Охлаждение до низких температур

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (например, 0°С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость.

Количество льда G_л (кг), потребное для охлаждения, определяется из уравнения теплового баланса

откуда

(4.53)

где G — масса охлаждаемой жидкости, кг;

С_в — удельная теплоемкость воды;

с — удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кгК);

t_К, t_n — конечная и начальная температуры охлаждаемой жидкости, °С;

335,2 кДж/кг — теплота плавления льда.

Вода, образовавшаяся в результате плавления льда, принимает конеч­ную температуру охлаждаемой жидкости.

Для охлаждения до значительно более низких температур, чем 0 °С, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиака), сжиженные газы (СО₂, этан и др.) или холодильные рассолы. Эти агенты используют в специальных холодильных установках, где при их испарении тепло отнимается от

охлаждаемой среды, после чего пары сжижаются путем компрессии или абсорбируются и цикл замыкается.

Конденсация паров

Конденсация пара (газа) может быть осуществлена либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Далее рассмотрены только процессы конденсации, прово­димые путем охлаждения паров водой и холодным воздухом.

Конденсацию паров можно использовать в процессах очистки, а также для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводят из аппарата, где они образуются, в отдельный закрытый аппарат, служащий для конденсации паров — конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом.

Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. В результате в конденсаторе создается разреженное пространство, причем разрежение увеличивается с умень­шением температуры конденсации. Последняя, в свою очередь, тем ниже, чем больше (при прочих равных условиях) расход охлаждающего агента и ниже его конечная температура.

Одновременно с процессом конденсации в рабочем пространстве кон­денсатора происходит накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также проникают через не­плотности аппаратуры из окружающего воздуха. По мере накопления неконденсирующихся газов и возрастания их парциального давления' уменьшается разрежение в аппарате. Поэтому для поддержания вакуума на требуемом уровне необходимо непрерывно отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. Обычно эти газы откачивают с помощью вакуум-насоса. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания давления, обусловленные изменением температуры охлаждающего агента. По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней. Конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т. д.

В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирую­щихся газов конденсаторы смешения делятся на мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах вода, конденсат и газы откачиваются одним и тем же мокровоздушным вакуум-насосом. В сухих, или барометрических, конденсаторах вода и конденсат удаляются совместно самотеком, а газы откачиваются отдельно посредством сухого вакуум-насоса.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Так, поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда снижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов в принципе могут быть использованы теплообменники различных типов, но наиболее часто при­меняют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.