АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Нагревание водяным паром

Нагревание «острым» паром. Наиболее простым способом пере­дачи тепла является нагревание «остры м» паром, т. е. паром, который

Вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Этот пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а обра­зующийся конденсат смешивается с жид­костью.

Простейшее приспособление для на­гревания жидкости «острым» паром пред­ставляет собой трубу, опущенную открытым концом в резервуар с нагреваемой жидко­стью (рис. 219).

В тех случаях, когда одновременно с нагреванием жидкости необходимо и пере­мешивать ее, «острый» пар подводят через так называемые барботе Ры—трубы <? небольшими отверстиями, укладываемые на дно резервуара в виде спиралей, колец (рис. 220) или нескольких параллельных прямых труб,

В бесшумных < нагревателях (рис. 221) струя пара увлекает жидкость в боковые отверстия сопла нагревателя. Смешение пара с жидкостью происходит непосредственно в самом сопле, поэтому здесь нет шума, возникающего в обычных нагревателях барботажного типа.

На пароподводящей трубе устанавливают обратные клапаны (см. рис. 219), которые пропускают пар в аппарат, но задерживают жидкость,
поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавли­вают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат.

При нагревании «острым» паром в жидкость неизбежно вводится большое количество воды, получающейся при конденсации пара. Поэтому такой способ нагрева можно применять только в тех случаях, когда раз­бавление жидкости водой не имеет существенного значения и нагревае­мая жидкость не реагирует с водой. Обычно «острый» пар применяют только для нагревания воды и водных растворов.

Вследствие быстрой конденсации пара на выходе из трубы в ней мог бы возникнуть почти абсолютный вакуум, если бы пар не содержал некоторого количества воздуха. Так как пар содержит воздух, в трубе происходит только падение давления. Жидкость постепенно нагревается теплом, выделяющимся при конденсации пара, и достигает температуры насыщенного пара при давлении, равном давлению в аппарате. Если же аппарат работает при атмосферном давлении, то температура жидко­сти независимо от температуры пара не будет превышать температуры кипения.

При нагревании воды «острым» паром до температуры кипения пар конденсируется в воде и ее вес соответственно увеличивается. Если же вода кипит, то при отсутствии тепловых потерь из нее образуется столько же пара, сколько в нее подводится, и вес воды остается неиз­менным.

Расход «острого» пара определяют из уравнения теплового баланса.

Обозначим:

G2—количество нагреваемой жидкости в кгс\ с2—ее теплоемкость в ккал! кгс-°С', t2H—начальная температура жидкости в °С; /2К—конечная температура жидкости в °С; D—расход греющего пара в кгс\ 'нас.—теплосодержание греющего пара в ккал! кгс\ Qn—потери тепла аппаратом в окружающую среду в ккал! час\ т—продолжительность нагрева в час.

Тогда получим уравнениергеплового баланса

Нас. + G2C2^2H = Dt2K + G.2c2t2K]~h xQn p. <

Откуда расход пара

D_ G'ECa - Tw) 4- -Qn (2—100)

'■нас. 2 к

Нагревание «глухим» паром. Если свойства обогреваемого мате­риала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание «острым» паром, применяют устройства для нагрева через стенки, раз­деляющие пар и нагреваемую жидкость, т. е. ведут нагревание «глухим» паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змее­вики, трубчатые и спиральные теплообменники и др. Обычно поступаю­щий в теплообменник пар отдает всю скрытую теплоту парообразования стенкам аппарата и истекает в виде конденсата.

Для нагревания почти всегда используют насыщенный водяной пар с высоким коэффициентом теплоотдачи, имеющий большую скрытую теплоту конденсации. Применение перегретого пара нецелесообразно вследствие низкого коэффициента теплопередачи и небольшой величины теплоты перегрева.

При конденсации пара на стенках нагревательного устройства образуется непрерывно стекающая вниз водяная пленка. Температура одной стороны пленки равна температуре пара, а другой—температуре стенки. Со стороны пара температура стенки практически приближается к температуре пара. Поэтому температуру конденсата с достаточной точ­ностью можно принимать равной температуре пара.

При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей, и для теплообмена взаимное на­правление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в тепло - обменный аппарат пар обычно подводят сверху, для того чтобы конден­сат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата.

Расход «глухого» пара определяют из уравнения теплового баланса

£) __ ~~ IQll (° 101 )

^нас. — в

Где Qп—потеря тепла в окружающую среду в ккал/час;

Хна,.—теплосодержание пара в ккал/кгс, 6—температура конденсата в °С. Остальные обозначения в формуле (2—101) те же, что и в формуле (2—100).

Огвод конденсата и газов. Для нормального действия теплообмен - ных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить из них конденсат. При этом нельзя допускать потери нескон - денсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом.

Конденсат удаляется из теплообменного аппарата через специаль­ные устройства, называемые кондрнсатоотводчиками или водоотводчиками. Водоотводчики работают непрерывно или периодически. Из различных конструкций непрерывно действующих водоотводчиков рассмотрим конденсационный горшок с закрытым по­плавком и подпорную шайбу.

