载热体

载热体是指在食品生产中经常遇到加热或冷却的情况,相应地就有热量的供给或释放,文种用于输送热量的介质称为载热体。起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介质),起冷却作用的载热体称为冷却剂(或冷却介质)。换热器:实现冷、热介质热量交换的设备称为换热器。食品生产中最常用的是间壁式换热器。

在生产过程中,经常不准许用烟道气或电流直接加热,可使用各种液体或气体作为中间介质,进行加热后再用这被加热后的热介质与其他物料进行热交换。这些中间介质称为载热介质或载热体。

物料在换热器中加热或冷却、冷凝时,一般要用一种流体输入热能或输出热能,这种流体统称为载热体。通常又称加热物料的载热体为加热剂,冷却或冷凝物料的载热体为冷却剂。工业生产中使用的载热体很多,载热体的性质和使用方法将直接影响换热器的传热效率。

选择载热体时首先要考虑是否能满足传热温度条件的要求;另外还应考虑温度调节是否方便;热稳定性及饱和蒸汽压如何;是否易燃、易爆、安全性如何;对物料、环境是否污染;是否来源充足、价格低廉等等。对具体的传热任务,上述种种因素须加以权衡。

常用的有水蒸气。此外,过热水,矿物油和一些有机载热体如萘、联苯、二苯醚及其低熔混合物等也是颇为常见的载热体。

在过程工业中,物料在换热器内被加热或冷却时,通常需要用另一种流体供给或取走热量,此种流体称为载热体,其中起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介质);起冷却(冷凝)作用的载热体称为冷却剂(或冷却介质)。

1.饱和水蒸汽 由于饱和水蒸汽冷凝放热时,冷凝潜热及对流传热系数都很大,且加热均匀、调节温度方便、清洁无毒、输送方便、价格低廉,所以它是工业生产中广为使用的一种加热剂。生产中使用的饱和水蒸汽来自工业锅炉,由于一般工业锅妒生产、提供的饱和水蒸汽压力有限,所以饱和水蒸汽不能用作高温加热剂,加热温度一般不超过180℃(压力1000 kN/m2)。

饱和水蒸汽用于间壁式换热器时,应从换热器上方接管通入,从下方接管连续排出冷凝水,不致使传热面被冷凝水淹没而降低传热系数。生产中都用排水阻汽阀(即疏水器)进行排水阻汽自动操作,它能保证连续排除冷凝水且阻止蒸汽排出。若能将排出的冷凝水的显热利用起来,则可进一步降低能耗、节约能源。另外,由于饱和水蒸汽中含有不凝气体,所以操作中要注意排除不凝气体(加热室上方装有排气阀),以免降低冷凝给热系数。

当物料允许水蒸汽直接加热时,可将饱和水蒸汽用管子直接通入物料中鼓泡加热。这样,热能可得到充分利用。

2.有机载热体 当物料加热温度要求达到180℃~300℃时,一般饱和水蒸汽无能为力,这时要使用高温载热体。先用电加热或燃料燃烧加热高温载热体,然后再通过自然对流或泵强制循环加热物料。传统的高温载热体是矿物油和道生油(联苯混合物)。因为矿物油粘度大、传热系数小、热稳定性差、易燃、调节温度滞后,而道生油虽然克服了矿物油的很多缺点,但它凝固点较高(12.3℃),250℃以上需带压操作(饱和蒸汽压稍高),而且高温下渗透性强,蒸汽易燃。针对以上问题,近年来我国研制开发出了一系列新型有机载热体。它们凝固点低,工作温度范围宽,有的可达-45℃~300℃;饱和蒸汽压低,350℃以下液相可常压操作,热稳定性好,使用寿命长;粘度低,导热系数及定压比热容较大,则输送阻力损失小,对流传热系数大,温度调节方便。另外,它们还具有腐蚀性小、毒性很低、使用安全的优点。医药工业中它即可用作加热剂又可用作冷却剂。这种新型载热体,国内产品主要有YD、JD、DR、L等系列及氢化三联苯等。

如果物料加热温度高于350‘C时,可根据具体条件,采取电加热(可达1000℃~3200℃)及烟道气加热(可达500℃~1000℃)。

1.水 它是生产中广泛使用的冷却剂,可一次性使用后排弃,也可通过循环水池降温后循环使用,视水源情况而定。用水作冷却剂,制定操作条件时应注意:冷、热流体传热平均温度差不宜小于10℃;水的出口温度不宜超过45℃,以免水中无机盐析出、结垢;水的流速不应低于0.5m/s,以免水中污垢沉淀。

2.冷冻盐水 它是一定浓度的NaCI或CaCl2水溶液,凝固温度可低达-55℃,随盐的浓度而定。冷冻盐水属低温冷却剂,使用后温度升高,用泵送回制冷车间被冷冻剂降

温后,又用泵送至生产车间使用,如此循环操作。

对于一定的传热过程,待加热或冷却物料的初始与终了温度常由工艺条件所决定,因此需要提供或取出的热量是一定的。热量的多少决定了传热过程的操作费用。但应指出,单位热量的价格因载热体而异。例如,当加热时,温度要求愈高,价格愈贵;当冷却时,温度要求愈低,价格愈贵。因此为了提高传热过程的经济效益,必须选择适当温位的载热体。

工业上常用的加热剂有热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气等。它们所适用的温度范围见下图《常见的载热体》所示。若所需的加热温度很高,则需采用电加热。

载热体及其最高温度的决定在于被处理固体物料的性质及其是否允许被污染等因素。

若被处理的固体物料不怕高温,且非最后产品,可以允许在处理过程中稍被污染,可采用烟道气作为载热体则能得到较高的体积蒸发率和热效率。例如,对于进口含水量较高的物料干燥,采用气体进口温度为300℃时,干燥器的体积蒸发率为土6吨水/m·h,热效率为30~60%;若气体进口温度为500℃,则体积蒸发率为35水/m·h,热效率为50~70%。所以对于处理矿石、砂砾,煤、过磷酸钙等物料的转筒干燥器都带有直接产生烟道气的燃烧炉,其燃料可以是煤、油或者天然气等。

若处理的物料不允许被污染,则用热空气做载热体。 热空气是经空气预热器加热的。加热介质可用蒸汽加热器、电加热器,或用烟道气经预热器加热热空气等方法。也可用其他工业废热气体来加热空气。也有用间接加热的方式,即热量由金属壁传给被干燥物料,如外加热式的回转圆筒干燥器。

若被干燥物料的产品不允许被污染,而且不允许被空气冲淡,则热量应通过转筒壁传入。此时,可以将转简装在砖室内,筒外通以烟道气;也可在筒内安装中心管或列管,套管等表面热交换器,利用金属壁传热。载热体可为烟道气、水蒸气或电加热。在被干燥物料中,则通以干净气体,将蒸发的水分移走。

利用载热体(如蒸汽、油等)作为加热介质的加热方法称为载热体加热。由于采用的载热体的不同,又可分为液体加热和蒸汽加热。液体加热所使用的加热介质,在低于200℃时用矿物油,高于200℃时,一般都采用有机溶剂或其混合物。蒸汽加热所使用的介质为蒸汽。

液体加热的优点是:加热温度较高,效率也高,加热均匀而且能够准确地控制温度。其缺点是:要求加热系统密封良好,以免因液体的渗漏而影响到制品的质量。同时还需要配备一套加热循环装置,这就提高了设备的成本;所用的载热体(如有机溶剂)因受热分解往往带有毒性和腐蚀性,另外装置的维修也不方便,故很少采用。

