Нагрев битума в жаротрубных ёмкостях

Исследовали нагрев битумов инфракрасными лучами в битумохранилищах и трубопроводах, по которым транспортировался битум и мастика. Определена необходимая мощность установок, предложена конструкция нагревателей и рассчитана их требуемую площадь нагрева.

Следует отметить, что интенсивность мaссообмена при разогреве битума зависит не только от количества влаги, содержащейся в нем, но и от форм ее связи c материалом. Впервые эти вопросы исследовал В.А.Декань[2], который выявил механизм обводнения и обезвоживания битума, изучил формы связи воды c битумом, соотношение свободной и сорбционно связанной влаги и разработал методику расчета разбрызгивающего пароотделителя со щелевым соплом в нагревателях битума Д-506 и Д-649.

Известно, что битум может воспламеняться при доступе воздуха лишь в том случае, когда температура поверхности нагрева достигнет более 360 ^оС, a при нагреве стенки котла более 300 ^оС в среде неподвижного битума наблюдается его коксование, в результате чего ухудшается теплоотдача и рост температуры.

Было установлено[1], что при подогреве битума в битумохранилищах электронагреватели должны иметь температуру не более 200 0С.

В своей работе Н.И.Корабельщиков [3] исследовал нагрев вязких жидкостей насыщенным паром и электрическими нагревательными элементами. Он определил зависимость расхода топлива от температуры греющего дара и относительной величины поверхности нагревательного элемента и доказал, что c целью экономии топлива необходимо правильно выбирать отношение площадей теплообменных поверхностей и температуру греющего пара. При нагреве жидкостей электронагревательными элементами им получена зависимость удельного расхода энергии от мощности нагревательного элемента и конечной температуры нагреваемой жидкости. Также доказано, что при нагреве вязкой жидкости до I00 ^оС экономически выгодно применять нагреватели мощностью 50...6О кВт, a для нагрева до I60 ^оС - не менее 70 кВт.

B последние годы в нашей стране и за рубежом уделяется значительное внимание изучению влияния колебательных явлений на конвективный теплообмен при свободной конвекции в установках для разогрева и разжижения высоковязких материалов.

Н.В.Калашнихов и В.ИЧерникин [3], изучая условия выпуска вязких жидкостей из цистерн, исследовали теплоотдачу от вибрирующего змеевика и распространение теплоты в высоковязких нефтепродуктах.

Многими авторами при изучении теплоотдачи от горизонтальных труб н различным жидкостям было установлено, что вынужденная конвекция может возникнуть только при определенных значениях φ•Р_r. Условие этого движения в первую очередь зависят от физических свойств жидкости (вязкости), её температуры, скорости течения, формы и размеров каналов,,по которым происходит движение жидкости. Условие этого движения в первую очередь зависит от физических свойств жидкости (вязкости), ее температуры, скорости течения, формы и размеров каналов, по которым происходит движение жидкости. Так, например, в своей работе А.Ш.Асатурян и Б.А.Тонкошхуров[4], рассматривая стационарную тепловую конвенцию вблизи горизонтального цилиндра бесконечной длины, погруженного в высоковязкую жидкость (нигрол и мазут), установили, что вынужденная конвекция наблюдается при φ_r* Р_r > 370 и температуре t>40 ^оС. Портнягин B.Д.[5] изучил влияние вибрации подогревателя при подогреве битума в жаротрубных котлах. Было экспериментально установлено, что при наложении вибрации битум полностью утрачивает предельное напряжение сдвига и ведет себя как ньютоновскaя жидкость c постоянным значением вязкости η_v, не зависящих от градиента скорости. Коэффициент теплоотдачи от вибрирующего подогревателя к битуму увеличивается в 10…12 раз в сравнении c не-подвижным нагревателем. Полученный эффект был проверен на установке c вибрирующим подогревателем, с удельной поверхностью нагрева I,3 м²/м³. Получена эмпирическая зависимость для расчета теплоотдачи от вибрирующего подогревателя к битумам:

Nu_m = 0,586 Re_m^0,7 *P_r^0,33

Где учитывалась свойства нагреваемой жидкости и параметры вибрирования подогревателя с амплитудой колебания 5…20мм, критерий пекла 1,6•10⁴…4•10⁵, критерий Прандтля 1•10²…1•10⁵.

 

При атом способе нагрева высоковязких жидкостей на незначительном расстоянии от вибрирующих подогревателей появляется возможность предельно разрушать структуру битума, турбулизировать пограничный слой и осуществлять тепло- и массообмен вынужденной конвекцией. Но этот способ нагрева битумов пока не нашёл широкого применения в промышленности из-за сложности привода вибрирующих подогревателей и необходимости затраты дополнительной энергии. Эффект вибровоздействия также быстро уменьшается с увеличением расстояния от виброподогревателя.

Колебания тел, помещённых в определенную среду, или колебания среды, обтекающей тела, существенно влияют на гидродинамику и теплообмен. В первую очередь при проектировании теплообменных аппаратов интересно знать, как под действием колебаний изменяются тепловые процессы.

Поэтому все теплообменные системы с наложенными колебаниями целесообразно классифицировать по отдельным категориям.К первой категории отнесем системы, у которых колеблющаяся греющая поверхность погружена в невозмущенную среду (рис.I.5 a).

Систему, y которой колебания накладываются на нагреваемую среду, обтекающую нагревательную поверхность, отнесем ко второй категории (рис.I.5 б).В работах, изучавших системы первой и втором категории, преследовалась одна цель: выявить теплоотдачу от обогревающей поверхности к относительно перемещаемой жидкости.

K третьей категории отнесет системы, y которых одновременно колеблется поверхность нагрева и жидкость (рис.I.5 в, г).

Греющие поверхности; а - первая категория (колеблется греющая поверхность); б - вторая категория (колеблется жидкая среда); в, г - третья категория (совместное колебание среды и греющей поверхности); д - четвертая категория (возмущение среды осуществляется от колебаний стенок греющей поверхности).Систему, когда стенки поверхности, ограничивающие жидкость, нагреваются и вибрируют, a от них возмущения передаются нагреваемой среде, отнесены к четвертой категории (рис.I.5 д).Эффект от воздействия колебании в установках первой и второй категорий наблюдается, в основном, в зоне греющей поверхности и c увеличением расстояния в зависимости от вязкости среды резко снижается. Несколько больший эффект от вибрации имеется в системах третьей категории и особенно проявляется при нагреве вязких жидкостей в области температур I00 ^оС и выше.

 

Рис.1.5. Теплообменные системы c наложенными колебаниями:

Однако, на возбуждение колебаний в них затрачивается относительно много энергии. Наибольший эффект от вибрации получается в теплообменных системах четвертой категории. Здесь вибрация распространяется по всей разогреваемой массе как в вязкоупругой, так и в вязкой средах. Кроме того, если в нагревательных установках применить камеры пульсирующего горения и сжигать топливо в нестационарном режиме, то горячие уходящие топочные газы, имеющие знакопеременную скорость и давление, способны без излишних затрат энергии вызвать колебания теплообменных поверхностей.