4.4. Сложный теплообмен

В тепловых процессах распространение тепла в большинстве случаев осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излуче­нием или хотя бы двумя из них. Такой процесс назы­вают сложным теплообменом.

Если температура теплоотдающей стенки А* и тем­пература тепловоспринимающеи жидкости и ее погра­ничного слоя у стенки U, то количество тепла, отдавае­мое стенкой в единицу времени, за счет конвективного обмена составит

а за счет теплового излучения

Q_u= C,_₂[7-_w/100)⁴ - r_s/100)⁴]/\

Введя обозначение коэффициента теплоотдачи лу­чеиспусканием ОСи

Ci_₂[(r_w/100)⁴-(r₅/100)⁴] ^а" ~ 1—^~t '

выразим Q_u равенством

Q_u= ссД'« — U) F.

Общее количество тепла, отданное стенкой в еди­ницу времени, составит

или

Q = _a(/_w — t_s)F,

где a — коэффициент теплоотдачи, учитывающий рас­пространение тепла конвективным теплообменом и теп­ловым излучением.

49

4.5. НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Нагревание широко применяется для ускорения многих массообменных процессов (растворение, суш­ка, выпаривание). В зависимости от температурных условий проведения процесса и экономических сообра­жений используют различные источники тепла: дымо­вые (топочные) газы, электрический ток (прямые ис­точники тепла), горячую воду, водяной пар, мине­ральные масла и другие промежуточные источники тепла.

Водяной пар как теплоноситель. Для промышлен­ных целей водяной пар получают в паровых котлах, где происходит нагрев и испарение воды под давле­нием.

При подведении к воде тепла температура ее воз­растает до температуры кипения, зависящей от дав­ления, при котором идет подогрев. Если обозначить через to начальную температуру воды, / — температу­ру кипения при данном давлении, то теплосодержание воды / (ккал/кг) составит:

1=0(1-t₀)

При t₀ = 0° получим теплосодержание (ккал/кг) i = ct.

При дальнейшем подводе тепла происходит испаре­ние кипящей воды, во все время парообразования температура воды и получающегося пара равна тем­пературе кипения. В результате процесса получается насыщенный водяной пар, который может быть влаж­ным и сухим. Известно, что на испарение 1 кг уже за­кипевшей воды расходуется определенное количество тепла, называемого скрытой теплотой испарения или теплотой парообразования — г (ккал/кг).

Полное теплосодержание 1 кг сухого насыщенного водяного пара определяется / = / + /• или i = ct -\- r, которое при с= 1 кДж/кг-°С приводится к виду г = = 606,5 + 0,305 / ккал/кг.

Таким образом, теплосодержание или энтальпия пара определяется количеством тепла в джоулях, ко­торое содержится в 1 кг пара (Дж/кг) и зависит от давления, возрастая с его увеличением.

1 ккал = 4186,8 Дж.

50

В процессе парообразования в котле пар увлекает с собой некоторое количество капельно-жидкой фазы. Кроме того, сухой насыщенный пар увлажняется за счет частичной конденсации вследствие отдачи тепла стенкам' трубопровода. Влажный насыщенный пар об­ладает меньшим теплосодержанием. Если в 1 кг влаж­ного пара — л: кг сухого (х < 1), то (1 — х) кг — коли­чество влаги (степень влажности пара).

На парообразование надо затратить: для получе­ния х кг сухого пара из 1 кг воды х • / = x(i -+- г) ккал; — для нагрева (1 — х) кг воды от 0° до t °С (1 — х) • i ккал. Полное теплосодержание влажного пара равно:

1_ал = X ■ I

■ (1 — х) i = I -\- гх.

Если сухой насыщенный пар подвергается даль­нейшему нагреванию без изменения давления, то он становится перегретым (температура выше точки кипе­ния, соответствующей давлению пара). Во время подо­грева давление пара остается постоянным, температу­ра и его объем возрастают.

Если обозначить температуру перегретого пара через /,-,, то разность между ней и температурой насы­щенного пара t при соответствующем давлении t_n—/ называется температурой перегрева. Теплосодержа­ние перегретого пара (t_nep) будет определяться тепло­содержанием сухого насыщенного пара и добавочным количеством тепла, пошедшим на перегрев:

«„ер = 606,5 + 0,305 • t + 0,48 (t_n — t),

где 0,48 кДж/кг-°С — теплоемкость пара при средних величинах давления.

