149484 (Гидродинамика), страница 2

Работу установки желательно проводить при режиме, когда горячая ветвь системы заполнена преимущественно паром, а холодная—преимущественно жидкостью. В этих условиях благодаря большой разности между плотностями жидкости и пара скорость циркуляции воды увеличивается, и тепловая производительность установки возрастает.

Установки с циркулирующей перегретой водой рассчитывают на рабочее давление 22,5 МПа. Это приводит к необходимости применения весьма сложной и металлоемкой аппаратуры и арматуры.

Высокая тепловая производительность установок достигается применением принудительной циркуляции жидких теплоносителей.

Установка с принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис. 4. Для наполнения системы необходимое количество теплоносителя перекачивают в нее из сборника 1 насосом 2, После этого сборник 1 разобщается с системой перекрытием вентилей, и при работающем насосе 2 теплоноситель начинает циркулировать через трубчатый нагреватель 3 (расположенный в печи) и рубашку обогреваемого аппарата.

Рис. 4. Схема нагревательной установки с принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:

1 — сборник теплоносителя; 2 — насос; 3 — трубчатый нагреватель: 4 — обогреваемый аппарат; 5 —расширительный бачок

В трубчатом нагревателе теплоноситель воспринимает тепло топочных газов, а в рубашке обогреваемого аппарата 4 отдает его обрабатываемому материалу.

Циркуляционные насосы должны безотказно работать при высокой температуре. Высокотемпературные насосы, выпускаемые в СССР, обеспечивают достаточно надежную работу.

Расход жидкого промежуточного теплоносителя при нагревании в установках с естественной или принудительной циркуляцией определяют из уравнения теплового баланса:

где Gпp — количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; Спр—теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг°С); tпр. и tap. K — начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Qп — потери тепла в окружающую среду, кДж/ч; остальные обозначения те же, что и в предыдущем равенстве.

Отсюда расход жидкого промежуточного теплоносителя со­ставит

В зависимости от заданных температур и давлений для установок с естественной и принудительной циркуляцией подбирают соответствующие жидкие промежуточные теплоносители: воду, газойль, высокотемпературные органические тепло­носители, силикон), расплавленные смеси солей, расплавленные металлы.

Нагревание дымовыми газами с применением жидких промежуточных теплоносителей возможно до температур 500 °С. При необходимости нагревания обрабатываемых материалов до более высоких температур применяя твердые зернистые промежуточные теплоносители.

Нагревание топочными газами с циркулирующим твердым зернистым промежуточным теплоносителем получает все более широкое распространение в технике. Этим способом можно нагревать различные технологические газы до температур порядка 1500°С. В качестве зернистых теплоносителей применяют жаростойкие твердые материалы (кварц, алюмосиликаты, диабаз, алунд, шамот и др.), измельченные до частиц размером 0,05—8 мм.

Рис. 5. Нагревательная установка с циркулирующим зернистым материалом, движущимся сплошным потоком:

1 — загрузочное устройство пневмотранспортной системы: 2 — аппарат для нагревания технологических газов; 3— топка под давлением; 4—распределительное устройство: 5— аппарат для нагревания зернистого материала; 6 -бункер-сепаратор; 7 - пневмотранспортная труба- 8-11 -патрубки; 12 -воздуходувка: /—топочные газы; //-технологи­ческие газы; ///—зернистый материал; /V—транспортирующий газ/

Зернистые материалы имеют очень большую удельную поверхность—до 500—100000 м²/м³ в зависимости от размеров частиц. Благодаря этому в сравнительно небольших аппаратах удается разместить значительные теплообменные поверхности и осуществить почти полный теплообмен между заполняющими аппараты зернистыми материалами и продуваемыми через них газами.

Для нагревания топочными газами каких-либо других газов с помощью зернистых материалов могут быть применены установки двух типов: 1) с циркулирующим зернистым материалом, движущимся в- аппаратах сплошным потоком; 2) с циркулирующим зернистым материалом, который находится в аппаратах в псевдоожиженном состоянии.

Нагревательная установка с циркулирующим зернистым материалом, движущимся сплошным потоком, изображена на рис. 5. В футерованном огнеупорным кирпичом аппарате 5 находится зернистый материал. Через распределительное устройство 4 в аппарат из топки 3, работающей под давлением, поступают топочные газы. Устройство 4, выполненное, например, в виде нескольких перевернутых желобов, обеспечивает равномерное распределение потока топочных газов по сечению аппарата. Топочные газы, взаимодействуя противоточно с зернистым материалом, охлаждаются и выводятся через патрубок 9.

Зернистый материал поступает через патрубок 8 и движется в аппарате сплошным потоком по всему сечению, нагреваясь при этом топочными газами. Нагретый зернистый материал непрерывно выгружается через патрубок 10.

