АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Нагревание электрическим током

Методы нагревания и типы нагревательных устройств. Нагревание электрическим током производят в электрических печах. В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, дуговые и индукци­онные.

В дуговых печах электрическая энергия превращается в тепло дуги, горящей в газообразной среде. Электрическая дуга дает возмож­ность сосредоточить большую мощность в небольшом объеме и, следова­тельно, получить весьма высокую температуру.

В дуговой печи возникают большие перепады температур, поэтому равномерный обогрев и точное регулирование температур здесь невоз­
можны; дуговые печи применяют главным образом для плавки ме­таллов.

Электрические печи сопротивления делятся на:

1) печи прямого действия, в которых нагреваемое тело не­посредственно или через трансформатор включается в электрическую цепь и нагревается электрическим током (стекловаренные, карборундо­вые печи и др.);

2) печи косвенного действия, в которых тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передается нагреваемому телу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией.

В электрических индукционных печах нагреваемое тело поме­щается в переменное магнитное или электрическое поле и нагревается возникающими вихревыми токами.

В химической промышленности наи­более распространено нагревание в элек­трических печах сопротивления косвенного действия, а также индукционное нагревание, в частности нагревание диэлектриков токами высокой частоты.

В некоторых производствах химиче­ской промышленности (получение карбида кальция, фосфора) применяют дуговые печи, в которых дуга горит в шихте, об­ладающей высоким удельным сопротивле­нием; благодаря этому в шихте выделяется значительное количество тепла (такие элек­трические печи большой мощности описаны в курсах специальной химической техно­логии).

Электрические печи сопротивления.

В печах сопротивления достигается высокая равномерность нагрева при точном регулировании температуры (может достигать 1000—1100°). Эти печи компактны и удобны в эксплуатации. Основными частями печи сопротивления являются:

1) каркас;

2) огнеупорная и теплоизоляционная футеровка;

3) нагревательные элементы и

4) аппарат с нагреваемым материалом (котел, трубчатка и т. п.).

На рис. 266 схематически показана электрическая печь сопротивле­ния со спиральными проводниками, уложенными в каналы стенок печной камеры.

Футеровка печей для рабочих температур 400—1000° состоит из огнеупорного слоя толщиной 60—120 мм и теплоизоляционного слоя. Печи для рабочих температур до 400° изготовляют без огнеупорного слоя.

Нагревательные элементы печей выполняют главным образом из проволоки или ленты нихрома—сплава никеля, хрома и железа (20% Сг, 30—80% Ni и 0,5—50% Fe) и хромо-железо-алюминиевых сплавов. Раз­меры спиралей выбирают с учетом устранения взаимного лучепогло - щения (взаимоэкранирования) витков (что может ухудшить теплопере­дачу) и обеспечения механической прочности проводников. Принимают следующие соотношения между диаметром проволоки и диаметром и шагом витков спирали: для нихромовой проволоки диаметром d=3—7 мм (рис. 267) шаг h=2d и диаметр спирали £>=(6-s-8) d\ для проволоки таких же размеров, изготовленной из хромо-железо-алюминиевых сплавов.

D=(4-M3) d. Как показано на рис. 268, /, проволочные спирали укла­дывают в пазы, образованные фасонным огнеупорным кирпичом.

Ленточные нагреватели (рис. 268, II) выполняют в виде петель, которые укрепляются на стенках печи при помощи крючков из нихрома или керамики. Размеры ленточных нагревателей в большинстве случаев

Принимают следующие: — =0,05—0,2;

В—200—400 мм (крепление на боковых стен­ках).

В химической промышленности применяют также электронагрев до температуры не выше 500° при помощи пластинчатых стер­жневых и трубчатых нагревателей не­большой мощности.

Пластинчатые нагреватели представляют со­бой рамки с фарфоровыми изоляторами, на кото­рые намотаны проводники, а стержневые—

Стальные стержни с нанизанными на них фарфоровыми изоляторами, поверх которых размещены спиральные проводники. Каждый нагреватель помещают в чехол из стальной трубки, а пространство между чехлом и нагревателем заполняют кварцевым песком. Трубчатый нагреватель (рис. 269) представляет собой стальную трубку /, в которой располо­жена спираль 2 проводника; пространство между стенкой и спиралью за­полнено кристаллической окисью магния, обладающей хорошей тепло­проводностью и электроизоляционными свойствами.