Перегретый пар, имея температуру выше темпера­туры парообразования, при охлаждении конденсирует­ся после того, как будет израсходован перегрев. По­этому он легко транспортируется по паропроводу, по­нижая только свою температуру. Насыщенный водя­ной пар, соприкасаясь со стенкой трубопровода, не­медленно конденсируется, отдавая скрытую теплоту.

Нагревание с помощью водяного пара является самым распространенным в фармацевтическом произ­водстве. Достоинства этого метода: равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; высокий коэффициент тепло­передачи от конденсирующего пара; большое коли-

51

чество тепла, выделяющегося при конденсации еди­ницы массы водяного пара и др.

Нагревание «острым» паром. При нагревании «ост­рым» паром насыщенный пар вводится в обогреваемую жидкость по трубе или трубкам с мелкими отверстия­ми. Вначале поступающий греющий пар отдает нагре­ваемой жидкости всю теплоту и полностью конденси­руется, затем обогреваемая жидкость закипает. Даль­нейшее поступление насыщенного водяного пара бес­полезно, так как каждый его килограмм, конденси­руясь, испаряет 1 кг воды, т. е. в конечном результате общее количество жидкости не уменьшается. Поэтому острый насыщенный пар применяется не для испаре­ния, а для обогрева воды или водных растворов и в случаях, когда разбавление жидкостей водой не имеет существенного значения.

Для нагревания и одновременного перемешивания жидкости пар вводят через барботер — трубу с отвер­стиями, расположенную на дне резервуара в виде спирали или кольца. С целью испарения острый пар применяют для жидкостей со сравнительно малой скрытой теплотой испарения (например, этанол). В этом случае теплота конденсации 1 кг пара испаря­ет несколько килограммов жидкости. Острым паром отгоняют высококипящие жидкости, не смешивающие­ся с водой, что понижает температуру перегонки (аро­матные воды). Расход острого пара при периодиче­ском нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

gch + Di = gct₂ + Dc_Bt₂ + Q_n ■ т; _D= gcjh-t^ + Q,^ i — c_Bt₂

где g — количество нагреваемой жидкости, кг; D — расход греющего пара, кг; с — теплоемкость нагре­ваемой жидкости, кДж/(кг-°С); с_в — теплоемкость конденсата, кДж/ (кг • °С); / — энтальпия греющего пара, кДж/кг; t\, /2— температура жидкости соответ­ственно до и после нагревания, °С; Q_n — потери тепла аппаратом в окружающую среду, кДж/с; т — продол­жительность нагрева, с.

Нагревание «глухим» паром. «Глухой» греющий пар применяют в тех случаях, когда контакт между нагреваемой жидкостью и конденсатом пара недопу-52

стим (разбавление, взаимодействие и др.). Нагрев жидкости осуществляют через разделяющую их стен­ку в аппаратах с рубашками, змеевиками и т. п. Грею­щий пар целиком конденсируется и выводится из парового. пространства нагревательного аппарата в виде конденсата с температурой, практически рав­ной температуре насыщенного греющего пара.

Расход «глухого» пара при непрерывном нагрева­нии жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

get, +£).( = gct₂ + Dc_Bt_B + Q_nr _D __ gc(t₂ - /i) + Q,,t

где D — расход греющего пара, кг; g — поток нагре­ваемой жидкости, кг/с; Св^в — теплосодержание кон­денсата, имеющего температуру /в и отводимого из парового пространства нагревателя; остальные обозна­чения (см. с. 52).

4.6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых один теплоноситель отдает свое тепло дру­гому при непосредственном соприкосновении (смеси­тельные) или через поверхность разделяющей их стен­ки (поверхностные). В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена между паром и жидкостью (паровые по­догреватели, конденсаторы), паром и газом (паровые подогреватели для воздуха), жидкостями (жидкост­ные холодильники) и др. Коэффициенты теплопере­дачи в теплообменной аппаратуре зависят от поверх­ности нагрева (охлаждения) и конструкции теплооб­менников.

Различают теплообменники с поверхностью, обра­зованной стенками аппарата, т. е. паровые рубашки, трубчатые (кожухотрубные, «труба в трубе», змееви-ковые погружные), с ребристой поверхностью тепло­обмена (калорифер) и др.

Паровые рубашки. Эти теплообменники используют для обогрева котлов, выпарных чаш, реакторов, ша­ровых вакуум-выпарных аппаратов. Греющий пар по­ступает в замкнутое пространство, т. е. отделен от

53

Пар ■

Рис. 4.1. Открытая ча­ша с naDOBoii cv6am-кой.

