В современном мире теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической отраслях, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике. В криогенных системах и установках теплообменники занимают по праву особое место. Исходное сырье криогенных производств (воздух, природный газ, другие газовые смеси) перед разделением нужно очистить от вредных примесей и охладить в специальных рекуперативных теплообменниках. Криогенные продукты хранят и транспортируют в сжиженном охлажденном виде, а вот перед применением их часто нужно вновь газифицировать и нагреть в специальных теплообменных аппаратах. Типовые системы хранения и газификации криогенных жидкостей практически всегда включают такие стандартные компоненты, как атмосферные испарители и электрические испарители и нагреватели.

Электрические испарители и нагреватели занимают особое место среди всех видов теплообменных аппаратов. Электрический теплообменный аппарат – это автоматизированное электрическое устройство, служащее для нагрева рабочей среды от начальной температуры на входе до требуемой температуры на выходе, а при необходимости и для изменения агрегатного состояния рабочей среды (испарители).

Первые электрические теплообменные аппараты начали появляться в конце XIX века. Научной предпосылкой стали многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, которые позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии, и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы.

Впервые зависимость выделения теплоты от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, и чуть позже, в 1842 г., независимо от него, Эмилем Ленцем. В честь этих физиков и был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитывают мощность электронагревателей и потери на тепловыделение в линиях электропередач.

Джеймс Джоуль (24.12.1818 – 11.10.1889) — английский физик, внёсший значительный вклад в становление термодинамики и электротехники. Обосновал на опытах закон сохранения энергии.

Эмилий Ленц (12.02.1804 – 29.01.1865) — известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета.

Они пропускали элктрический ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t выделяется тепло Q: Q=I₂xRxt

Первый трубчатый нагревательный элемент был изобретен и запатентован 20 сентября 1859 года Джоржом Б. Симпсоном. Устройство предствавляло собой спираль, помещенную в трубку. Однако свое развитие изобретение получило лишь в ХХ веке, после изобретения сплава нихрома. Нихром — это сплав, состоящий из никеля и хрома в соотношении примерно 80% никеля и 20% хрома. Материал обладает стойкостью к коррозии и окислению при высоких темературах, имеет высокое удельное сопротивление.

У электрического нагревателя множество преимуществ перед обычным теплообменным аппаратом:

• 1. Компактность
• 2. Точное поддержание температуры рабочей среды на выходе. Иначе говоря, температура не зависит от изменения температуры теплоносителя, как в обычном теплообменном аппарате;
• 3. Возможность обеспечения высокой температуры на выходе. В теплообменных аппаратах температура ограничена температурой теплоносителя.




В компании «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F) производство электрических теплообменных аппаратов является одним из основных направлений деятельности, наряду с производством рекуперативных теплообменников и атмосферных теплообменных аппаратов (испарителей и охладителей).

Электрические теплообменники подразделяются по принципу действия. Электрический нагреватель служит для подогрева и поддержания необходимой температуры газа или жидкости на выходе. Электрический испаритель, в свою очередь, служит для газификации рабочей жидкости и также поддерживает постоянную температуру газа на выходе.

Конструктивно электрические нагреватели можно разделить на две основные группы: проточный нагреватель с прямым контактом рабочей среды и трубчатых нагревательных элементов (ТЭН) и нагреватель (испаритель) в котором передача тепла от ТЭН к рабочей среде осуществляется через промежуточный теплоноситель.

Конструктивно, проточный нагреватель – это сосуд, работающий под избыточным давлением. Внутри сосуда устанавливаются трубчатые нагревательные элементы. Достоинство такой конструкции в том, что она имеет относительно небольшую инерционность и низкое термическое сопротивление при передаче энергии от ТЭНов к рабочей среде.

Принцип действия электрического проточного нагревателя: рабочая среда, проходя в межтрубном пространстве, нагревается за счет конвективной и кондуктивной теплопередачи от ТЭН.







Для контроля и управления температурой нагреваемой среды на выходе из нагревателя находится датчик температуры. Для защиты нагревательных элементов от перегрева, в нагревателе установлен отдельный датчик температуры, расположенный на поверхности ТЭНа. Сигналы с датчиков температуры передаются на тиристорный шкаф управления, который предназначен для управления нагревателем, а также блокировки нагрева в аварийных ситуациях. Управление осуществляется в автоматическом режиме. На лицевой панели шкафа располагается встроенный ПИД-регулятор, с помощью которого оператор может выставить требуемую температуру газа на выходе. Проточные нагреватели имеют малую инерционность и позволяют точно поддерживать температуру газа на выходе на уровне ±1 °С.

В задачах, где необходимо обеспечивать высокую температуру нагрева (более 450 °С), компания MV&F изготавливает нагреватели из специальных жаропрочных высоколегированных нержавеющих сталей.