Аппарат 2 работает аналогично аппарату 5. В нем осуществляется нагревание технологических газов за счет взаимодействия с поступающим в верхнюю часть нагретым зернистым материалом. Охлажденный зернистый материал непрерывно отводится из аппарата 2 через патрубок II в загрузочное устройство 1 пневмотранспортной системы, куда воздуходувкой 12 подается транспортирующий газ. Последний подхватывает частицы зернистого материала и направляет их по пневмотранспортной трубе 7 в бункер-сепаратор 6. Здесь частицы осаждаются и пересыпаются в аппарат 5 а транспортирующий газ, освобожденный от твердых частиц, удаляется из аппарата.

Циркулирующий таким образом зернистый материал воспринимает тепло топочных газов в аппарате 5 и передает его нагреваемым технологическим газам в аппарате 2. Графики на рис. 5, построенные в координатах t— Н (температура— высота слоя зернистого материала), показывают характер изменения температур газов и зернистого материала в результате противоточного взаимодействия их. В аппарате 5 можно нагреть зернистый материал до температуры, на 5—10°С меньшей, чем температура поступающих в аппарат топочных газов, а в аппарате 2 можно нагреть технологические газы до температуры, на 5—10°Ñ меньшей, чем температура поступающего в аппарат зернистого материала. Работа этих аппаратов протекает в условиях, соответствующих условиям работы аппаратов идеального вытеснения. Температура нагретых в установке технологических газов лишь на 10—20 °С ниже температуры поступающих топочных газов.

Описанная установка может работать при скоростях газов в аппаратах 5 и 2, меньших, чем скорость псевдоожижения. Стремление повысить производительность установки увеличением скорости газов приводит к необходимости работать с частицами больших размеров (2--8 мм). Однако при этом уменьшается удельная поверхность зернистого материала и, следовательно, возрастают габариты аппаратуры. Кроме того, пневмотранспорт частиц больших размеров затруднителен и осуществляется при повышенных расходах транспортирующего газа.

НАГРЕВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

.В химической технике довольно широко применяют нагревание электрическим током в электропечах. При нагревании электротоком необходимо предусматривать меры, предотвращающие перегрев материала и обеспечивающие электро- и пожаробезопасность.

По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные и дуговые. Электрические лечи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия. Электрические печи прямого действия. В этих печах нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического : тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помечтают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.

Электрические печи сопротивления косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур 1000—1100°С. Схема такой печи показана на рис. 6. Футеровка печи 2 1:выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элементы 4, к которым подводится ток через электрошины 5, Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция 3 уменьшает потери тепла в окружающую среду.

Нагревательные элементы печей изготовляют из проволоки либо из ленты нихрома (сплав, содержащий 20% Сг, 30—80% Ni и 0,5—50% Fe) или хроможелезоалюминиевых сплавов. Диаметр проволоки обычно 3—7 мм; в применяемых лентах отношение толщины к ширине 0,05—0,2.

Рис. 6. Элекрическая печь сопротивления косвенного действия: 1 —обогреваемый аппарат; 2— футеровка печи- 3—-тепловая изоляция; 4— спиральные нагревательные элементы; 5— выводные электрошины.

Количество тепла, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяют из уравнениях теплового баланса:

где Q_э—количество тепла, выделяющегося в нагревательном электрическом устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч; G—-количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; с—теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг-°С); t_н и tк—соответственно-начальная и конечная температура перерабатываемого продукта, °С; Qп— потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

Отсюда

а мощность (в кВт) нагревательного электрического устройства

Электрические индукционные печи (рис. 7). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата. Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое осмическое сопротивление.

Диэлектрическое нагревание токами высокой частоты применяется при нагревании диэлектриков (пластмасс, резины, дерева и др.). Нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора. Под действием переменного электрического тока-молекулы диэлектрика колеблются со скоростью, соответствующей частоте электрического поля, при этом в результате внутреннего трения между молекулами выделяется тепло. Количество выделяющегося тепла пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Нагревание ведут обычно токами высокой частоты (0,510⁶—10010⁶ Гц) при напряженности электрического поля 1000- -2000 В/см. Для получения токов высокой частоты пользуются ламповыми генераторами. Диэлектрическое нагревание отличается большими преимуществами: непосредственное выделение тепла во всей толщине нагреваемого материала (обеспечивающее равномерный прогрев обрабатываемого материала), большая скорость нагревания, возможность нагревания только отдельных частей материала, легкость регулирования процесса нагревания и возможность полной автоматизации его.

Дуговые печи. В дуговых печах применяется нагревание электрической дугой до температур 1500—1300 °С. Электрическая дуга возникает в. газообразной среде. В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяют для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора.

Рис. 7. Принципиальная схема электрической индукционной печи: 1 -обогреваемый аппарат; 2—-соленоид