Передача тепла при переменной разности температур

При непрерывном процессе теплоносители всегда находятся во взаимном движении, направления которого могут быть раз­личны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.

При прямотоке оба теплоносителя движутся вдоль поверх­ности теплообмена в одном и том же направлении; характер изменения их температур показан на рис. 2а.

При противотоке теплоносители движутся в противополож­ных направлениях рис. 2 б.

При прямотоке и противотоке средний температурный напор определяется как среднелогарифмическое из значений макси­мального Δ t_мах и минимального Δ t _min температурных напоров;

Δ t_ср =

Если отношение Δ t_мах /Δ t _min ≤2, то с достаточной точностью (ошибка менее 4%) можно пользоваться среднеарифметическим значением:

Δ t_ср = Δ t_мах + Δ t _min /2

Выбор и расчет теплообменников

Тепловой расчет теплообменников заключается в определении необходимой поверхности теплопередачи, исходя из основного уравнения теплопередачи

F = Q /к Δ t_ст

Выпаривание

Выпаривание – процесс повышения концентрации нелетучего или трудно летучего соединения в летучем растворителе путем перехода последнего в парообразное состояние при кипении.

Чтобы процесс выпаривания шел непрерывно необходимо:

- непрерывный подвод тепла;

- непрерывный отвод выделяющихся паров.

Для обогрева выпарных аппаратов применяют чаще всего водяной пар. В некоторых слу­чаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Методы отвода паров:

- выпаривание раствора под атмосферным давлением. Образующийся при этом так называемый вторичный (соковый) пар выпу­скается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наи­более простым.

- выпаривание под пониженным давлением (при разре­жении). В аппарате создается вакуум путем конденсации вто­ричного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса

- выпаривание веществ, которые разлагаются при повышенных температурах;

- применение теплоносителя с более низких параметров;

- уменьшение размеров аппаратов.

- выпаривание под повышенным давлением. Вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогре­вателях, для отопления и т. п., а также для различных техно­логических нужд.

Материальный баланс выпарного аппарата

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после вы­парки) количество раствора (в кг) через G₁ и G₂, его началь­ную и конечную концентрацию (в весовых долях) через с₁ и с₂ и количество выпаренной воды (в кг) через W.

Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

G₁ = G₂ +W

и по растворенному веществу

G₁с₁ = G₂с₂

В приведенные уравнения входят пять величин; три вели­чины должны быть заданы, а остальные две можно определить из этих уравнений. Обычно бывают известны G₁ a₁ и а₂, тогда, решая совместно уравнения (13-5) и (13-6), находим

G₂ = G₁с₁ / с₂

W = G₁- G₂ = G₁(1 - с₁ / с₂)

Уравнение дает возможность определить количество выпаренной воды.

Тепловой баланс выпарного аппарата

Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего используется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при повышенной температуре, применяют топочные газы и специальные высокотемпературные теплоносители (например, АМТ-300), и в особых случаях используют электрический обогрев.

Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:

Q_потерь

Греющий пар пар соковый

Раствор на выпарку

Приход тепла

Отдается нагревающим агентом Q_гр.п= G_гр.п i_гр.п

С поступающим раство­ром G₁с₁ t₁

Расход тепла

С вторичным паром . . Wi_в.п

С уходящим раствором G₂c₂t₂

Потери в окружающую среду Q_n

С конденсатом вторичного пара G_конд c _кондt _конд

Таким образом

Q_nр = Q_расх

G_гр.п i_гр.п + G₁с₁ t₁ = Wi_в.п + G₂c₂t₂ + G _гр.п c _кондt _конд + Q_n

G_гр.п i_гр.п - G _гр.п c _кондt _конд = Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n

где с₁ и с₂—удельные теплоемкости поступающего и уходя­щего растворов, дж/кг-град;

t₁ и t₂ — температуры поступающего и уходящего раство­ров, град;

i_в.п —энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Потери тепла принимаются 3-5 % от полезно затрачиваемого тепла , а затем рассчитывается изоляция (0,03-0,05 Q_nр).

G_гр.п = (Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

G₁с₁ t₂= G₂c₂t₂+ Wс_в. t₂

откуда

G₂c₂ = G₁с₁ — Wc_B

где с_в — удельная теплоемкость воды, дж/кг • град.

Подставляя значение G₂c₂ в уравнение (13-10), получим

G_гр.п = (Wi_в.п + (G₁с₁ — Wc_B) t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (Wi_в.п + G₁с₁ t₂— Wc_B t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (W(i_в.п — c_B t₂)+ G₁с₁ (t₂ - t₁) + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)