Небольших трубчатые

(муфельные) печи, в которых ^проволоку или ленту нагревателя закладывают в пазы керамического муфеля или же наматывают на муфель (трубу) и закрепляют обмазкой из огнеупорной глины и шамота.

Расчет электрических печей сопротивления. В электрической печи сопротивления при пропускании электрического тока через омическое сопротивление—металлическую проволоку или ленту—электрическая энергия трансформируется в тепловую. При этом выделяется тепло

Q = 8601FT ккал

Где 860—количество тепла в ккал, эквивалентное электрической мощности 1 квт-я\

W—мощность нагревателя в квт, равная произведению силы тока / в а на напря­жение V в в\ Г—время в часах.

При расчете электронагревательного устройства по заданному часовому расходу тепла находят потребную мощность по формуле

(2—271)

Где т]—электрический к. п. д. нагревателя, который может быть принят равным —0,95.

Проводники нагревателя делят обычно на несколько секций, переключение кото­рых позволяет менять мощность печи. При трехфазном токе проводники нагревателя мо­гут быть соединены в звезду (рис. 270, /) или треугольник (рис. 270, //), причем может

/—соединение в звеаду; II—соединение в тре­угольник.

Быть применена схема, позволяющая переключать сопротивление с треугольника на звезду и обратно (рис. 271). Включение переключателя на контакты 1, 2, 3 дает соединение в треугольник, а на контакты Г, 2' и 3'—в звезду. Обозначим:

1ф и Уф—фазовая сила тока и фазовое напряжение; Vn—линейное напряжение. При соединении в треугольник

Vl

Уф = Ул и WT = 3/ф1/ф = 3 = 3

При соединении в звезду

Ул

УТ

VL

W3 = 3/фІ/ф = 3 - f - =

1

Следовательно, мощность нагревателя при соединении в звезду равна - д его мощ­ности при соединении в треугольник, что позволяет переключением сопротивлений ре­гулировать температуру нагрева.

Проводники изготовляют из материала, максимально допустимая температура которого превышает его рабочую температуру в заданных условиях.

Температура нагревателей должна быть выше температуры нагреваемого тела, причем разность температур между ними определяется по известным уравнениям тепло­отдачи конвекцией и излучением (см. главу VI).

В печах с температурой выше 600° теплоотдача конвекцией не играет существенной

Роли.

Расчет электронагревателя можно вести, задавшись предельной температурой нагревателя и определяя его геометрические размеры, или по принятым размерам можно проверить, не будет ли фактическая температура нагревателя выше предельно допускае­мой.

Для проволочных и ленточных нагревателей может быть установлена Удел ь - ная поверхностная мощность, т. е. мощность, отнесенная к 1 см2 поверх­ности нагревателя.

Используя уравнения теплопередачи, можно найти зависимость удельной поверх­ностной мощности от температуры нагреваемого тела; такие зависимости обычно при­водятся в виде таблиц и графиков (рис. 272).

Удельную поверхностную мощность можно рассчитать, исходя из идеальных условий, т. е. принимая, что поверхности нагревателя и нагреваемого тела равны и па­раллельны, а экранирование и тепловые потери отсутствуют. В этом случае при высо­ких температурах удельная поверхностная мощность равна

Ьнагр.

Где Єнагр. И е2— степень черноты нагревателя и нагреваемого тела.

Следует, однако, учесть, что нагревательные элементы расположены в кладке печи, и поэтому к нагреваемому телу будет направлено только около половины мощ - уд ности излучения нагревателя; кроме того, часть лучей будет взаимно поглощаться на - Gjj Гревательными элементами. Поэтому дей­ствительная удельная поверхностная мощ - „„ ность значительно меньше рассчитанной по уравнению (2—172) и может быть принята для проволочных спиральных и ленточных ^ 6.0 Нагревателей: ^

Гуд. « 0.451Г (2-173) § 5.0

УД-

Если расчеты проведены, исходя из 4Q максимально допустимой температуры мате­риала нагревателя, то рекомендуется по - пп лученные значения удельной поверхност - ной мощности уменьшить на 25%. В част - ности, такой запас следует принимать при &Р пользовании кривыми удельной поверхно­стной мощности, приведенными на рис. 272. 1.0

Зная величину удельной поверхност­ной мощности нагревателя, определяют его сечение и длину. О

Обозначим:

N—мощность печи в квт,'Рав­ная мощности одной фазы, если печь трехфазная, или мощности одной ветви, если в печи несколько парал­лельных ветвей;'^

