2. Образование повышенного или пониженного давления в результате нарушения теплового баланса.

Нарушение теплового баланса происходит в результате изменения соотношения между суммой теплоты прихода (∑Q_i ^пр) и ухода (∑Q_i^ух) в уравнении

∑ Q_i^пр = ∑ Q_i^ух

При этом в аппаратах и трубопроводах изменяется рабочая температура и, как следствие, повышается или понижается давление в результате упругости насыщенных паров и объема веществ при их тепловом нагреве или охлаждении.

Причинами нарушения теплового баланса (изменение левой и правой частей уравнения) могут быть: нарушение режима обогрева или охлаждения аппаратов и трубопроводов, материального баланса обращающихся в технологическом процессе продуктов, изменение температуры окружающего воздуха, плотности теплового потока солнечной радиации и т. п.

Наибольшую опасность представляет случай, когда аппарат с помощью задвижек полностью разобщен с соседними аппаратами и атмосферой окружающего воздуха.

Для количественной оценки опасности повреждения аппарата при нарушении температурного режима необходимо знать избыточное или остаточное давление.

Определение давления для аппаратов с газами (перегретыми парами) и жидкостями осуществляется по-разному.

Для аппаратов с газами существует пропорциональная зависимость между температурой и давлением, которая может быть выражена следующим соотношением:

Р_к = Р_н (Т_к/Т_н), где Р_н и Р_к – начальное и конечное давление в аппарате, Па; Т_н и Т_к – начальная и конечная температура в аппарате, К.

Например. Газовый болон с метаном занесли в отапливаемое помещение и установили рядом с батареей центрального отопления. Через некоторое время газ в баллоне нагрелся до температуры Т_к = 360 К (273+87⁰С) .Требуется определить давление газа Р_к в баллоне и дать оценку опасности его повреждения, если Р_н =15 МПа (150 атм), испытательное (пробное) давление Р_пр =19 МПа (190 атм). Решение. Воспользуемся формулой Р_к = Р_н (Т_к/Т_н). Р_к = 15·360/250=22,5 МПа (225 атм). Из расчета видно, что Р_к=22,5 МПа › Р_пр =19,0 МПа, поэтому повреждение (разрушение) баллона с газом при заданных условиях возможно.

Для аппаратов с жидкостями на практике могут возникнуть два характерных случая в зависимости от степени их заполнения: нормально заполненные и переполненные жидкостью.

Аппараты с нормальным заполнением всегда над зеркалом испарения имеют паровоздушное пространство, т.е. свободный от жидкости объем, который в зависимости от рабочей температуры насыщается парами жидкости.

Давление в таких аппаратах определяется упругостью насыщенных паров находящихся в них жидкостях при данной температуре.

Значение этого давления можно найти по справочнику или определить по формуле Антуана

Р_s = 133,3 ∙10 ^А-В/(Т+С _А), где Р_s – давление насыщенных паров жидкости, Па; Т – температура жидкости, ⁰ С; А, В, С_А – константы уравнения Антуана.

Таким образом, при нарушении температурного режима давление в аппарате Р_к (конечное давление в аппарате) также можно определить по формуле Антуана, в которой Р_к = Р_s, где Р_s – давление насыщенных паров жидкости при температуре Т_к.

Аппараты, переполненные жидкостью, характеризуются тем, что не имеют паровоздушного пространства (свободного объема), жидкость занимает весь их объем. В подобных же условиях эксплуатируется большинство трубопроводов с жидкостями.

Жидкости в таких аппаратах и трубопроводах при нарушении температурного режима изменяют свой первоначальный объем в результате теплового нагрева или охлаждения.

Особую опасность изменения давления представляют случаи, когда аппараты и трубопроводы герметично отключены от другого технологического оборудования.

А так как жидкости практически не сжимаемы, то они почти не изменяют свой первоначальный объем при увеличении или уменьшении давления.

Поэтому нагревание или охлаждение даже на небольшую величину может вызвать заметное увеличение или уменьшение давления и таким образом привести к разрушению аппаратов или трубопроводов. Привести ряд примеров. Клубань, с. 29.