- •Я.М. Ханик, є.М. Семенишин, о.В. Станіславчук, д.П. Кіндзера
- •2.1. Загальна характеристика 75
- •Розділ і
- •1.1. Загальна характеристика
- •1.2. Теплові баланси
- •1.3. Основне рівняння теплопередачі
- •1.4. Передача тепла теплопровідністю
- •1.4.1. Температурне поле і температурний градієнт
- •1.4.2. Закон Фур’є
- •1.4.3. Диференційне рівняння теплопровідності
- •1.4.4. Рівняння теплопровідності плоскої стінки
- •1.4.5. Рівняння теплопровідності циліндричної стінки
- •1.5. Теплове випромінювання
- •1.5.1. Теоретичні основи теплового випромінювання
- •1.5.2. Закон Стефана – Больцмана
- •1.5.3. Закон Кірхгофа
- •1.5.4. Взаємне випромінювання двох тіл
- •1.5.5. Випромінювання і поглинання енергії газами
- •1.6. Передача тепла конвекцією
- •1.6.1. Закон Ньютона – Ріхмана
- •1.6.2. Диференціальне рівняння конвективного теплообміну
- •1.6.3. Теплова подібність
- •1.6.4. Дослідні дані з тепловіддачі
- •1.6.4.1. Тепловіддача без зміни агрегатного стану
- •1.6.4.2. Тепловіддача із зміною агрегатного стану
- •1.6.4.4. Теплообмін під час безпосереднього контакту фаз
- •1.7. Складна тепловіддача
- •1.8. Теплопередача
- •1.8.1. Теплопередача за постійних температур
- •1.8.2. Теплопередача за змінних температур теплоносіїв
- •1.8.3. Рівняння теплопередачі для прямотечійного і протитечійного процесів теплообміну
- •1.8.4. Вибір взаємного напрямку теплоносіїв
- •Нагрівання, охолодження і конденсація
- •2.1. Загальна характеристика
- •2.2. Гріючі агенти і способи нагрівання
- •2.2.1. Нагрівання водяною парою
- •2.2.2. Нагрівання глухою парою
- •2.2.3. Нагрівання “гострою парою”
- •2.2.4. Нагрівання гарячою водою
- •2.2.5. Нагрівання димовими газами
- •2.2.6. Нагрівання високотемпературними теплоносіями
- •2.2.6.1. Нагрівання перегрітою водою
- •2.2.6.2. Нагрівання мінеральними мастилами
- •2.2.6.3. Нагрівання висококиплячими органічними рідинами і їхньою парою
- •2.2.6.4. Нагрівання розплавленими солями
- •2.2.6.5. Нагрівання ртуттю та рідкими металами
- •2.2.7. Нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями з нерухомим і циркулюючим твердим зернистим матеріалом
- •2.2.8. Нагрівання електричним струмом
- •2.2.8.1. Нагрівання електричним опором
- •2.2.8.2. Індукційне нагрівання
- •2.2.8.3. Високочастотне нагрівання
- •2.2.8.4. Дугові печі
- •2.3. Охолодження
- •2.3.1. Охолодження до звичайних температур
- •2.3.2. Охолодження льодом
- •2.3.3. Конденсація
- •Конструкції теплообмінних апаратів
- •3.1. Трубчасті теплообмінники
- •3.1.1. Кожухотрубні теплообмінники
- •3.1.2. Елементні теплообмінники
- •3.1.3. Двотрубчасті теплообмінники типу “труба в трубі”
- •3.2. Змійовикові теплообмінники
- •3.2.1. Занурені теплообмінники
- •3.2.2. Зрошувальні теплообмінники
- •3.2.3. Пластинчасті теплообмінники
- •3.2.4. Реберні теплообмінники
- •3.2.5. Спіральні теплообмінники
- •3.2.6. Теплообмінні пристрої реакційних апаратів
- •3.2.7. Теплообмінники інших типів
- •3.2.8. Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів
- •3.2.9. Розрахунок теплообмінних апаратів
- •Тепловий розрахунок:
- •Приклади до і–ііі розділів
- •Контрольні задачі до і–ііі розділів
- •Контрольні запитання до і–ііі розділів
- •Теплове випромінювання.
- •Теплова подібність.
- •Складна тепловіддача.
- •Нагрівання гарячою водою.
- •Трубчасті теплообмінники.
- •Змійовикові теплообмінники.
- •Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів.
- •Основні залежності та розрахункові формули до і–ііі розділів Теплопровідність
- •Тепловіддача
- •Значення коефіцієнта
- •Значення At і·Bt для води
- •Теплопередача за безпосереднього контакту потоків
- •Випарювання
- •4.1. Загальні відомості
- •4.2. Однокорпусні випарні установки
- •4.2.1. Схема однокорпусної випарної установки
- •4.2.2. Матеріальний баланс однокорпусної випарної установки
- •4.2.3. Тепловий баланс однокорпусної випарної установки
- •4.2.4. Температурні втрати та температура кипіння розчинів
- •4.3. Багатокорпусні випарні установки
- •4.3.1. Схеми багатокорпусних випарних установок
- •4.3.2. Матеріальний баланс
- •4.3.3. Тепловий баланс
- •4.3.4. Загальна корисна різниця температур та її розподіл по корпусах
- •4.3.5. Розподіл загальної корисної різниці температур
- •4.3.6. Вибір кількості корпусів
- •4.4. Конструкції випарних апаратів
- •4.4.1. Класифікація апаратів для випарювання
- •4.4.2. Апарати з вільною циркуляцією розчину
- •4.4.3. Вертикальні апарати з напрямленою природною циркуляцією
- •4.4.4. Апарати з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуляційною трубою
- •4.4.5. Апарати з підвісною нагрівальною камерою
- •4.4.6. Апарати з виносними циркуляційними трубами
- •4.4.7. Апарати з виносною нагрівальною камерою
- •4.4.8. Апарати з винесеною зоною кипіння
- •4.4.9. Прямотечійні (плівкові) апарати
- •4.4.10. Роторні прямотечійні апарати
- •4.4.11. Апарати з примусовою циркуляцією
- •Контрольні запитання до IV розділу
- •4. Однокорпусні випарні установки.
- •5. Матеріальний баланс.
- •25. Конструкції випарних апаратів.
- •27. Апарати з підвісною нагрівальною камерою.
- •29. Апарати з виносною нагрівальною камерою.
- •Основні залежності та розрахункові формули до іv розділу
- •Приклади задач до IV розділу
- •Контрольні задачі до IV розділу
- •Приклад розрахунку трикорпусної випарної установки
- •Від депресії
- •Додатки
- •Коефіцієнти дифузії деяких газів у воді за 20 с
- •Властивості насиченої водяної пари залежно від тиску
- •Фізичні властивості насиченої пари аміаку
- •Основні фізичні властивості деяких газів
- •Фізичні властивості насиченої пари аміаку
- •Властивості насиченої водяної пари залежно від температури
- •Тиск насиченої водяної пари за температур від –20 до 100 с
- •Література
2.2.6.4. Нагрівання розплавленими солями
У випадках, коли необхідно рівномірно нагрівати продукти до температур, що перевищують граничнодопустимі температури для високотемпературних органічних теплоносіїв, використовують неорганічні рідкі теплоносії – розплавлені солі та рідкі метали. Найбільше практичне застосування у хімічній промисловості має нітрит-нітратна суміш (азотистокислий натрій – 40 % (мас), азотнокислий натрій – 7 % (мас), азотнокислий калій – 53 % (мас)). Використання цієї суміші дає змогу нагрівати продукти до температур 500–540 °С (1 амт) . За температур, що не перевищують 450 С суміш фактично не сприяє корозії вуглецевих сталей. У разі необхідності проведення процесу за більш високих температур для виготовлення апаратури і трубопроводів використовують хромисті і хромонікелеві сталі, крім того їх оснащують паровим обігріваннямм. Суміш застосовують тільки у разі обігрівання з вимушеною циркуляцією, яка забезпечується спеціальними насосами пропелерного типу (вертикальні) або безсальниковими відцентровими насосами. Коефіцієнти тепловіддачі від перегрітої води є вищими, ніж від суміші, однак у разі вимушеної циркуляції суміші досягають інтенсивнішого теплообміну.
З міркувань вибухобезпеки неприпустимим є контакт за високих температур нітрит-нітратної суміші з речовинами органічного походження, стружкою і тирсою чорних металів, алюмінію і магнію, оскільки вона є сильним окислювачем.
2.2.6.5. Нагрівання ртуттю та рідкими металами
Ртуть, натрій, калій, свинець, інші легкотопкі метали та їхні сплави ефективно використовують як високотемпературні теплоносії для нагрівання до температур 400–800С і вище. Ці теплоносії мають велику густину, термічну стійкість, високу теплопровідність і значні коефіцієнти тепловіддачі, що є їхньою перевагою. Однак їм характерні низькі значення критерію Прандтля (Pr ≤ 0,07), тому коефіцієнти тепловіддачі для них необхідно розраховувати за спеціальними рівняннями.
Більшість металевих теплоносіїв вогне- і вибухобезпечні і фактично не впливають на маловуглецеві леговані сталі. Тільки калій і натрій вимагають використання нержавіючої сталі, оскільки є надзвичайно високохімічно активними і спалахують зі швидкістю вибуху. Як проміжні теплоносії для нагрівальних бань використовують легкотопкі метали, крім ртуті, натрію, калію і їхніх сплавів, що знайшли застосування у нагрівальних установках з природною та вимушеною циркуляцією. Ртуть є єдиним металевим теплоносієм, що використовується у пароподібному стані, тиск парів якої дуже низький (приблизно 2 атм. за 400С). Ртутно-парові нагрівальні установки, що працюють за природної циркуляції теплоносія, характеризуються високим ККД.
Недоліком ртутного та інших металевих теплоносіїв є те, що необхідно забезпечити абсолютну герметичність нагрівальних установок та потужну приточно-витяжну вентиляцію, оскільки вони є надзвичайно отруйними. Крім цього, погана змочуваність металів та висока вартість обмежують використання теплоносіїв цієї групи.
2.2.7. Нагрівання газоподібними високотемпературними теплоносіями з нерухомим і циркулюючим твердим зернистим матеріалом
Цей метод застосовують в хімічній промисловості недавно. За його допомогою можна нагрівати гази до температури 1500 С. Як зернистий матеріал переважно використовують кварц, алюмосилікати, діабаз, шамот тощо, подрібнені до частинок розміром 0,05–8 мм. Зернисті матеріали характеризуються великою питомою поверхнею 500–100 000 м2/м3 залежно від розміру частинок. Завдяки великій питомій поверхні в порівняно невеликих апаратах можна розмістити значні поверхні теплообміну і в такий спосіб здійснити повний теплообмін між зернистим матеріалом і газами, які продуваються через шар.
Для нагрівання димовими газами з проміжними зернистими теплоносіями використовують установки з циркулюючим і псевдозрідженим матеріалом. На рис. 2.13 показано установку з циркулюючим зернистим матеріалом, який переміщається суцільним потоком.
У футерованому вогнетривкою цеглою апараті 1 знаходиться зернистий матеріал. З топки 7 за допомогою розподільного пристрою 8 в апарат 1 подається газ з високою температурою. Зернистий матеріал подається в апарат 1 через патрубок 10 і переміщається в апараті 1 суцільним шаром, нагріваючись під час цього топковими газами. Нагрітий зернистий матеріал через патрубок 11 надходить в апарат 2, в якому нагріваються технологічні гази, що подаються в нижню частину розподільного пристрою 8, аналогічно, як в апарат 1.
Отже, в апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів за рахунок тепла зернистого матеріалу. Охолоджений зернистий матеріал безперервно виводиться через патрубок 12 в завантажувальний пристрій 3 пневмотранспортної системи, в яку подається транспортуючий газ. Транспортуючий газ підхоплює зернистий матеріал і транспортує його трубою 4 в бункер-сепаратор 5. Тут частинки твердого матеріалу осідають і пересипаються в апарат 1, а звільнений від твердих частинок газ виводиться за межі апарата. Циркулюючий в такий спосіб зернистий матеріал відбирає тепло від топкових газів в апараті 1 і передає їх технологічним газам, які нагріваються в апараті 2.
Рис. 2.13. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом, що рухається суцільним шаром: 1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажувальний пристрій пневмотранспортної системи; 4 – пневмотранспортна труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка під тиском; 8 – розподільний пристрій; 9, 10, 11, 12 – патрубки
Характер зміни температур зернистого матеріалу і технологічного газу показано на рис. 2.13 у вигляді залежності температури від висоти шару зернистого матеріалу. Температура нагрітих технологічних газів тільки на 10–2 С нижча від температури зернистого матеріалу, який нагрівається в апараті 1 до температури, нижчої на 5–10 С від температури топкових газів.
На рис. 2.14 показано установку з циркулюючим зернистим матеріалом в псевдозрідженому стані. Ця установка відрізняється від попередньої установки (рис. 2.13) тільки конструкцією апаратів 1 і 2, в яких зернистий матеріал знаходиться в псевдозрідженому стані.
Рис. 2.14. Нагрівальна установка з циркулюючим зернистим матеріалом у псевдозрідженому стані: 1 – апарат для нагрівання зернистого матеріалу; 2 – апарат, в якому нагріваються технологічні гази; 3 – завантажувальний механізм пневмотранспортної системи; 4 – труба; 5 – бункер-сепаратор; 6 – насос; 7 – топка; 8 – розподільна решітка; 9, 10, 11 – патрубки
Топкові гази подаються під розподільну решітку 8 апарата 1. Швидкість потоку топкових газів забезпечує псевдозріджений стан зернистого матеріалу, який безперервно надходить через патрубок 10. Зернистий матеріал нагрівається теплом топкових газів і безперервно виводиться з апарата 1 патрубком 11. Охолоджені топкові гази виводяться патрубком 9. В апараті 2 здійснюється нагрівання технологічних газів і охолодження зернистого матеріалу. Швидкість газу в апаратах 1 і 2 здебільшого в 10–15 разів перевищує швидкість псевдозрідження, тому такі установки можуть працювати за значних швидкостей газу і частинок розміром 50–400 мкм.
На
рис. 2.14
справа показано графіки зміни температур
зернистого матеріалу і газу в апаратах
1 і 2 у вигляді залежності
(температура – висота псевдозрідженого
шару). Як зрозуміло з цих залежностей,
температура газу, що виходить з апарата,
і зернистого матеріалу фактично однакові
і дорівнюють середньокалометричній
температурі змішування потоків газу і
зернистого матеріалу, що відповідає
умовам роботи апаратів ідеального
змішування.