V—напряжение ^сети в в, равное линейному напряжению при соединении нагревателей в треугольник или фазовому при соединении звездой; R—сопротивление одной фазы или одной параллельной ветви нагрева­теля в ом;

Р= РоО 4- а0—удельное сопротивление материала нагревателя при его рабочей тем­пературе в ом-мм2/м (а—температурный коэффициент, равный для нихрома —1-10"4);- I—длина нагревателя в м (одной фазы или параллельной ветви); Q—сечение нагревателя в мм2; D—диаметр проволоки нагревателя в мм; F—полная поверхность нагревателя в см2;

Уд.— действительная удельная поверхностная мощность нагревателя в Вт/см2.

В принятых единицах измерения мощность печи:

~То»# квт

Но R—p~r И, следовательно

V2q

І оу

Мощность печи может быть выражена также через удельную поверхностную мощ­ность нагревателя (принимаем круглое сечение подогревателя)

W HWyz. F - КГ» - ГУД..10ттгіМ(Г* = Гуд. ти*М0-2

ЛМ0а1 WyRM

Подставив значение / в выражение (А), получим

V2qWyand 103рА/102

Заменив в полученном уравнении площадь сечения нагревателя его значением

Kd*

<7= -^р, получим

V27ZdWyR.7Zd

N~ 4.10sp/V102 Квт

Откуда

(2—174)

Для ленточного проводника (рис. 268, Л), принимая отношение аналогич­

Но получим

A-F.

2т (т Ц - 1)У21УуД,

Длина проводника любого сечения

I = — м

Р

После определения размеров нагревателя его размещают в камере печи; спираль­ные проволочные нагреватели размещаются легче, чем ленточные, но последние более экономичны по расходу материала. Если нагреватель полученных размеров не удается разместить в печи, следует применить материал более жаростойкий, с большей удельной поверхностной мощностью, или снизить напряжение сети.

Температуру нагревателя проверяют по обычным формулам теплопередачи; при этом потери тепла вследствие лучепоглощения футеровкой и взаимоэкранирования на­гревательных элементов учитывают, введя в расчет не полную поверхность нагревателя, а лишь некоторую «активную» его часть:

^aKT.=F<* (2—176)

Коэффициент а определяют по уравнению

А = 0,5р + 0,5рВ — y&P (2—177)

Где р—коэффициент взаимного лучепоглощения (взаимо­экранирования) нагревателей, который может быть принят "0,53—0,7 для проволочных спиралей; В—коэффициент, учитывающий отражение лучей фу­теровкой печи, который может быть принят

(см - Рис - 267)'»

Y—доля тепловых потерь кладки печи по отношению к ее мощности, равная обычно 0,15—0,3.

Нагревание индукционными токами. Принцип нагревания индукционными токами заключается в следующем. Через соленоид, внутри которого помещен нагреваемый материал (проводник первого рода), пропускается переменный ток. При этом вокруг соленоида образуется переменное магнитное поле, которое индуцирует в нагреваемом теле электродвижущую силу индукции или вторичный ток, выделяющие тепло.

Простейшая схема индукционного нагрева показана на рис. 273. Подлежащий нагреву аппарат 1 является сердечником соленоида 2, по которому пропускается переменный ток. Обмотка выполняется из прово­локи с малым омическим сопротивлением (медь, алюминий) и изолируется
асбестом. Вторичный греющий ток возникает непосредственно в стенках аппарата и прогревает их на всю толщину.

Нагревание диэлектриков. Диэлектрики можно нагревать токами высокой частоты (0,5—100 мггц).

Такое нагревание отличается: 1) возможностью достижения высокой температу­ры нагрева, 2) большой скоростью нагревания, 3) отсутствием местных перегревов, так как материал одновременно нагревается по всей толщине, 4) отсутствием инерционного периода и 5) возможностью избирательного нагревания отдельных частей материала.

При нагревании диэлектриков тепло выделяется не магнитной, а электрической составляющей электромагнитного поля. Так как нагреваемое тело помещают между об­кладками конденсатора, те этот способ нагревания часто называется Конденсатор - Н ы м.

Принцип такого нагрева заключается в свойстве молекул нагреваемого диэлек­трика поляризоваться под действием электрического поля.

Если диэлектрик поместить в поле высокой частоты, то ориентация его молекул должна изменяться с такой же частотой, как и направление электрического поля, из­меняющегося на прямо противоположное один раз за время каждого периода.