Нонденоат

Рис. 4.2. Кожухотрубный теп­лообменник. Объяснение в тексте.

обогреваемой жидкости (мазевая основа, сироп, вод­ная вытяжка). Высота паровой рубашки должна быть не меньше высоты уровня обогреваемой жидкости. Теплопередача осуществляется через стенку с неболь­шой поверхностью.

Типовым аппаратом с паровой рубашкой может служить открытая чаша, работающая под атмосфер­ ным давлением (рис. 4.1). На паровой рубашке уста­ навливают манометр и предохранительный клапан Допустимое избыточное давление не более 5 атмосфер (4,90-10-Н-м²). ^v

54

Трубчатые теплообменники. Кожухотрубный тепло­обменник является одним из наиболее распространен­ных (рис. 4.2). Представляет собой цилиндр, т. е. кожух (1), внутри которого расположен пучок труб (2). Концы'труб закреплены в трубных решетках (3) путем развальцовки или сварки. Между трубными ре­шетками образуется -камера (межтрубное пространст­во) , в которую поступает греющий пар через шту­цер (4) и выходит через штуцер (5). Нагреваемая жид­кость поступает через штуцер (6) противотоком, прохо­дит внутрь трубок (2), нагревается и выходит через па­трубок (7). Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижными трубными решетками или с од­ной подвижной, а также одноходовыми и многоходо­выми для повышения скорости движения теплоносите­ля в межтрубном пространстве и улучшения условий теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является трудность очистки межтрубного пространст­ва и малодоступность для осмотра и ремонта.

Теплообменник «труба в трубе» (рис. 4.3) вклю­чает несколько расположенных друг над другом эле­ментов. Каждый элемент состоит из двух труб: наруж­ной трубы (1) большого диаметра (кожух) и кон­центрически расположенной внутри нее трубы мень­шего диаметра (2). Внутренние трубы элементов со­единены друг с другом последовательно съемными ко­ленами (3), наружные — патрубками (4). Холодная вода для нагрева поступает в трубу малого диаметра, греющий пар противотоком в трубу большого диамет­ра. Теплообменник обладает высоким коэффициентом теплопередачи. Недостаток — громоздкость и труд­ность очистки.

Секционный теплообменник «труба в трубе» может работать и как холодильник, в качестве хладоагентов используют соленые растворы.

Змеевиковый погружной теплообменник (рис. 4.4) имеет вид цилиндрического сосуда (1), в который по­гружена трубка (2), изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соко­вый пар), другой омывает его снаружи, входя в случае противотока в нижний штуцер (3) и выходя через верхний (4). Для прямотока должно быть обратное направление одного из теплоносителей. При больших размерах цилиндра (1) теплоноситель, омываю­щий змеевик, имеет незначительную скорость движе-

55

Пар

I I

I

Рис. 4.З. Теплообменник «труба в трубе». Объяснение в тексте.

С оковый пар

Горячая вода

Холодная вода

Нонденсат

Рис. 4.4. Змеевиковый погружной теплообменник. Объяснение в тексте.

■ Нонденсат

_{t t}

Воздух

Рис. 4.5. Пластинчатый теплообменник (калорифер). Объяснение в тексте.

Рис. 4.6. Поплавковый конденсатоотводчик (конденсационный гор­шок). Объяснение в

ния, что приводит к снижению коэффициента тепло­передачи. Змеевиковые теплообменники просты в об­служивании, поэтому имеют большое распростране­ние. Недостатки — громоздкость и трудности внутрен­ней очистки змеевика.

Теплообменники с ребристыми поверхностями. Их применяют главным образом для теплообмена между газом и жидкостью или паром, а также между двумя газами. Поверхности теплообмена в них сделаны из труб с различными ребрами (поперечными или про­дольными) для увеличения теплоотдачи. Во всех слу­чаях поверхность ребер должна быть параллельна на­правлению потока теплоносителя. Схема теплообмен-

57

ника с поперечными ребрами (пластинчатый калори­фер) для подогрева воздуха приведена на рис. 4.5. Воздух движется с наружной стороны пучка ребри­стых труб (1), закрепленных в коробках (2). Горячий теплоноситель (пар, горячая вода) пропускается по трубам.

При выборе теплообменных аппаратов следует учи­тывать, что теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи, высокой температурой и давлением целе­сообразно пропускать по трубам, чтобы уменьшить потери тепла и давление на корпус аппарата. В хо­лодильниках горячий теплоноситель необходимо про­пускать с наружной стороны труб.