蒸汽加热因其压力很难维持一定值,且波动也较大,其温度亦难达到工艺要求,而且还需配备一套专门的蒸汽设备,这对于许多制品厂来说是很难做到的,因此也很少采用。

载热体加热系统根据不同的使用目的,有各种类型的设计。按载热体的使用状态,大致可分为液相循环系统和气相循环系统。

中小型的载热体加热炉以整装型为主流,根据使用目的,还有电热式、炉筒烟管型、立式圆筒型和箱型。

整装型载热体加热炉的使用范围较广,现在以1200万keal/h能量为标准设计,加热炉本体是由辐射部和对流部一体化构成的立式筒状。在工厂设计制造完成后,成品运往使用现场。因此现场的安装作业较简单,将此炉和立式圆筒型、箱型加热炉相比,设备费可大量压缩,而且几乎各种燃料都可使用。根据大气污染防止法对NOx的规定,锅炉内装配特制的低NOx燃烧器,可充分燃烧含氮成分高的重油,减少大气污染。从提高载热体性能和传热原理考虑,它比其他型加热炉具有火炉负荷大、热效率高、小型化、节省安装占地面积等特点。

电热式加热炉在10~3000kW的范围使用,它有操作控制方便、精度高、无污染等优点,但它耗电量大,运行费用高,在日本国内只有研究所中间试验装置及对温度控制有严格要求的领域,才使用此种小型加热炉。

立式圆筒型加热炉为500万kcal/h以上的大型炉,若用多种燃料混烧时,其燃烧器的类型和排列形式可自由设计,调节比TDR值也可设定得大些,而且排气中余热可循环用于燃烧空气的预热,热效率可达到90%。

箱型加热炉也是500万kcal/h以上的大型加热炉,它具有和立式圆筒型加热炉同样的特点,而且可适用沥青、废油等灰分较多的重质燃料。

现在,如对使用端没有特殊要求,一般采用液相循环系统。在此系统中载热体处于液态循环加热。加热炉有前面介绍的几种,整个系统由载热体加热炉、循环泵和膨胀槽等构成,设备费用便宜,安装和操作运行简便。以加热炉出口和入口保持25~35℃的温度差来控制系统的循环量,如果装配有分支回路系统,则不同温度的载热体可供应各自的使用端并且可和冷却系统组合运行。

气相循环系统就是载热体处于气态供热的系统,炉筒烟管型加热炉属此。由于利用蒸气的潜热加热,整个流程能以均一温度加热。与液相循环系统比较,设备费用较高,如整个系统设计有缺欠,易带来操作运行困难。最近,取代炉筒烟管型炉,出现了热效率高,载热体使用量少,由前述各种类型的加热炉和闪蒸罐组合使用的新式气相载热体循环系统。

作为液相循环系统的一种,还有熔盐循环系统,其特点是在一般载热体所难及的350~600℃的高温状态下使用,在制订循环加热系统规划时应予注意。

饱和蒸汽、水和空气是最常用的载热体。饱和蒸汽在冷凝时能够放出大量潜热,无毒,能准确调节加热温度而不易使被加热物料发生局部过热,是应用最广的加热剂;但加热温度不够高,通常不超过250℃,否则蒸气压过高。热水和热空气也是常用的载热体。常温下的水和空气,方便易得,是应用最广的冷却剂;但其冷却效果随季节而变。水作为冷却剂的使用温度,不能低于0℃。

工业上常用的高温载热体有:

(1)矿物油,如重油、汽缸油、润滑油等,最高使用温度在敞开系统约为250℃,在封闭系统约为320℃;

(2)过热水,最高使用温度可达水的临界温度374℃,但此时压力高达22.5MPa;

(3)有机载热体,常用的是26.5%联苯和73.5%二苯醚的混合物,最高使用温度可达380℃;

(4)熔盐混合物,常用的熔盐是亚硝酸盐和硝酸盐的混合物,使用温度可达540℃:

(5)液态金属,如汞、铅或钠钾合金等,主要用于核工业中。视使用场合的不同这些载热体,既可用于加热,也可用于冷却。

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