2.1.10 Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей. Под действием этой разности тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. При этом движущая сила не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль поверхности теплообмена. Поэтому вводится понятие «средняя разность температур», при которой определяются численные значения физических параметров среды. Температуры теплоносителей изменяются по сечению потока вследствие наличия поля температур и скоростей, а также вдоль проточной части теплообменника по мере охлаждения горячей среды и нагревания холодной, в частности, при конденсации пара и кипении жидкости температуры теплоносителей принимаются постоянными как температуры фазового превращения. Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках.

При нагревании или охлаждении рабочей среды (без изменения агрегатного состояния) температура ее вдоль поверхности нагрева изменяется по некоторым экспоненциальным кривым (рисунки 2.4 а и 2.4 б)

а - прямоток; б – противоток

Рисунок 2.4 – Схемы относительного движения рабочих сред и изменения их температур вдоль поверхности нагрева

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая:

. (2.30)

Для прямотока: ; .

Для противотока: ; .

Наиболее совершенной схемой теплопередачи является противоток, при котором средняя разность температур имеет наивысшее значение из всех возможных схем теплопередачи при прочих равных условиях. При теплопередаче в противотоке нагреваемый поток может быть нагрет до более высокой температуры, чем конечная температура нагревающего потока. Наименьшее значение при прочих равных условиях имеет средняя разность температур при прямотоке.

При более сложных случаях относительного движения теплоносителей (перекрестный ток, неравное число ходов для обеих жидких сред и т.д.) в выражение (2.30) вводятся поправочные функции, численные значения которых находятся в справочниках.

2.2 Промышленные способы подвода тепла

Нагрев или подвод теплоты может осуществляться водяным паром, горячими жидкостями, топочными газами и электрическим током.

Выбор теплоносителя для каждого конкретного случая индивидуален и определяется, прежде всего, величиной температуры нагревания и необходимостью ее регулирования. Кроме того, теплоноситель, используемый в промышленности, должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплопередачи. Поэтому он должен обладать высокими значениями плотности, теплоемкости и теплоты парообразования, низкой вязкостью. Помимо этого желательно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термостоек, обладал возможно более низким коррозирующим действием, но вместе с тем был достаточно доступен и дешев.

В химической технологии нагревание используют, в основном для ускорения массообменных и химических процессов, температурные условия протекания которых и определяют выбор соответствующих теплоносителя и способа нагревания.

Наиболее широко в химической технологии в качестве теплоносителя используют насыщенный водяной пар. Достоинствами насыщенного водяного пара являются: высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке от 5000 до 15000 Вт/(м²·К); большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации 1 кг пара (от 2260 до 1990 кДж при давлении 0,1…1,2 МПа); равномерность обогрева, поскольку при конден­сации пара температура остается постоянной; возможность тонкого регулирования температуры нагревания путем изменения давления пара; возможность передачи пара на большие расстояния (при этом пар должен быть перегрет на 20…30 ⁰С). Недостаток: значительное возрастание давления с увеличением температуры.

При нагревании насыщенным водяным паром различают «острый» и «глухой» пар. «Острый» пар используют в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом. Этот способ нагревания отличается простотой и позволяет лучше использовать энтальпию пара. Нагревание острым паром в технике используют довольно редко, так как смешение нагреваемой жидкости и конденсата пара обычно недопустимо. Значительно чаще на практике нагревание насыщенным паром осуществляют через стенку. При этом способе нагревания пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и конденсат в виде пленки стекает по поверхности стенки.

Схема нагревания «глухим» паром предусматривает наличие в ней дополнительного специального устройства - конденсатоотводчика (рисунок 2.5), обеспечивающего, с одной стороны, быстрый и своевременный отвод образующегося в паровом пространстве конденсата, а с другой – препятствующего уходу с конденсатом части не успевшего сконденсироваться пара (так называемого пролетного пара), предотвращая тем самым его потерю.

При поступлении конденсата в корпус 1 конденсатоотводчика (см. рисунок 2.5, а) поплавок 2 всплывает, поднимая клапан 3 для отвода конденсата. После удаления конденсата поплавок опускается, и клапан закрывает выходное отверстие. Степень открытия выходного отверстия соответствует расходу отводимого через конденсатоотводчик конденсата. Конденсатоотводчик снабжен также обводной линией, позволяющей производить его ремонт и техническое обслуживание, не прерывая работу аппарата.

а – отводчик с закрытым поплавком: 1 - корпус; 2 - поплавок;

3-клапан; 4-стержень; 5-направляющий стакан;

б – отводчик с открытым поплавком: 1 - корпус; 2 – стаканный

поплавок; 3-труба; 4-стержень; 5-клапан; 6-обратный клапан;

7- продувочный клапан

Рисунок 2.5 – Конденсатоотводчики

Более высокого, чем при конденсации насыщенного водяного пара, уровня температур можно достичь при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей – ВОТ. Здесь же отметим, что возможность получения высоких рабочих температур при низких давлениях является основным преимуществом ВОТ.

На практике находят применение и другие высокотемпературные теплоносители, которые используют в парообразном состоянии -это металлические высокотемпературные теплоносители – литий, кадмий, калий и ртуть. С их помощью можно обеспечить нагревание до температур 400…800 ⁰С и выше при относительно низких давлениях. Так, давление насыщенных паров ртути при температуре 400°С составляет около 0,2 MПа.

При нагревании с помощью парообразных металлических теплоносителей следует принимать во внимание, что пары их крайне ядовиты. Для паров ртути предельно допустимое содержание их в воздухе производственных помещений составляет 0,01 мг/м³. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной приточно-вытяжной вентиляцией.

В химической технологии при нагревании многих веществ выдвигаются жесткие требования в отношении равномерности нагревания и обеспечения безопасных условий работы, что особенно важно в случаях, когда недопустим даже кратковременный перегрев. В этих случаях для нагревания используют горячие жидкости, представляющие собой промежуточные теплоносители. К их числу относят горячую (перегретую) воду, минеральные масла, жидкие высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), расплавы солей и металлов.

Поэтому при нагревании перегретой водой уровень достигаемых температур нагревания составляет обычно от 300 до 350 ⁰С. Среди недостатков использования этого теплоносителя следует, в первую очередь, отметить необходимость применения металлоемкой (толстостенной) аппаратуры и довольно сложной арматуры.

По сравнению с нагреванием перегретой водой обогрев горячими жидкостями, позволяющими получать те же или даже более высокие температуры нагревания без необходимости увеличения давления в системе, проще и экономичнее. К числу таких горячих жидкостей относят минеральные масла, ВОТ, расплавы солей и металлов.

Рассмотренные выше способы нагревания водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей, а также горячими жидкостями предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее давно и широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до температур, достигающих 1000…1100°С.

Наиболее существенными недостатками этого способа являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена; трудность регулирования температуры обогрева; низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке (не более 35…60Вт/(м²·К)); возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при непосредственном обогреве газами). Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают жесткие условия нагревания, которые не допустимы для многих продуктов, поскольку могут вызвать их перегрев.

Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать.