Тепловые процессы и аппараты

Общая характеристика тепловых процессов.

При тепловых процессах осуществляется передача тепла от одного вещества к другому. Вещества или среды, участвующие в теплообмене, называются тепло­носителями. Технологические процессы, скорость кото­рых определяется скоростью подвода или отвода теп­ла, называют тепловыми, а аппараты, в которых они протекают, теплообменными. К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей) и др. Тепло­вые процессы протекают при различных температу­рах, однако тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более вы­сокой температурой к среде с более низкой. Эта раз­ность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Горячими теплоносителями могут быть вода, водяной пар, горячие газы и т. п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы.

Существуют два основных способа проведения тепловых про­цессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносите­лей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоноси­тели.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешива­ются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверх­ность стенки, разделяющей теплоносители, используется для пе­редачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во вре­мени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) про­цессе температуры изменяются во времени. Установившиеся про­цессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоян­ным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппа­ратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их ра­боты.

Механизмы переноса тепла (теплопроводность, конвекция, лучеиспускание).

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем пе­реноса тепла при непосредственном соприкосновении отдель­ных частиц тела. При этом энергия передастся от одной ча­стицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обус­ловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужден­ная или принудительная конвекция), либо разностью плотно­стей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравно­мерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в теп­ловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля (по шкале Кельвина). В ре­зультате обмена тела с меньшей температурой при­обретают дополнительное тепло за счет энергии тел с большей температурой, т. е. лучистая энергия пере­ходит в тепловую. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различ­ными длинами волн (тепловому излучению соответст­вуют длины волн от 0,4 до 40 мкм). Тела, поглощаю­щие всю падающую на них лучистую энергию, назы­ваются абсолютно черными, полностью отражающие — абсолютно белыми, пропускающие всю падающую на них энергию — абсолютно прозрачными. Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в зна­чительной мере зависит от состояния их поверхности. Шероховатые поверхности обладают высокой поглощательной, гладкие — отражательной способностью. Большинство газов (паров) обладают значительной способностью испускать и поглощать лучистую энер­гию не поверхностным слоем, а объемом, поэтому излучение их зависит от толщины газового слоя.

Лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объ­ясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, а для абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел лучеиспускательная спо­собность равна нулю.

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теп­лообмен). Так, при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку — путем теплопроводности.

Потери тепла с нагретой поверхности в окружающую среду происходят путем конвекции и лучеиспускания.

Тепловой баланс и уравнение теплопередачи

Нагревание

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. Используется для нагревания до температуры 150-170⁰ С.

Преимущества водяного пара как нагревающего агента: 1) высокий коэффициент теплоотдачи, 2) большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара, 3) возможность транспортировки по трубопроводам на значи­тельные расстояния, 4) равномерность обогрева, так как конден­сация пара происходит при постоянной температуре, 5) легкое регулирование обогрева.

Обычно применяют насыщенный пар небольшого давления (до 6—10 am), иногда перегретый на 20—30°С. Применение пе­регретого пара не дает особых преимуществ, так как теплота перегрева невелика по сравнению с теплом конденсации, кото­рое выделяется при нагревании насыщенным паром.

При подведении к воде тепла температура ее воз­растает до температуры кипения, зависящей от дав­ления, при котором идет подогрев.

Теплосодержание воды (ккал/кг). (t-t₀) – разница между Т кип при данном давлении и Т нач. С – уд.теплоёмкость.

при 0⁰ С

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 — r (ккал/кг).

Полное теплосодержание 1 кг сухого насыщенного водяного пара определяется i = ct + r, 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.

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 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.

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 «острым» паром. При обогреве острым паром его вводят непосредственно в нагреваемую жид­кость, и образующийся конденсат смешивается с нею. 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.

Ввод пара в жидкость производится через трубу, опущенную ниже уровня жидкости, или через барботер — трубу, снабженную большим количеством мелких отверстий, расположенную также ниже уровня жидкости. При использовании барботера одновременно происходит перемешивание жидкости. В тех случаях, когда разбавление жидкости или ее смешение с водой недопу­стимо, обогрев острым паром непригоден.

Нагревание «глухим» паром. «Глухой» греющий пар применяют в тех случаях, когда контакт между нагреваемой жидкостью и конденсатом пара недопустим (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. Такой способ обогрева является наиболее распространенным. При обогреве глухим паром необходимо, чтобы он полностью сконденсировался в аппарате.

Совершенно недопустима работа теплообменника с пролет­ным паром, т. е. с неполной конденсацией пара, когда из аппа­рата отводится смесь конденсата и пара. При неполной конден­сации пара расход его повышается.

Для удаления из аппарата конденсата без выпуска с ним пара применяют специальные устройства — конденсатоотводчики (водоотводчики).

Теплообменные аппараты. Классификация. Регенеративные теплообменники. Сравнительная характеристика, принципы выбора и области применения теплообменных аппаратов различных конструкций. Основные тенденции совершенствования конструкций теплообменных аппаратов.

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», змеевиковые 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 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 атмосфер­ным давлением (рис). На паровой рубашке уста­навливают манометр и предохранительный клапан. Допустимое избыточное давление не более 5 атмосфер (4,90-10⁴-Н-м²).

Трубчатые теплообменники. Кожухотрубный тепло­обменник является одним из наиболее распространен­ных (рис). 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» 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 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 движения, 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 теплообменника с поперечными ребрами (пластинчатый калори­фер) для подогрева воздуха приведена на рис. 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.

Нагревание топочными газами

Нагревание топочными газами относится к наиболее давно применяемым способам, но в химико-фармацевтическом производстве оно все реже применяется из-за их существенных недостатков: неравномерности нагрева, трудности регулирования температуры обогрева, низких коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке, возможности загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива. Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой и другие указанные недостатки создают «жесткие» условия нагревания, что не всегда применимо в фармацевтическом производстве из-за необходимости проведения технологических процессов в щадящих условиях при обработке лекарственных средств. Этот способ применяют для получения пара в паросиловых цехах (котельных), без которых редко работает фармацевтическое предприятие. Топочные газы, получаемые при сжигании топлива, исполь­зуют для нагревания до высоких температур (от 700 до 1000°С).

Нагревание электрическим током

Электрическая энергия широко применяется в самых различных диапазонах температур и в различных отраслях промышленности ввиду точности регулирования его в соответствии с заданным технологическим режимом.

В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую нагревание подразделяют на электрической дугой, сопротивлением, индукционным, током, диэлектрическое.

ПАРОЗАПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Все аппараты, работающие с помощью насыщен­ного водяного пара, снабжаются специальными парозапорными устройствами, с помощью которых пар не может пройти обогреваемый аппарат без полной конденсации. Для быстрого и автоматического удаления конденсата из парового пространства аппарата и по­терь греющего пара применяют конденсатоотводчики (водоотводчики), отличающиеся принципом действия запорного элемента: поплавковые, термостатические, термодинамические. Открытие или закрытие клапана в них зависит от перепада давления между входом в конденсатоотводчик и камерой давления.

Схема поплавкового конденсатоотводчика — конденсационного горшка изображена на рис. Прибор состоит из чугунного корпуса (1), в который по шту­церу (2) поступает смесь пара и конденсата из обо­греваемого аппарата. Внутри горшка находится по­плавок (3), который плавает в жидкости и с помощью стержня (4) закрывает своим коническим концом (клапаном) (5) выход в крышке горшка. По мере накопления конденсата в кольцевом пространстве под поплавком, конденсат переливается в стакан, запол­няет его, вследствие чего стакан тонет. При опуска­нии стакана конический клапан открывает отверстие в крышке и конденсат под давлением пара вытесня­ется по трубке вокруг стержня (6) в выходной канал (7). Облегченный стакан всплывает и стержень (4) вновь закрывает выход из горшка до нового накопле­ния воды в поплавке.

Нагревание горячей водой

Горячая вода по сравнению с насыщенным водяным паром имеет ряд недостатков: коэффициенты теплоотдачи от горячей воды ниже коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что понижает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование.

Горячую воду получают в водогрейных котлах или в бойлерах (паровой водонагреватель). Применяются бойлеры для нагревания до температур не более 100 °С. Если необходимо осуществить нагревание выше 100 °С, то используют воду, находящуюся под избыточным давлением. Для нагрева водой используют циркуляционные системы обогрева.