В конденсационном горшке с закрытым по­плавком (рис. 222) при поступлении конденсата в корпус 1 горшка поплавок 2 всплывает и после заполнения 2/3 объема горшка открывает клапан 3 для выпуска конденсата.

Рис. 223. Подпорная шайба". /—диск; 2—сменный ниппель; 3—добавочная шайба; ■г—дренажный патрубок; 5—патрубок для контроля за теплосодержанием конденсата.

Если теплообменник работает с постоянной нагрузкой, то поплавок находится в одном и том же положении и непрерывно выпускает конден­сат, не пропуская пара из горшка. Для устранения прикипання трущихся частей поплавок при помощи специального рычага 4 периодически под­нимают на высоту максимального открытия клапана. Горшки с за­крытым поплавком применяют при давлении пара выше 10 ата.

В теплообменниках, работающих при расходе пара, изменяющемся не более чем на 35—40%, и давлении пара до 7 ати, в качестве водо - отводчика используется подпорная шайба (рис. 223).

Шайба представляет собой приваренный к трубе диск 1 с отвер­стием или сменным ниппелем 2 (как показано на рисунке) с проходом диаметром до 5—6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу 3 с отверстием большего диаметра или сетку, для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т. п.

^Работа шайбы в качестве кон - денсатоотводчикіГоснована на том, что при небольших давлениях через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата.

Примером периодически действу­ющего водоотводчика может служить конденсационный горшок с открытым поплавком (рис.224). В корпусе 1 имеется попла­вок 2, представляющий собой открытый стакан, в донышке которого укреплен стержень с направляющими ребрами и клапаном 3 на верхнем конце; клапан притерт к седлу сменной шайбы 4.

В крышке горшка укреплена трубка 5, которая служит направляющей для стержня клапана и, будучи всегда погружена в конденсат, образует гидравлический затвор. В крышке горшка установлен обратный кла­пан 6, предотвращающий попадание конденсата в горшок из отводной конденсатной линии, к которой могут быть подключены и другие тепло- обменные аппараты. Вес поплавка можно регулировать при помощи

Сменного груза 8. Опорожнение горшка производят, открешая проб­ку 9.

При пуске и разогреве теплообменного аппарата, к которому при­соединен горшок, открывают продувочный вентиль 7 и быстро удаляют скопившийся конденсат; после разогрева аппарата вентиль 7 закрывают и горшок начинает работать.

Когда конденсат накапливается в корпусе горшка, поплавок всплы­вает и закрывает клапан 3. Конденсат заполняет горшок и постепенно переливается внутрь поплавка. Когда в поплавке наберется определен­ное количество конденсата, он опускается вниз, одновременно открывая клапан 3\ при этом вследствие разности давлений до и после горшка кон­денсат выдавливается из горшка в отводную линию. Так как конденсата убывает значительно больше, чем поступает, то поплавок снова под­нимается и закрывает клапан 3.

Во время подъема поплавка до момента закрытия клапана уровень конденсата в по­плавке выше нижнего конца трубки 5, поэтому пар не может выйти из горшка.

Хотя горшок с открытым поплавком ра­ботает периодически, он обладает некоторыми достоинствами по сравнению с горшком, снаб­женным закрытым поплавком,—по перио­дическим выбросам воды можно контролиро­вать работу горшка, трущиеся его части не прикипают к корпусу горшка и т. д.

Конденсационные горшки с открытым поплавком изготовляют также с двойным клапаном. В этих горшках в момент тиль; ^РУ^деДлятаохбора проб опускания поплавка открывается вначале

Меньший клапан, а затем второй—больший. При таком устройстве горшок чаще открывается и закрывается, и произ­водительность его выше, чем горшков с одинарным клапаном.

Обычно конденсационные горшки выбирают по каталогу, зная производительность и наибольший перепад давлений до и после горшка; при выборе горшка расчетную производительность (количество конден­сата, поступающего из теплообменника) принимают для надежности в четыре раза больше действительной.

В каталогах указываются только данные о максимальной произ­водительности горшка, соответствующей непрерывному истечению кон­денсата с температурой ниже 100°, и минимальной—при периодической работе горшка без переохлаждения конденсата.

Схема установки конденсационного горшка показана на рис. 225. Горшок устанавливают ниже места отвода конденсата из теплообмен­ника не менее чем на 0,5 м и снабжают обводной линией для того, чтобы теплообменник мог работать бесперебойно при ремонте (отключении) горшка. Контроль за работой горшка можно вести, измеряя температуру л конденсата на выходе из горшка: она не должна превосходить темпера­туру насыщения греющею пара в теплообменнике.

Рис. 225. Схема установки конденсационного горшка: —теплообменник; 2—конденсаци онный горшок; 3—обводной вен -

Помимо отвода конденсата, должен быть предусмотрен отвод газов из парового пространства теплообменника. Газы попадают в греющий пар главным образом из воды, питающей паровые котлы; присутствие газов значительно уменьшает коэффициент теплопередачи и снижает производительность теплообменника. Поэтому газы отводят из верхних зон парового пространства теплообменника периодически (при помощи продувочных краников) или непрерывно.