Определение температуры стенок и потерь теплоты в окружающую среду

Потери теплоты аппаратом в окружающую среду можно рас­считать, если известны температуры поверхностей стенок t_CT , и t_ct , аппарата. Предварительно для этой же цели определяют значение коэффициента теплопередачи К.

Количество теплоты, воспринимаемое стенкой от более горячего теплоносителя, как показано выше, определяется уравнением Qi = = aiFr ( ti —/ст,).

Количество теплоты, отдаваемое поверхностью стенки в нагре­ваемую среду, Q ₂ = a ₂ Fx ( t_c ^—1₂). Через стенку аппарата передает­ся теплота в количестве Qs — KFrAt_Cp . ■ В условиях установившегося процесса эти величины равны:

Ql = Q 2= Q 3, ИЛИ

a ₂ Ft { t „, —t ₂ )=а₁/^гт ( t_x— 4т.) = KFxM_{c ?} ,
откуда                        t „ _i =^ t ₂ ^J rK b - tja ₂ ,                                 (9.24)

t ^— ti — K Д/ср/ах.                              (9.25)

Таким способом определить температуру стенок бывает трудно, так как значение коэффициента теплопередачи, в свою очередь, зависит от величин ai и а₂. Поэтому часто температуры стенок оп­ределяют экспериментально. Для этой цели к наружной поверхно­сти аппарата прикрепляют измерительный прибор, чаще всего ртут­ный термометр. Шарик термометра укрепляют с помощью алюми­ниевой фольги, чтобы термометр хорошо воспринял температуру стенки.. Для этой же цели снаружи фольга также изолируется. По­казание термометра снимают через некоторое время, когда темпе­ратура шарика термометра достигнет температуры стенки.

Зная температуру наружной стенки, можно определить тепло­вые потери аппарата. В инженерных расчетах для этого применя­ются эмпирические уравнения. Так, при расчете тепловых потерь аппаратов [(Вт/м²-К)], находящихся в закрытых помещениях, мож­но воспользоваться уравнением

• а₂=(9,3 + 0,05) /_ст„                            (9.26)

где t_CT ₂— температура наружной поверхности аппарата. Уравнение (9.26) применимо в интервале температур <_CT_S=50-f-350°C.

Вопросы для повторения. 1. Что является движущей силой в процессах теп­лообмена? 2. Какими способами распространяется тепловая энергия? 3. Каков физический смысл коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и какова их размерность? 4. Какие способы подачн теплоносителей вам известны? 5. Каковы преимущества и недостатки подачи теплоносителей противотоком и параллель­ным током?

ГЛАЗА 10. НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

Тепловые процессы нагревания и охлаждения жидкостей и га­зов, конденсации паров проводятся в теплообменных аппаратах — теплообменниках. Теплообменниками называют аппараты, предна­значенные для передачи теплоты от одних веществ к другим.

Теплоносители с. более высокой температурой, которые отдают теплоту, принято называть нагревающими агентами. Теплоносите­ли с более низкой температурой, воспринимающие теплоту, назы­ваются охлаждающими агентами.

В качестве источников теплоты в химической технологии исполь­зуют главным образом топочные газы, представляющие собой газо­образные продукты сгорания различных видов топлива, или элект­рическую энергию. Часто непосредственный нагрев топочными газа­ми невозможен или невыгоден. В этом случае применяют проме­жуточные теплоносители, которые нагреваются топочными газами, а затем используются для обогрева реакционных и других аппара­тов. Промежуточными теплоносителями служат водяной пар, вода и высокотемпературные теплоносители (минеральные масла, орга­нические жидкости, расплавленные соли, металлы и др.). В каче­стве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных тем­ператур 10—30° С применяют в основном воду и воздух.

Выбор того или иного теплоносителя зависит от температуры нагрева или охлаждения и интенсивности процесса теплообмена. Желательно, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, терми­чески стоек и обеспечивал удобство регулирования температуры. Кроме того, необходимо, чтобы теплоноситель оказывал минималь­ное коррозионное воздействие на материал теплообмеников, был дешев и доступен.

Для нагревания и охлаждения не всегда используют теплоноси­тели. Практически иногда возможно утилизировать теплоту неко­торых промежуточных продуктов н отходов производства, которые в этом случае выполняют функции теплоносителя по отношению к нагреваемым продуктам.

Нагревание водяным паром

Одним из наиболее широко распространенных теплоносителей является насыщенный водяной пар, который обладает высокими теплофизичеекими характеристиками. Водяной пар по сравнению с другими веществами имеет большую скрытую теплоту конденса­ции— 2,26-10^е Дж/кг при давлении ОД МПа и высокие коэффици­енты теплоотдачи. Это позволяет при малом расходе пара и неболь­ших поверхностях теплообмена передавать значительные количест­ва теплоты. Важным достоинством насыщенного пара является по­стоянство температуры конденсации при данном давлении, что позволяет поддерживать температуру нагрева. Пар удовлетворяет также ряду других требований (доступность, пожаробезопасность, относительно высокий тепловой КПД).