Быстрое вращение молекул, сопровождаемое внутренним трением между ними, не может происходить без соответствующей затраты энергии электрического поля. Вслед­ствие трения между молекулами часть электрической энергии поля, иду­щая на преодоление этого трения, превращается в тепло. При неболь­шой частоте число поворотов молекул в единицу времени незначительно и соответственно незначительно и вы­деление тепла. Поэтому с увеличе­нием частоты будет выделяться боль­ше тепла.

При высокочастотном нагрева­нии диэлектриков ток высокой ча­стоты можно генерировать при по­мощи лампового генератора, кото­рый превращает подведенный к нему электрический ток в ток с колеба­ниями любой частоты. Колебания возникают в контуре, состоящем из самоиндукции, емкости и омического сопротивления; электронная лампа в нужный момент выполняет функции регулятора подачи электрической энергии, предотвращая затухание ко­лебаний.

На схеме (рис. 274) показана трехэлектродная лампа; в стеклянный баллон 1 лампы (из которого тщательно выкачан воздух) впаяны анод 2, катод 3 и сетка 4.

При протекании переменного тока через нить катода 3, она, раскалившись, излу­чает электроны, которые перемещаются к аноду и создают анодный ток в цепи 2—5—6—9— —10—3. Анодный ток заряжает конденсатор 6, и он сразу же начинает разряжаться через катушку 7, имеющую омическое сопротивление.

Проходя в катушке 7, ток создает магнитное поле, наводит в катушке 8 электро­движущую силу индукции, и на сетке лампы появляется отрицательное напряжение, вследствие чего приостанавливается прохождение электронов от катода к аноду и пре­кращается анодный ток. После того как конденсатор 6 разрядится и магнитное поле во­круг катушки 7 достигнет максимального значения, оно начнет убывать; при этом маг­нитное поле наводит в катушке электродвижущую силу самоиндукции определенного направления, которая поддерживает протекание тока в контуре и заряжает конденсатор зарядами обратного знака.

В катушке 8 наводится электродвижущая сила противоположного направления и на сетке лампы появится положительное напряжение. Это снова вызовет притяжение сеткой электронов, которые по инерции переместятся к аноду и вновь вызовут появле­ние анодного тока. Последний несколько усилит заряд конденсатора и тем самым ском­пенсирует потери, происшедшие за время одного колебания в контуре; затем процесс будет повторяться, и в контуре будут происходить незатухающие колебания. Получен­ный таким образом ток высокой частоты можно отбирать при помощи катушки И, индук­тивно связанной с катушкой 7.

От катушки И ток высокой частоты подводится к пластинам конденсатора 12, В поле которого и проводится нагревание диэлектрика, заключенного между пластинами.

25 а. г. Касаткин.

Мощность, затрачиваемая на нагревание диэлектрика, может быть подсчитана по формуле

0,00\29FfVzDri

W= --------- Їдїо/-------- квт (2—178)

Где F—площадь плоских пластин конденсатора в м2\ F—частота тока в гц; V—подведенное напряжение в в;

D—диэлектрическая постоянная нагреваемого материала (для большинства ма­териалов D=2—6);

Т]—коэффициент потерь, выражающий отношение полезной энергии поля, израс­ходованной на нагрев материала, ко всей затраченной энергии (обычно ^—0,02—0,6, для слюды •*]—0,00015, для асбеста yj=0, 15); /—расстояние между пластинами в м. Если известен часовой расход тепла Q, то потребная мощность может быть опреде лена по уравнению

W=-mrKem

Совместное решение последних двух уравнений позволяет рассчитать необходи­мые размеры диэлектрического нагревателя.

Токами высокой частоты можно избирательно нагревать определенный компо­нент, входящий в неоднородный материал; это достигается подбором частоты тока. Так, например, удается испарить какой-либо растворитель, не повышая заметно общей тем­пературы материала. Это ценное свойство токов высокой частоты в настоящее время ши­роко используется для сушки различных диэлектриков (пластических масс, смол, древе­сины и т. п.), при этом влага испаряется при сравнительно низкой температуре материала.

Б. Охлаждение и конденсация

В химических процессах часто приходится охлаждать жидкости, газы и пары. Охлаждение сжатых газов и насыщенных паров обычно сопровождается процессом конденсации, т. е. переходом сжатого газа или пара в жидкое состояние.

Рассмотрим следующие процессы:

1) охлаждение до обыкновенных температур;

2) конденсация паров.