Нагревание водяным паром

НАГРЕВАЮЩИЕ АГЕНТЫ И СПОСОБЫ НАГРЕВАНИЯ

Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинства­ми его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают боль­шие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26- 10⁶ дж/кг (540 ккал/кг) при давлении 9,8-10⁴ н/м* (1 ат). Вследствие высоких коэф­фициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление пере­носу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс на­гревания при малой поверхности теплообмена.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство тем­пературы его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходи­мости регулировать ее, изменяя давление греющего пара.

При использовании тепла парового конденсата к. п. д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаро-безопасность и др.).

Основной недостаток водяного пара — значительное возрастание дав­ления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до ко­торых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обыч­но не превышают 180—190 °С, что соответствует давлению пара 10—12 ат. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоя­щая теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуника­ции и арматуру.

Более экономична утилизация водяного пара, получаемого после его использования в паросиловых установках. Химические производства часто потребляют большие количества не только тепла, но и электроэнер­гии. Поэтому целесообразно энергетический пар высокого давления (до 250 ат) направлять первоначально в турбины для выработки электри­ческой энергии, а затем мятый пар турбин давлением 6—8 ат (иногда до 30 ат) использовать для обогрева химической аппаратуры. Мятый пар турбин является перегретым. Тепло перегрева пара мало по сравнению с его теплотой конденсации, а объем пара на единицу отдаваемого тепла значительно больше, чем для насыщенного пара, что приводит к увеличе­нию диаметра паропроводов. Чтобы избежать увеличения расходов на транспортирование теплоносителя, перегретый пар из турбин увлажняют, смешивая его с горячей водой. При этом пар дополнительно испаряет некоторое количество воды и направляется в насыщенном состоянии в теплоиспользующие аппараты.

Ввиду того что тепло перегрева относительно мало, коэффициенты теплоотдачи от перегретого пара значительно ниже, чем от насыщенного, и перегрев пара требует дополнительных затрат, перегретый водяной пар редко применяют в качестве нагревающего агента. Иногда используют небольшой перегрев его для компенсации тепловых потерь в подводящих паропроводах.

Нагревание глухим паром. Наиболее распространено нагревание г л у -х и м паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Принципиальная схема нагревания глухим паром приведена на рис. VIII-1. Греющий пар из генератора пара — парового котла 1 направ­ляется в теплообменник 2, где жидкость (или газ) нагревается паром через разделяющую их стенку. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части. Тем­пература пленки конденсата близка к температуре конденсирующегося пара, и эти температуры могут быть приняты равными друг другу.

Расход D глухого пара при непрерывном нагревании определяют из уравнения теплового баланса:

где D — расход нагреваемой среды; с — средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды; t₁, t₂ — начальная и конечная температуры нагреваемой среды; I_п, I_к — эн­тальпии греющего пара и конденсата; Q_п — потери тепла в окружающую среду.

Если пар не будет полностью конденсироваться на поверхно­сти теплообмена и часть его будет уходить с конденсатом (так называемый пролетный пар), то это вызовет непроизво­дительный расход пара.

Чтобы избежать непроизводительного расхода пара и организовать беспрепятственное удаление из аппарата парового конденсата без вы­пуска пара, применяют специальные устройства — конденсат о-отводчики (см. рис. VII1-2). Конденсат из конденсатоотводчика 3 через промежуточную емкость 4 подается насосом 5 в паровой котел 7.

Принцип работы конденсатоотводчика с открытым поплавком, применяемого при давлениях пара не более 10 ат, показан на рис. VIII-2.

Смесь пара и конденсата поступает через штуцер 1 в корпус 2 конденсатоотводчи­ка. При этом поплавок (стакан) 3 всплывает и с помощью укрепленного на вертикаль­ном стержне 4 клапана 5 закрывает выходное отверстие для конденсата. Однако по мере накопления конденсата он переливается через край поплавка внутрь последнего и, когда вес жидкости и поплавка превысят выталкивающую (архимедову) силу, по­плавок опускается и открывает выход для конденсата, который выдавливается из корпуса давлением пара. Вес поплавка рассчитан так, что патрубок 6, в направляющих которого перемещается клапан 5, остается погруженным в конденсат при наименьшей высоте слоя конденсата в поплавке и образует гидравлический затвор. После удале­ния значительной части конденсата из поплавка 3 последний снова всплывает и закры­вает выходное отверстие. Таким образом, выпуск конденсата производится периоди­чески. Над выходным отверстием расположен клапан 7, предотвращающий обратное попадание конденсата в конденсатоотводчик.

Устройство конденсатоотводчиков других типов описывается в спе­циальной литературе.

Конденсатоотводчик обычно устанавливают ниже теплообменника и снабжают, как показано на рис. VIII-1, обводной линией (байпасом), наличие которой позволяет не прерывать работы аппарата при кратковре­менном отключении конденсатоотводчика для его ремонта или замены.

Греющий пар обычно содержит некоторое количество неконденсирую­щихся газов (N₂ О₂₎ СО₂), выделяющихся при химической обработке кот­ловой воды и в процессе парообразования в котлах. Эти примеси значительно снижа­ют коэффициенты теплоотдачи от пара. По­этому при паровом обогреве из парового объ­ема теплообменника должны периодически удаляться скапливающиеся неконденсирую­щиеся газы. Этой же цели служит продувочный вентиль 8 в конденсатоотводчике, пока­занном на рис. УIII-2

Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание о с т р ы м паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Такой способ нагрева проще нагрева глухим паром и поз­воляет лучше использовать тепло пара, так как паровой конденсат сме­шивается с нагреваемой жидкостью и их температуры выравниваются.

Если одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры — трубы, располо­женные у дна аппарата, закрытые с конца и снабженные множеством мел­ких отверстий, обращенных кверху. Для лучшего перемешивания, умень­шения шума, вызванного резким уменьшением объема пара при конден­сации, и устранения гидравлических ударов применяют бесшум­ные подогреватели (рис. VIII-3). Пар подается через сопло 1 и захватывает жидкость, поступающую через боковые отверстия в смешивающий диффузор 2. При смешении жидкости с паром внутри диффузора 2 значи­тельно уменьшается шум.

Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных тем­ператур нагреваемой жидкости и конденсата. Тогда по уравнению теп­лового баланса находим:

откуда расход пара

где с_в — теплоемкость конденсата.