Жаропрочные материалы – это материалы, работающие при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния и обладающие достаточным сопротивлением к коррозии в газовых средах при повышенных температрах. Для производства жаропрочных сталей используются особые технологии с предварительной термической обработкой, легированием хромом и применением молибденовых, никелевых, титановых и других легирующих элементов. Хром отвечает за жаростойкость и сводит на нет коррозию, никель позволяет добиться хорошей свариваемости стали, молибден способствует высокой температуре рекристаллизации, а титан в небольшом количестве улучшает длительную прочность, а в большом соотношении - эластичность. Исходя из этого, можем обеспечить нагрев рабочей среды до 650 °С.

Модельный ряд электрических теплообменных аппаратов компании MV&F охватывает широкий диапазон от 0,1 кВт до 1 MВт. Также стоит отметить, что теплообменные аппараты производятся как в общепромышленном, так и во взрывозащищенном исполнении. В последнем случае взрыво - и пожаробезопасность обеспечиваются за счет использования взрывонепроницаемой оболочки типа «d», внутрь которой помещаются электронагревательные элементы, провода и клеммы. Эта оболочка, в которой заключенные в нее части способны воспламенять взрывоопасную газовую среду, и которая способна выдерживать давление внутреннего взрыва взрывоопасной смеси без передачи воспламенения во внешнюю взрывоопасную газовоздушную среду.

Одной из новинок компании является взрывозащищенный нагреватель с функцией регулирования давления. Нагреватель предназначен для подогрева сред, применяемых в различных технологических процессах. Его можно использовать для предварительного нагрева жидкостей, предотвращения конденсации газов и изменением сустава газовых смесей перед анализом. Модульная конструкция нагревателя с функцией регулирования давления состоит из теплообменника и регулятора давления. Секция теплообменника состоит из корпуса и нагревательного элемента. Нагреватель имеет автоматическую систему управления поддержания заданной температуры и может быть использован во взрывоопасных зонах.



Рис. 2. Нагреватель с функцией регулирования давления





Примеры нагревателей и испарителей с промежуточным теплоносителем.







Рис. 3 Компактный проточный нагреватель в общепромышленном исполнении. Нагреватель может быть изготовлен мощностью 600..1200 Вт с рабочим давлением до 16 бар








Рис. 4. Нагреватель 3 кВт в общепромышленном исполнении с температурой газа на выходе 350 °С








Рис. 5. Нагреватель азота 72 кВт во взрывозащищенном исполнении с взрывозащищенными шкафами управления на единой раме






В тех задачах, где давление рабочей среды высокое, нельзя допускать прямой контакт рабочей среды с ТЭН, имеет место неравномерная тепловая нагрузка или необходимо газифицировать рабочую среду, предпочтительно, использовать нагреватели с промежуточным теплоносителем. Рабочая среда протекает внутри змеевика, а промежуточный теплоноситель полностью заполняет пространство между змеевиком и ТЭНами.

В задачах с большим расходом рабочей среды применяется многозаходные змеевики. За счет этого увеличивается проходное сечение, и уменьшаются потери давления в нагревателе.

Исходя из поставленной задачи применяются следующие материалы для промежуточного теплоносителя:

• 1. Алюминий;
• 2. Водно-гликолевого раствор.





Рис.6. Нагреватель 120 кВт во взрывозащищенном исполнении на месте эксплуатации.








Рис.7. Нагреватель 200 кВт во взрывозащищенном исполнении состоит из двух отдельных секций, устанавливаемых друг на друга.








Рис.8. Схема конструкции нагревателя с промежуточным теплоносителем






Примеры нагревателей и испарителей с промежуточным теплоносителем








Рис.9. Компактный нагреватель мощностью 750 Вт







Рис.10. Электрический нагреватель азота высокого давления (250 бар) мощностью 21 кВт с промежуточным теплоносителем из алюминия в составе передвижной насосно-газификационной установки компании MV&F







Рис.11. Электрический испаритель углекислоты мощностью 31,5 кВт с алюминиевым промежуточным теплоносителем совместно с атмосферным испарителем компании MV&F.








Рис.13. Электрический испаритель азота высокого давления (400 бар) мощностью 720 кВт с водно-гликолевым промежуточным теплоносителем.












Электрические нагреватели и испарители изготавливаются в полном соответствии с действующими нормативами и имеют соответствующие сертификаты и декларации по ТР ТС 004, 010, 012, 020, 032.В промышленной теплотехнике есть множество интересных и сложных задач, поиском решений которых каждый день занимаются специалисты компании «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F). Если Вам требуется эффективное и технологичное решение Вашей задачи, если нужна техническая помощь, то наши специалисты всегда готовы ее оказать. Мы помогаем как конечным потребителям, так и проектным и монтажным организациям.





Автор статьи Вячеслав Иванов
Инженер-конструктор
ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг»