1. Роль тепломассобменных аппаратов в низкотемпературной технике.

Тепло- и массообмен играет исключительно важную роль в орга­низации большого многообразия современных технологических процес­сов. Энергетика, промышленная теплотехника, техника низких и сверх­низких температур, радиоэлектроника, вычислительная техника, авиа­ция и космонавтика — вот неполный перечень областей применения теплообменных и тепломаюсообмвйных аппаратов, в которых на прак­тике реализуется перенос теплоты и массы и от эффективности работы которых нередко в определяющей степени зависит работа крупных установок и систем.

В настоящее время в технике используются различные по конструк­тивному оформлению тепло- и массообменные аппараты, выполняю­щие функции нагревателей и охладителей, испарителей и конденсато­ров, а также обеспечивающие осуществление более сложных физико-химических процессов, таких, например, как осушка и увлажнение, ректификация, сублимация и т. д.

По принципу действия тепло- и массообменные аппараты могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и смеси­тельные(или контактные) аппараты. К первой группе в свою оче­редь относятся рекуперативные и регенеративные аппараты.

В рекуперативных аппаратах теплопередача между греющей и нагреваемо-й средами осуществляется через разделяющую стенку. На­ правление теплового потока в рекуператорах, как правило, не меняется во времени, а процесс теплообмена при этом может протекать как без изменения агрегатного состояния потоков, так и с изменением (кипе­нием, конденсацией, сублимацией) обеих или одной из рабочих сред, В зависимости от вида фазового перехода рекуперативные аппараты носят название испарителей, кол-девиаторов, испарителей-конденсаторов, сублиматоров и т. д.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность нагрева по­переменно омывается теплым и холодным потоками газов, аккумули­руя теплоту пр-и контакте с более нагретой средой в первом периоде и отдавая ее затем холодной среде во втором периоде. Естественно, что направление теплового потока при этом периодически меняется. Пере­дача теплоты в регенераторах установок криогенной техники обычно протекает совместно с процессом массообмена, связанным с очисткой газа от водяных паров и двуокиси углерода путем их вымораживания при контакте с холодной насадкой.

К группе смесительных теплообменных аппаратов относятся уст­ройства, в которых перенос теплоты и массы от одного теплоносителя к другому осуществляется при их непосредственном контакте. Примером названных аппаратов являются скрубберы, в которых происходит взаимодействие поднимающегося потока газа с поверхностью капель или струй жидкости. Скрубберы газоразделителшых установок пред­назначаются, в частности, для очистки газовых смесей от СО₂ путем контактирования их со стекающим по насадке раствором щелочи.

Самостоятельным классом аппаратов являются ректификационные колонны, в которых реализуется процесс разделения смесей на состав­ляющие их компоненты.

Тепло- и массообменные аппараты перечисленных типов широко ис­пользуются в холодильной и криогенной технике. Они являются основ­ными элементами установок получения и использования криогенных жидкостей, установок разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, различных низкотемпературных систем авиационной, ра­кетной и ядерной техники.

В зависимости от температурного уровня, назначения и принципа действия той или иной низкотемпературной установки используемые в ее схеме количество и типы тепло- и массообменных аппаратов могут быть различными.

Говоря об уровне температур, условно различают: область умеренно низких температур (от 300 до 120 К); область глубокого холода (от 120 до 0,3 К); область сверхнизких температур (ниже 0,3 К).

Первая область температур реализуется в широком классе установок, применямых в системах кондиционирования воздуха, медици­не, пищевой промышленности, для охлаждения реакторов химического производства и т. д.

Установки глубокого холода, называемые криогенными, по своему назначению подразделяются на ожижительные, газоразделительные и рефрижераторные. Они используются для получения ожиженных газов, разделения газовых смесей, охлаждения и криостатирования сверхпро­водящих магнитных систем и электротехнических устройств, электрон­ных приборов, биологических объектов и т. д.

Сверхнизкие, температуры находят применение в различных физиче­ских исследованиях.

Низкотемпературные установки подразделяются также по принципу действия, (в зависимости от используемых методов получения низких температур). Среди этих методов различают дросселирование, расши­рение газа с отдачей работы, охлаждение вспомогательными хлада­гентами, абсорбционное охлаждение. Понижение температуры может быть достигнуто также путем вакуумирования ожиженного газа, ади­абатного размагничивания, использования эффекта Пельтье.

Наиболее широкое применение в практике низкотемпературной тех­ники получили методы, основанные на использовании эффектов расширения рабочего тела в дроссельных устройствах и детандерах -т-п^пнид^гнццг.ша циклы, лежащие""1Г"осж>ве этих, в испарителе, отбирая теплоту у промежуточного хладагента.

Теплообменные аппараты, являются важнейшими элементами холо­дильной установки. Эффективность их работы оказывает большое влия­ние на массо-габаритные и энергетические характеристики установки. Это влияние, в частности, проявляется в том, что увеличение темпера­турного напора в конденсаторе и испарителе (разности температур между охлаждаемой и охлаждающей средами) приводит к увеличению термодинамической необратимости цикла и вследствие этого - к росту расхода энергии на выработку холода. Снижение термодинамической необратимости может быть достигнуто путем уменьшения разности между температурой охлаждающей среды и температурой конденсации в конденсаторе, а также между температурой испарения и температу­рой промежуточного хладоносителя в испарителе. Снизить температур­ные напоры можно либо посредством увеличения площади поверхнос­тей нагрева конденсатора и испарителя, либо путем интенсификации процессов теплообмена. Первое приводит к увеличению металлоемкости, массы и стоимости оборудования, второе, как правило,— к уве­личению расхода электроэнергии на привод нагнетающих устройств, обеспечивающих движение рабочих сред, не изменяющих в процессе теплообмена в конденсаторе и испарителе своего агрегатного состоя­ния. Естественно поэтому, что выбор оптимальных значений темпера­турных напоров в теплообменных аппаратах холодильной машины, яв­ляется важной технико-экономической задачей.

Стремление к повышению экономичности холодильных машин путем снижения термодинамической необратимости вызывает необходи­мость использовать в теплообменных аппаратах небольшие темпера­турные напоры и, следовательно, невысокие удельные тепловые нагруз­ки, В этом заключается одно из главных отличий работы теплообменных аппаратов холодильной техники от теплообменников теплоэнерге­тических.