавати цінні матеріали, обігрів яких неприпустимий іншими, більш дешевими, способами.

Нагрівання електричною дугою. Нагрівання здійснюють у дугових печах, де електрична енергія перетворюється в тепло за рахунок полум’я дуги, яку створюють між електродами. Над нагріваючим матеріалом або встановлюють обидва електроди, або встановлюють над матеріалом один електрод, а сам матеріал виконує роль другого електрода. Електрична дуга дозволяє зосереджувати велику електричну потужність у малому об’ємі, всередині якого розпечені гази і пари переходять в стан плазми. У результаті вдається отримати температури 1500-3000 °С.

Дугові печі застосовують для отримання карбіду кальцію та фосфору; крекінгу вуглеводнів; у металургії їх широко застосовують для плавлення металів. В якості нагрівальних пристосувань такі печі не застосовують внаслідок нерівномірності обігріву та труднощів регулювання температури нагріву.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Законспектувати теоретичні відомості.

2. Зобразити схему нагрівання глухою парою

3. Зобразити схему і законспектувати конструкцію конденсатовідвідника з відкритим поплавком

4. Зобразити схему і законспектувати конструкцію безшумного соплового підігрівача

5. Зобразити схему і законспектувати конструкцію печі для нагрівання рідких продуктів, працюючої на газі

6. Зобразити схеми і законспектувати конструкцію установок з природною та примусовою циркуляцією рідкого проміжного теплоносія

7. Зобразити схему нагрівання рідкою дифенільною сумішшю з примусовою циркуляцією

8. Зобразити схему обігріву парами ВОТ

9. Зобразити схему і законспектувати конструкцію нагрівальної установки з падаючою насадкою

10. Зобразити схему і законспектувати конструкцію електропечі опору

11. Зобразити схему і законспектувати конструкцію апарата із зовнішніми індукційними катушками

12. Зробити висновки.

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Які теплові процеси широко поширені у хімічній промисловості?

2. Які апарати називаються теплообмінниками?

3. Які речовини називають теплоносіями?

4. Які теплоносії називають нагріваючими агентами?

5. Які теплоносії називають охолоджуючими агентами?

6. Які теплоносії називають проміжними теплоносіями?

7. Які найбільш поширені охолоджуючі агенти використовують для охолодження до звичайних температур (10-30 °С)?

8. Від чого залежить вибір теплоносія?

9. Вкажіть один з найбільш широко застосовуючих гріючих агентів

10. Загальні відомості про водяну пару

11. Характеристика процесу нагрівання глухою парою

12. Яким чином працює конденсатовідвідник з відкритим поплавком?

13. Характеристика процесу нагрівання гострою парою

14. Яким чином здійснюється нагрівання глухою парою (принципова схема)?

15. Охарактеризуйте принцип роботи конденсатовідвідника з відкритим поплавком

16. Характеристика процесу нагрівання гострою парою

17. Охарактеризуйте принцип роботи безшумного соплового підігрівача

18. Характеристика процесу нагрівання гарячою водою

19. Яким чином здійснюється процес нагрівання топочними газами?

20. Принцип роботи трубчатої печі для нагрівання рідких продуктів, що працює на газоподібному паливі

21. Які існують методи нагрівання високотемпературними теплоносіями?

22. Охарактеризуйте процес нагрівання перегрітою водою

23. Принцип роботи установок з природною та примусовою циркуляцією рідкого проміжного теплоносія

24. Особливості процесу нагрівання мінеральними маслами

25. Особливості процесу нагрівання висококиплячими органічними рідинами і їх парами

26. Яким чином здійснюється процес нагрівання рідкою дифенільною сумішшю з примусовою циркуляцією?

27. Опишіть процес нагрівання парами дифенільної суміші

28. Охарактеризуйте процес нагрівання розплавленими солями

29. Охарактеризуйте процес нагрівання ртуттю і рідкими металами

30. Охарактеризуйте процес нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями в шарові нерухомої і рухомої твердої насадки

31. Яким чином працює нагрівальна установка з падаючою насадкою?

32. Охарактеризуйте процес нагрівання електричним струмом

33. Які існують методи нагрівання у залежності від способу перетворення електричної енергії в тепло?

34. Охарактеризуйте процес нагрівання електричним опором

35. Яким чином працює електропіч опору?

36. Охарактеризуйте індукційне нагрівання

37. Яким чином працює апарат із зовнішніми індукційними катушками?

38. Охарактеризуйте високочастотне нагрівання

39. Охарактеризуйте нагрівання електричною дугою

 

 

 

 

 

Практичне заняття № 8