Основной недостаток насыщенного водяного пара заключается в значительном возрастании давления с повышением температуры. При температуре 180° С его давление составляет ~1,0 МПа. При больших давлениях требуются более прочная толстостенная и доро­гостоящая аппаратура и подводящие коммуникации. Обычно это и ограничивает его применение областью температур 180°—19D°C.

119

Перегретый пар получают на специальных установках — паро­перегревателях— за счет дополнительного нагрева насыщенного пара. В качестве теплоносителя перегретый пар применяют крайне редко, так как его коэффициент теплоотдачи невелик. Теплосодер-

Греющий насыщен ный k Нагретый. [пер^л^ продукт

 

 

Рис, 107, 'Схема нагрева глухим водя- Рис. 108. Конденсатоотводник с ог-

ным парой:

/ — теплообменник, 2 — конденсатоотводчик, 3 *— емкость. 4 — центробежный насос

крытым поплавком:

/ — корпус, 3 — поплавок, 3 — шток, 4 — штуцер поступления конденсата, 5 — кла­пан, 6 — патрубок, 7 — обратный клапан. S — продувочный вентиль, 9 — штуцер отвода конденсата, 10 — пробка для спус» ка конденсата

жание перегретого пара по сравнению с насыщенным также уве­личивается незначительно, поэтому затраты на его перегрев не мо­гут быть оправданы. Иногда используют небольшой перегрев для уменьшения тепловых потерь в подводящих паропроводах.

В качестве теплоносителя насыщенный водяной пар используют
в виде глухого пара, когда обогрев осуществляется через теплопе-
реда'ющую поверхность, или острого пара, когда пар и нагреваемый
продукт смешиваются.                        -                  *-

Нагревание глухим паром через .стенку теплообменного аппара­та применяется очень часто, поскольку при* этом нагреваемый про­дукт не разбавляется конденсатом и не изменяет состава. Схема обогрева глухим насыщенным паром приведена на рис. 107.

П.ар из парового котла поступает в теплообменник 1, где про­дукт нагревается паром через разделяющую их стенку трубчатки. Насыщенный пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конден­сируется на ней, стекает и удаляется через нижний штуцер аппа­рата. Чтобы обеспечить удаление конденсата" пар вводят в верх­нюю часть аппарата, а конденсат удаляют из его • нижней части. Во избежание непроизводительного расхода пара и снижения его

120

давления на трубопроводе конденсата устанавливают конденсата-отводчик 2, препятствующий пролетному прохождению пара, но пропускающий конденсат.

Конденсат собирают в емкость 3; откуда центробежным насосом 4 его возвращают в котельную. Для контроля за чистотой возвра-щаемоге в котельную конденсата в емкости 3 устанавливают авто­матическое анализирующее устройство, которое дает сигнал в слу­чае его загрязнения солями, кислотами и др. Конденсатоотводчики, служащие для предотвращения непроизводительного расхода пара, по конструкции бывают различными. Наибольшее распространение имеют устройства с' открытым поплавком, используемые до дав­ления 1,0 МПа.

Конденсатоотводчик с открытым поплавком (рис. 108) состоит из.следующих основных частей: чугунного литого'корпуса / со шту­цером 4 для ввода конденсата, открытого поплавка 2 с закреплен­ным в нем штоком 3 и клапаном 5, патрубка 6 в крышке кондеиса-тоотводчика, обратного клапана 7, продувочного вентиля 8 и шту­цера 9 для отвода конденсата.

Смесь пара и конденсата поступает через штуцер 4 в корпус коиденсатоотводчика, при этом поплавок 2 всплывает и клапан 5, укрепленный в верхней части штока 3, закрывает выходное отвер­стие конденсата. По мере накопления конденсат переливается че­рез край внутрь поплавка, в результате чего поплавок тонет и от­крывает клапан для выхода конденсата. Конденсат выдавливается из поплавка за с^ет разности давлений через кольцевой зазор меж­ду штоком 3 и патрубком 6, а затем проходит через клапан 5 и штуцер 9.

Попаданию конденсата в нагреваемый аппарат из кондеисатной линии при колебаниях давления препятствует обратный клапан 7. Таким образом, конденсат выпускается периодически. Для осво­бождения аппарата от накапливающихся в аппарате неконденси­рующихся газов служит продувочный вентиль 8. Конденсатоотвод­чики снабжают обводной линией с вентилями, позволяющей прово­дить осмотры и ремонты без остановки основного теплообменного аппарата.

