2.5 Типичные случаи теплообмена

2.5.1 Теплообмен в рубашках реакционных аппаратов

Жидкость, находящаяся внутри аппарата, получает заданное количест­во тепла путем свободной конвекции или вынужденной при принудительном перемешивании мешалкой. При паровом обогреве пар, находящийся в рубаш­ке, конденсируется на вертикальной поверхности, а при обог­реве жидкостью происходит обтекание цилиндра.

2.5.2 Теплообмен в кожухотрубных теплообменниках

В трубном пространстве теплообменника происходит теплопередача при вынужденном переходном, ламинарном или турбулентном режимах; в межтрубном пространстве при паровом обогреве происходит конденсация на вертикальной поверхности или снаружи горизонтальных труб, а при жидкостном обогреве - продольное, поперечное или смешанное обтекание пучка труб.

2.5.3 Теплообмен в погружных теплообменниках

При паровом обогреве внутри труб происходит конденсация, а при жид­костном – вынужденное движение в различных режимах с повышением интен­сивности теплоотдачи в змеевиках за счет поворотов потока. Снаружи труб происходит свободная конвекция или, при наличии мешалок, вынужденное обтекание труб.

2.6 Основные методы интенсификации теплообмена

К основным методам интенсификации теплообмена относятся:

а) уменьшение толщины теплового пограничного слоя в результате турбулизации за счет повышения скорости движения потоков или другого вида воздействия; это достигается, например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок;

б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов или конденсата при паровом обогреве;

в) создание благоприятных условий для обтекания потоком поверхно­сти нагрева, при которых она вся активно участвует в теплообмене;

г) обеспечение оптимальных значений температур, термических сопротивлений и т.д.

Интенсификация теплообмена является одним из основных направле­ний развития и совершенствования тепловой аппаратуры. При этом широко используются положительные эффекты в интенси­фикации теплообмена, обнаруженные и исследованные в других областях технологии и энергетики. Например, за последние годы выполнен ряд работ по промышленному испытанию активных ("режимных") методов интенсифика­ции теплообмена в аппаратах производств, обусловливающих изме­нение гидродинамической обстановки, режимных характеристик течения (ско­рости, плотности, вязкости и т.д.) и вызывающих дополнительную турбулизацию потока. Кроме того, активные методы способствуют снижению накипеобразования и не требуют дополнительного расхода энергии.

В качестве активных методов используются:

а) вынужденные пульсации скорости и давления;

б) пленочное течение жидкости;

в) вдувание воздуха в поток нагреваемого продукта;

г) рациональное сочетание совместного действия нескольких факторов, интенсифицирующих процесс.

3 Выпаривание

3.1 Общие сведения

Выпариванием называется процесс сгущения практически нелетучих твердых веществ за счет испарения летучего растворителя. При этом частич­ное удаление растворителя из всего объема раствора осуществляется при температуре кипения последнего, когда давление паров растворителя равно давлению в надрастворном пространстве.

Особенностью процесса выпаривания является постоянство температур кипения при данном давлении и составе раствора. В ряде случаев выпарен­ный раствор подвергают последующей кристаллизации.

Тепло, необходимое для выпаривания, обычно подводится с насыщен­ным водяным паром, который называется греющим (первичным), через стен­ку, отделяющую теплоноситель от раствора. Вторичным называется пар, об­разующийся при выпаривании кипящего раствора.

Процессы выпаривания проводят в выпарных аппаратах под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях в зависимости от свойств раство­ра и возможности использования тепла вторичного пара.

При выпаривании под вакуумом последний создается в аппарате пу­тем конденсации вторичного пара в конденсаторе и отсасывания из него не­конденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса. Такой подход позволяет увеличить движущую силу теплопередачи (разность температур между грею­щим паром и раствором) и, как следствие, уменьшить площадь поверхности нагрева выпарного аппарата и тем самым его материалоемкость. Кроме того, выпаривание под вакуумом позволяет проводить процесс при более низких температурах, что особенно важно. Однако, примене­ние вакуума вызывает удорожание выпарной установки в связи с дополни­тельными затратами на устройства для его создания (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы) и увеличение эксплуатационных расходов.

При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар может быть использован как теплоноситель в подогревателях, для отопления теплиц и других внутризаводских нужд. Однако, такой метод выпаривания связан с повышением температуры кипения раствора. Поэтому его применение ограничено свойствами растворов, которые должны быть термически стойкими.

При выпаривании под атмосферным давлением образующийся вто­ричный пар не используется и обычно сбрасывается в атмосферу. Такой спо­соб выпаривания наиболее прост, но наименее экономичен.

На рисунке 3.1 представлена структурно-логическая схема расчета процесса выпаривания.