2.Процес нагрівання

Нагрівання — підвищення темпера­тури матеріалів, що переробляються, шляхом підводу до них теп­ла.

Як теплоносій для нагрівання середовищ застосовують водяну пару, гарячу воду, нагріте повітря, димові гази, електричний струм та ін. Найбільш поширений промисловий теплоносій – це насичена водяна пара, яка має такі переваги перед іншими теплоносіями:

1. невеликі витрати завдяки високій питомій теплоті конденсації,

2. високий коефіцієнт тепловіддачі,

3. легко подавати трубопроводами до теплообмінника;

4. просте і автоматизоване регулювання температури нагріву речовини;

5. рівномірність нагріву матеріалу, тому що конденсація пари відбувається за постійної температури.

Існують різні методи нагрівання:

1. глухою парою,

2. насиченою парою,

3. гострою парою,

4. гарячою водою,

5. топковими газами,

6. високотемпературними теплоносіями,

7. електричним струмом.

Нагрівання глухою парою найбільш широко розповсюджене і являє собою передачу тепла через стінку теплообмінного апарату.

Під час нагрівання насиченою парою перегріту водяну пару рідко використовують в якості теплового агенту. Щоб із зони конденсації не виводилася неконденсована пара, використовують спеціальні пристрої – конденсатовідвідники. Якщо в парі є повітря, N2, O2, CO2, то це зменшує коефіцієнт тепловіддачі.

Нагрівання гострою парою використовується в тих випадках, коли допускається змішування рідини з паровим конденсатом. При цьому гостру пару вводять безпосередньо в рідину, що нагрівають. Для зменшення шуму використовують спеціальні сопла. При використанні гострої пари використовується і тепло конденсату (перевага перед глухою парою).

Нагрівання гарячою водою застосовується для нагріву до температури не більше 100^оС. Недоліки: нижчі коефіцієнти тепловіддачі ніж при нагріванні парою, нерівномірність нагрівання.

Під час нагрівання топковими газами продукти горіння дозволяють нагрівати до температури 1000-1100^оС. Найбільш часто продукти горіння використовують для нагрівання проміжних теплоносіїв – через стінку теплообмінників. Недоліки: нерівномірність нагріву, важко регулювати температуру, низькі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки (не більше 60 Вт/м²∙К), забруднення продуктів горіння, жорсткі умови нагріву, що у багатьох випадках неприпустимо, оскільки виникає перегрів. Продукти горіння отримують шляхом спалювання в топках печей рідкого, твердого або газоподібного палива. Іноді в якості нагріваючих агентів використовуються і продукти горіння. Нагрів продуктами горіння відбувається безпосередньо в печах.

Нагрівання високотемпературними теплоносіями здійснюють:

а) нагріванням перегрітою водою використовується при тиску до 225 ат., якому відповідає температура 374^оС. Можливий нагрів металів до 350^оС. Недоліки: високий тиск, що веде до подорожчання установок і вартості експлуатації. Використовують установки з природною і вимушеною циркуляцією. При вимушеній циркуляції =2,0-2,5 м/с;

б) нагріванням мінеральними маслами. Масла є поширеними проміжними теплоносіями. Використовують масла з високою температурою самозапалювання (до 310^оС). Це такі масла, як циліндрові, компресорні та інші. Верхня границя нагрівання маслами не перевищує 250-300^оС. Недоліки: невисокі граничні температури, низькі коефіцієнти тепловіддачі, термічний розклад, забруднення поверхні. Різниця температур між теплоносіями повинна бути не нижче 15-20^оС для забезпечення достатніх теплових навантажень;

в) нагріванням високо киплячими органічними рідинами. До цієї групи відносять гліцерин, етиленгліколь, нафталін та інші. Широко використовується дифенільна суміш. Вона має низькі тиски при високих температурах. Недоліки: як у дифенільної суміші так і інших органічних теплоносіїв – низька теплота пароутворення, але у неї велика густина пари. Застосовується для нагріву до 380-400^оС. При вищих температурах проходить її термічний розклад;

г) нагрівання розплавленими солями. Для нагріву до температур 500-540^оС використовують неорганічні розплавлені солі (нітрат – нітратна суміш). Суміш практично не викликає корозію при температурах нижче 450^оС. Суміш використовують тільки при вимушеній циркуляції. Недоліки: коефіцієнти тепловіддачі нижчі ніж від перегрітої води. Сильний окислювач і недопустимий контакт з речовинами органічного походження;

д) нагріванням ртуттю і рідкими металами. Для нагрівання до температур 400-800^оС використовують ртуть, натрій, калій, свинець і інші легкоплавкі метали. Вони стійкі, мають велику густину, велику теплопровідність і високі коефіцієнти тепловіддачі. Проміжні теплоносії К і Na мають високу хімічну активність, тому необхідно використовувати нержавіючі сплави, вони займаються з швидкістю вибуху. Ртуть єдиний метал, який використовують в паровому стані, причому тиск насичених парів у неї дуже низький (2ат. при 400^оС). Однак пари металічних теплоносіїв дуже отруйні.

Нагрівання електричним струмом. Нагрівання проводять в широкому діапазоні температур, точно підтримується і легко регулюється температура, пристрої прості, компактні і зручні для обслуговування. Недоліки: застосування електричного струму досить дороге. Це зв‘язано з багатоступеневим перетворенням хімічної енергії в електричну. У залежності від методу перетворення електричної енергії в теплову розрізняють нагрівання:

5. в пристроях (печах) опору (омічне нагрівання),

6. індукційне нагрівання,

7. високочастотне нагрівання,

8. нагрівання електричною дугою.

Нагрівання в печах опору. У якості опорів широко застосовують хром-залізо-алюмінієві сплави, які мають високий опір і термічну стійкість. Використовують і дротяні опори, намотані на керамічні сердечники.

Індукційний нагрів електричним струмом базується на використанні теплового ефекту, який обумовлюється вихровими струмами Фуко, які виникають в товщині стінок апаратів. Апарат працює як трансформатор, первинною обмоткою якого служить індукційна котушка, а магнітопроводом і вторинною котушкою - стінки апарату.

Високочастотне нагрівання використовується для матеріалів, які не проводять електричного струму (діелектрики). Молекули, які розміщені в змінному електричному полі, починають коливатися з частотою поля і при цьому поляризуються. Коливна енергія частин затрачається на переборення тертя між молекулами діелектрика і перетворюється в тепло безпосередньо в масі матеріалу (нагрівання пластичних мас, сушіння).

Л-ра: [6], C. 115

3.Процес охолодження.

Природний і штучний холод широко застосовуються в промисловості, торгівлі, на транспорті, в побуті тощо. Наприклад, кондиціювання повітря, охолодження сировини, матеріалів, напівфабрикатів і готової продукції в харчовій, легкій, хімічній та інших галузях народного господарства.

Охолодження — процес віднімання теплоти, який приводить до зниження температури або зміни агрегатного стану фізичного тіла. За технологіями виробництва здебільшого охолоджуючим агентом служить холодна вода, рідше – повітря або інші носії холоду.

Охолодження може бути:

1. природним (найдешевший спосіб);

2. штучним.

Природним способом охолодження здійснюється за допомогою холодної води або повітря. При цьому матеріали можна охолодити тільки до температури навколишнього середовища, а більш низькі температури досягають штучним охолодженням.

Для штучного охолодження використовують такі фізичні процеси, які пов’язані зі зміною агрегатного стану речовини, як її плавлення, сублімація і кипіння. Субліма́ція (лат. sublimo) — перехід речовини із твердого стану в газоподібний, оминаючи рідку фазу.

Для охолодження холодильних камер використовують лід (холодну воду), суміш льоду з сіллю (для температури нижче 0 ºС). Охолодження льодом рідко застосовується, тому що це трудомісткий процес і не дає можливості регулювати температурний режим. Цього недоліку не має машинне охолодження, що базується на властивостях легкокип′ячих зріджених (стиснених) газів (аміаку, фреону, вуглекислоти).

Л-ра: [6], С. 133-134.