Теплоносители в процессах нагревания. Сравнительная характеристика теплоносителей

Рабочие среды, которые нагреваются или охлаждаются в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Интенсивность передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, устойчивость процесса нагревания, кипения или охлаждения и конденсации, а также надежность работы теплообменника зависят как от конструктивных особенностей аппарата, так и от параметров, физических и химических свойств теплоносителей. Физические и химические свойства теплоносителей часто предопределяют выбор типа и конструкцию теплообменника.

Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются:

• допускаемая температура нагревания или охлаждения теплоносителя и возможность ее регулирования;
• упругость пара при принятой температуре и термическая устойчивость;
• физические свойства, влияющие на теплообмен;
• токсичность и химическая активность;
• доступность и стоимость;
• безопасность при нагревании.

В каждом конкретном случае исходя из условий процесса нагревания или охлаждения среды и конструктивных особенностей аппарата необходимо обосновать выбор теплоносителя, максимально удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям.

К наиболее распространенным теплоносителям относятся водяной насыщенный пар, вода, продукты сгорания топлива, воздух, дисперсные среды, высокотемпературные жидкости и их пары, жидкие металлы.

Насыщенный водяной пар часто применяется как греющая среда в стационарно установленных аппаратах различного назначения. Его можно транспортировать по трубопроводам на расстояние до нескольких сот метров. При нагревании паром в широких пределах и с достаточной степенью точности можно регулировать температурный режим путем изменения давления пара методом дросселирования без увлажнения или с увлажнением. Пар доступен, нетоксичен, относительно дешев, особенно если в теплообменных аппаратах используется пар, уже частично отработавший в каких-либо энергетических установках (в паровых турбинах, молотах, прессах, поршневых двигателях).

В большинстве случаев конденсация пара в теплообменнике происходит при постоянном давлении, постоянной температуре и высоком коэффициенте теплообмена, что часто является решающим фактором при выборе теплоносителя. В то же время с увеличением температуры нагрева необходимо повышать давление пара как греющей среды. Так, например, при температуре пара 300°С давление должно быть 90·10⁵ Па. С увеличением давления возрастает металлоемкость и стоимость теплообменника, поэтому в промышленности и на предприятиях железнодорожного транспорта пар как теплоноситель применяется для нагревания других сред до умеренных температур 60–150 °С и сравнительно редко до 200 °С.

Горячая вода как греющий теплоноситель получила большое распространение в системах теплоснабжения, а также для технологических потребителей предприятий железнодорожного транспорта и промышленности. Предварительно вода нагревается в водогрейных котлах, в теплофикационных установках ТЭЦ, в паровых котельных, на центральных тепловых пунктах или в теплообменных аппаратах непосредственно у потребителя. В первом случае для подогрева воды используется натуральное топливо, во втором – пар из отборов паровых турбин и непосредственно от парогенераторов. В последнее время широко внедряются методы подогрева воды при прямом или косвенном использовании вторичных энергетических ресурсов, например отходящих газов промышленных печей, парогенераторов, отработавшего пара молотов, прессов, воды из системы охлаждения металлических конструкций печей, двигателей, компрессоров.

Вода доступна, дешева, не токсична, может транспортироваться на далекие расстояния. В хорошо изолированных и соответствующим образом проложенных трубопроводах температура воды будет понижаться приблизительно на 1 °С при протяженности сети в 1 км. К достоинствам воды можно отнести и сравнительно высокий коэффициент теплообмена. К недостаткам воды, по сравнению с паром, можно отнести более сложную схему приготовления ее как теплоносителя и наличие целого ряда перекачивающих устройств (насосов); усложняется способ регулирования температурного режима теплообменного аппарата и выбор схемы движения теплоносителей, устанавливаются более жесткие ограничения по начальной и конечной ее температуре.

Для надежной работы теплообменного аппарата и всего контура, в который он включен, необходимо, чтобы в любой точке системы трубопроводов и теплообменника температура воды была ниже температуры ее кипения при давлении, поддерживаемом в этом сечении. Это условие в настоящее время ограничивает возможность применения воды как теплоносителя только до температуры 150 °С с увеличением верхнего предела в будущем до 200 °С.

Вода как жидкая среда часто используется для охлаждения и конденсации других теплоносителей, осушки, увлажнения и очистки газа и воздуха, охлаждения технологических продуктов, машин, двигателей и других устройств. Особые теплофизические свойства воды и в этих случаях используются достаточно эффективно. Процессы охлаждения обычно происходят при умеренной температуре воды, близкой к температуре окружающей среды. Следовательно, ограничения на температурный режим в этих случаях исключаются. Избыточное давление в системе должно выбираться из условий преодоления сопротивления контура, по которому перекачивается вода.