Расход глухого пара при непрерывном нагревании определяют по уравнению теплового баланса:

г                '

где G — массовый расход нагреваемого продукта; С — теплоемкость нагреваемого продукта; t % _K , ha — конечная и начальная температу­ры продукта; Q_n— потери теплоты в единицу времени; г — скрытая теплота парообразования водяного пара при заданном давлении.

При проведении расчетов предполагают, что конденсат не ох­лаждается, а отводится при температуре греющего пара и от пара отбирается только скрытая теплота парообразования.

Нагревание острым паром целесообразно проводить* только.в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паро-

121

вым конденсатом. Такой способ нагрева проще, чем нагрев глухим паром, и позволяет полнее использовать теплоту пара, так как па­ровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью и их тем­пературы выравниваются.

Пар подводится к нагреваемой жидкости с помощью труб с отверстиями, которые расположены у дна аппарата и называются барботерами. При конденсации пара происходит резкое —более

Рис. 109. Бесшумный пароструйный Рнс. ПО. Трубчатая печь для нагрева
подогреватель:                                        жидких продуктов:

/ — диффузор, 2 — сопло            / — конвективная теплообмеииая поверх-

ность, 2 — змеевик-подогреватель. 3 — ды­мовая труба, 4 — радиантная нагреватель­ная поверхность, 5 — излучающая панель, 6 — газовые горелки

чем в 1000 раз —сокращение его объема. Это явление вызывает «схлопывание» отдельных пузырьков, множество гидравлических ударов жидкости и значительный шум. Для лучшего перемешива­ния, уменьшения гидравлических ударов и снижения шума при на­гревании острым паром- применяют бесшумные подогреватели (рис. 109), в которых пар подается через сопло 2 и захватывает жидкость, поступающую через кольцевой зазор в смешивающий диффузор /.

Расход греющего пара также определяют из уравнения тенло-вого баланса, но с учетом теплоты, частично отбираемой от кон­денсата.

Нагревание горячей водой

Горячую воду получают в паровых водонагревателях (бойле­рах) и водогрейных котлах, обогреваемых топочными газами. Го­рячая вода применяется обычно для нагрева до температуры не более 100° С. Обогрев водой применяют в тех случаях, когда необ-122

ходимо обеспечить мягкие условия обогрева. Часто для этой цели используют конденсат водяного пара.

Коэффициент теплоотдачи при нагревании горячей водой во мно­го раз ниже, чем при нагревании конденсирующимся паром. Тем-' пература воды снижается вдоль поверхности обогрева, что ухуд­шает условия нагрева и затрудняет регулирование температуры. Указанные недостатки ограничивают применение воды как тепло­носителя.

Нагревание топочными газами

"Топочные газы позволяют осуществлять нагревание до 1000—■ 1100° С при давлении газа, близком к атмосферному. Топочные газы часто используют для нагревания промежуточных теплоноси­телей.

Нагревание топочными газами производят в печах. На рис. 110 показана современная трубчатая печь для нагревания жидких про­дуктов, работающая на газообразном топливе. Горючий газ, обычно природный, выходя из сопла горелки 6, инжектирует необходимое количество воздуха, смешивается с ним и поступает на пористую панель 5 из керамического материала. При горении газа, которое происходит на поверхности излучающей панели, пламя отсутствует. Поэтому горелки такого типа называются беспламенными. .

Раскаленная поверхность испускает мощный поток тепловой ра­диации. Образовавшиеся топочные газы с высокой температурой поступают в первую по ходу радиантную часть рабочего простран­ства печи, в которой теплота к нагреваемой поверхности 4 змеевика передается в основном за счет радиации.

• Во второй — конвективной части печи / — теплота от несколь­ко охлажденных газов передается змеевикам главным образом за счет конвекции. Для лучшего использования теплоты на пути от­ходящих газов иногда устанавливают дополнительные теплообмен^ ные устройства, например змеевик~-подогреватель 2. Газы удаляют­ся через дымовую трубу 3.

В настоящее время в качестве топлива в трубчатых печах ис­пользуют преимущественно природный газ, содержащий большое количество метана. При отсутствии природного газа применяют мазут, каменный или бурый уголь, торф, дрова. Кроме того, в ка­честве топлива иногда используют отходящие технологические газы нефтеперерабатывающих и других производств.

К недостаткам способа нагрева топочными газами относятся низкое значение коэффициента теплоотдачи (что вызывает необ­ходимость развивать большие поверхности нагрева), а также жесткие условия нагрева, т. е. большой перепад температур, и трудности точного регулирования температуры.

Чтобы рассчитать расход В газообразного топлива, необходимо уравнение теплового баланса:

Bt/x-Z^Oc^-^+Qn,                                      (Ю.2)

123

где h и h — энтальпии топочных газов на входе и выходе, решить относительно В:

 

(10.3)

Обозначения в уравнении (10.2) те же, что в уравнении (10.1).

---

Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 508; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!