Продукты сгорания топлива используются как первичный теплоноситель в парогенераторах, водогрейных котлах, теплогенераторах для нагревания высокотемпературных теплоносителей, в сушильных установках, промышленных печах разного назначения и других теплообменных устройствах. Во многих отраслях промышленности и стационарной транспортной энергетике в качестве теплоносителя могут служить уходящие газы высокотемпературных технологических процессов, например промышленных печей, газотурбинных и поршневых двигателей.

Использование продуктов сгорания в качестве греющей среды дает возможность нагреть другой теплоноситель до высокой температуры или создать большой температурный напор между греющей и нагреваемой средами. В то же время следует иметь в виду, что верхний температурный предел теплоносителей и температурный напор ограничиваются допускаемыми температурами поверхности теплообмена. Регулирование температурного уровня продуктов сгорания топлива осуществляется методом рециркуляции (возврата) отработавших газов или разбавлением атмосферным воздухом. Последний способ снижения температуры газа экономически невыгоден.

Продукты сгорания топлива имеют существенные недостатки. В процессе нагрева другого теплоносителя участвуют большие объемы газов, транспортирование которых даже на расстояние нескольких десятков метров связано с большими затратами энергии, поэтому, как правило, теплообменники устанавливают вблизи источника получения продуктов сгорания (топки, высокотемпературного технологического агрегата). Общий коэффициент теплоотдачи (конвекцией и излучением) от газов к поверхности теплообмена значительно меньше, чем для других теплоносителей, особенно при t_г<500°С. Теплообменники получаются громоздкими. Если в газах содержится пыль (зола), то возможны интенсивный износ и засорение поверхности теплообмена. При некоторых соотношениях температур теплоносителей и концентрации SO₂ в газах наблюдается коррозия трубопроводов. Возможен локальный перегрев поверхности теплообмена и теплоносителя.

Воздух как теплоноситель обладает большинством недостатков, свойственных продуктам сгорания топлива. При высоких температурах и одинаковых условиях движения у воздуха меньше коэффициент теплообмена с поверхностью, чем у газовой излучающе-поглощающей среды. В то же время воздух доступен, не токсичен, не взрывоопасен, не горит, но кислород воздуха является компонентом горения в топках парогенераторов, газотурбинных установок, в поршневых двигателях, промышленных печах. Воздух используется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, в рефрижераторных и стационарных холодильных установках.

Дисперсные теплоносители – это проточные запыленные газовые теплоносители, которые способствуют интенсификации тепло- и массообменных процессов. Запыление газового потока позволяет лучепрозрачные теплоносители превратить в теплопоглощающие и излучающие среды. Дисперсные потоки обычно классифицируются по объемной концентрации в них зернистого вещества. Количественной объемной концентрацией принято считать отношение объема твердых частиц к общему объему всей системы. Для теплообменных устройств наибольший интерес представляют дисперсные потоки с концентрацией твердого вещества от 0,004 до 0,03 м³/м³ газа (система «Газовзвесь») и промежуточная система с концентрацией от 0,03 до 0,35 м³/м³ газа (псевдоожиженный слой). В условиях эксплуатации можно регулировать теплофизические свойства и интенсивность теплообмена дисперсных теплоносителей с поверхностью путем изменения концентрации твердого зернистого вещества в потоке от нуля до предельной величины. С применением дисперсных теплоносителей могут быть созданы более компактные теплообменные аппараты по сравнению с аппаратами, работающими на обычных газовых теплоносителях.

Высокотемпературные теплоносители могут применяться в жидком и парообразном состоянии при температуре от 200 до 500°С и выше и умеренном давлении (1÷6) 10⁵ Па, то есть при значениях термодинамических параметров состояния, далеких от их критических значений. Высокотемпературные теплоносители делятся на три основные группы:

• теплоносители с металлической связью, или жидкометаллические;
• теплоносители с ионной связью, или ионные;
• теплоносители с остаточной связью, или органические.

Наибольшее распространение получили металлические теплоносители в жидком и парообразном состоянии: литий, калий и другие, а также большая группа кремнийорганических теплоносителей; органические теплоносители (ВОТ) – в жидком и парообразном состоянии: глицерин, этиленгликоль, нафталин, дифинил, дифинилбензол, дифиниловый эфир, эвтектические смеси дифинила, минеральные масла.

Электроэнергия как теплоноситель используется в электронагревательных установках. Этот способ нагрева отличается от других способов целым рядом преимуществ: быстротой включения в работу и доведения режима нагрева до необходимого уровня температур, простотой регулирования температурного режима и равномерностью нагрева, возможностью герметизации рабочей зоны, лучшими условиями труда, компактностью электрических нагревателей. При разных способах электрического нагрева в рабочем пространстве аппарата можно создать и поддерживать как низкий (50–100°С), так и высокий (3000 °С) уровень температур. По технико-экономическим показателям аппараты с электрическим обогревом пока уступают теплообменникам, работающим на обычных теплоносителях. Однако в перспективе, по-видимому, электрообогрев найдет более широкое применение в стационарных условиях и на транспорте.

Поиск по сайту: