9) Промышленные способы передачи теплоты
.pdf1.2 Промышленные способы передачи тепла
Проведение многих технологических процессов связано с необходимостью подвода и отвода теплоты. Все тепловые процессы и установки разделяют на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные:
высокотемпературные – 400-2000 0С (огнетехнические процессы, нагревательные печи)
среднетемпературные - 150-700 0С (ректификация, сушка, выпарка)низкотемпературные – -150-150 0С (отопительные, вентиляционные
установки, кондиционеры, холодильные установки)криогенные – Т< -150 0С (разделение воздуха).
Теплообменники (ТО) – аппараты для передачи тепла от одного вещества к другому. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями (ТН).
1.2.1. Подвод теплоты
Для решения этой задачи применяют различные теплоносители. ТН классифицируются по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температуры Т и давления р.
1.По назначению: - греющий ТН;
- охлаждающий ТН, хладоноситель; - промежуточный ТН; - сушильный агент.
2.По агрегатному состоянию:
-однофазные ТН;
-многофазные (двух-) ТН;
Однофазные:
-низкотемпературная плазма;
-газы;
-неконденсирующиеся пары;
-не кипящие и неиспаряющиеся при данном давлении жидкости;
-растворы;
-зернистые материалы.
Много (двух-)фазные:
-кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости;
-конденсирующиеся пары;
-плавящиеся, затвердевающие материалы;
-пены, газовзвеси;
-аэрозоли;
-эмульсии, суспензии и.т.д.
3. По диапазону температур:
-высокотемпературные ТН (дымовые, топочные газы, расплавы солей, жидкие металлы);
-среднетемпературные ТН (водяной пар, вода, воздух);
- низкотемпературные ТН (при атмосферном давлении Т КИП 0о С ); - криогенные(сжиженные газы – кислород, водород, азот, воздух и др.) .
С увеличением давления растет и температура кипения жидкостей.
А в качестве прямых источников тепловой энергии на промышленных предприятиях используют топочные (дымовые) газы и электроэнергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту, в ТО называют промежуточными ТН. Наиболее распространенные промежуточные ТН:
-водяной пар, насыщенный;
-горячая вода;
-перегретая вода;
-органические жидкости и их пары;
-минеральные масла, жидкие металлы.
Требования к ТН:
-большая , ср ;
-высокое значение теплоты парообразования;
-низкая вязкость;
-негорюч, нетоксичен, термостоек;
-дешевизна.
1.2.1.1. Нагревание водяным паром и парами высокотемпературных ТН
Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.
При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты. Насыщенный водяной пар используют при 1,0 1,2 МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 0С. Выше – экономически невыгодно, усложняется аппаратное оформление процесса.
Преимущества насыщенного водяного пара:
-высокий коэффициент теплоотдачи от конденсированного пара к стенке;
-большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара;
-равномерность обогрева ( Т КОНД const );
-возможность регулирования температуры путем изменения давления;
-возможность передачи на большие расстояния. Недостатки насыщенного водяного пара:
-увеличение давления с увеличением температуры (основное).
-постепенное увеличение в системе содержания неконденсированных
газов(N2, O2, CO2, и.т.д.).
При нагревании насыщенным водяным паром различают острый и глухой
пар. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, |
|
|||||||||||||||||||||
глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку. |
|
|
||||||||||||||||||||
Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нагреваемой |
среды |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
жидкость |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
образующимся при конденсации |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пара конденсатом (рис. 1.13). |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нагретая |
Массу |
острого |
пара, |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
пар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
используемого на |
нагревание |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкость |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкости, |
определяют |
из |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уравнения теплового баланса: |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.13. Схема использования острого пара |
DH LcT1 DcH 2oT2 LcT2 |
Q Ï |
t |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.81) |
|
|
Здесь D – масса сухого острого пара, Н – энтальпия пара, L – масса нагреваемой жидкости, с – теплоемкость нагреваемой жидкости, сН 2О - теплоемкость конденсата,
Т1 и Т2 – температура жидкости до и после нагрева, QП – потери тепла в окружающую среду, t – время. Температура конденсата и жидкости одинаковы.
Острый пар применяется редко, наиболее часто применяется глухой пар (рис.
1.14).
продукт
пар
паровая
рубашка
конденсат
слив продукта
Рис.1.14. Схема использования глухого пара
Пар конденсируется на поверхности аппарата, и стекает в воде пленки по поверхности стенки.
Уравнение теплового баланса:
|
|
|
|
|
D H L cT1 |
D cH2OTконд |
L cT2 |
QП |
|
|
|
|
(1.82) |
|
Как видно из (1.82), температура конденсата и температура нагреваемой среды разные.
При нагревании глухим паром в паровом пространстве аппарата может скапливаться содержащийся в нем неконденсирующийся газ ( N2 , O2 , CO2 и др.), что значительно снижает коэффициент теплоотдачи от пара к стенке.
Более высокого уровня температуру (чем для водяного пара) можно получить при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей – ВОТ (рис.1.15).
Как видно из рис.1.15, к нагреваемой системе можно подводить теплоту при температуре дифениловой смеси 258°С при атмосферном давлении.
Рис.1.15 Зависимость температуры насыщения Т°С от давления р для воды и дефиниловой смеси.
1.2.1.2. Нагревание горячими жидкостями
Когда недопустим даже кратковременный перегрев нагреваемой среды, используются промежуточные теплоносители в виде жидкостей. К их числу относят горячую (перегретую) воду, минеральные масла, жидкие ВОТ, расплавы солей и др.
Этот процесс может быть организован с естественной или вынужденной циркуляцией промежуточного теплоносителя (рис.4.16).
ТО |
ТО |
печь |
печь |
|
насос |
а) |
б) |
Рис.4.16.Схемы обогрева с естественной (а) и вынужденной (б) циркуляцией жидких ВОТ.
Жидкий ТН нагревается в печи, например, топочными газами, плотность ТН уменьшается, и возникает естественная конвекция. При этом скорости жидкого ТН невелики, небольшие значения коэффициента теплоотдачи. При вынужденной циркуляции скорость жидкого ТН доходит до 2-2,5 м/с и процесс теплоотдачи более интенсивный.
Рассмотренные выше способы нагревания предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до 1000-1100°С.
Нагревание топочными газами производят в трубчатых печах, облицованных шамотом камерах сгорания, внутри которых размещены нагревательные элементы, состоящие из стальных трубок.
Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать. Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах.
1.2.1.3. Отвод теплоты
Многие процессы промышленной технологии протекают в условиях, когда возникает необходимость отвода теплоты, например, при охлаждении газов, жидкостей или при конденсации паров.
Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами.
Охлаждение водой используют для охлаждения среды до 10-30°С. Речная, прудовая и озерная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25°С, артезианская – 8-12°С, а оборотная (летом) – около 30°С.
Расход охлаждающей воды L H 2O определяют из уравнения теплового баланса:
|
|
|
|
|
|
(1.83) |
|
L H H L H2O H HB L H K |
L H2O H KB |
Q П |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Здесь L |
– расход охлажденного теплоносителя, НН и НК – начальная и конечная |
|||||
энтальпия |
охлаждаемого |
теплоносителя, |
ННВ |
и НКВ – |
начальная и |
конечная |
энтальпия охлаждающей воды, Q П – потери в окружающую среду.
Достижение более низких температур охлаждения можно обеспечить с помощью низкотемпературных жидких хладоагентов.
Охлаждение воздухом.
Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используют в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.
отработанный воздух |
отработанный воздух |
|
|
вентилятор |
горячая |
|
горячая |
вода |
слой |
вода |
|
насадка |
|
атм.воздух |
|
атм.воздух |
|
|
охлажденная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
охлажденная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|||||||||||||||
Рис.1.17. Градирни с естественной (а) и принудительной (б) тягой
Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения, в процессе испарения части потока воды.
1.2.2. Классификация и конструкции теплообменников
Теплообменники |
различаются по назначению, принципу действия, |
|
конструктивным и другим признакам. |
По назначению: |
|
- подогреватели, |
- испарители, - паропреобразователи, |
|
- конденсаторы, |
- холодильники, |
- радиаторы и.т.д. |
По принципу действия:
- поверхностные (рекуперативные, регенеративные)
- контактные (смесительные).
Врекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.
Врегенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева. Сначала поверхность аккумулирует теплоту, а потом отдает и охлаждается.
Требования к теплообменникам:
- возможность проведения технологического процесса; - высокий коэффициент теплопередачи;
-низкое p ;
-устойчивость поверхности теплообмена против коррозии;
-доступность поверхности теплообмена для чистки.
1.2.2.1. Рекуперативные теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники
Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу (I), охлаждаемый (II) – сверху вниз противотоком. Кожухотрубчатые теплообменники – самые распространенные.
|
I |
4 |
|
|
|
|
|
2 |
II |
|
1 |
|
|
3 |
II
5
I
Рис.4.18. Кожухотрубчатый теплообменник. 1-кожух, 2- трубные решетки, 3-трубы, 4- крышка, 5-днище, I,II - теплоносители
Рис. 4.19. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменики
Многоходовые теплообменники применяются для увеличения скорости движения теплоносителя. При этом увеличивается и коэффициент теплопередачи.
II |
II |
I |
I |
Если разность температур труб и кожуха больше 500С, то они удлиняются неодинаково. Тогда возникают большие напряжения в трубных решетках. В таких случаях используются теплообменники с линзовым компенсатором, плавающей головкой, U – образные.
I I I I I
II |
II |
|
|
II |
II |
II |
II |
|
I |
|
|
линзовый компенсатор |
плавающая головка |
U–образный |
Рис.4.21. Кожухотрубчатые теплообменники |
|
|
с компенсацией температурных удлинений. |
|
|
Теплообменники типа «труба в трубе» используются для малых тепловых |
||
нагрузок. |
|
|
Змеевиковые теплообменники: |
|
|
II |
II |
|
I |
I |
|
|
|
|
I |
I |
|
II |
II |
|
а) |
б) |
|
Змеевики внутренние погружены в теплоносители. Бывают наружные змеевиковые теплообменники (до 6МПа). Змеевиковые теплообменники просты по конструкции. Скорости теплоносителей в змеевике небольшие, поэтому коэффициенты теплопередачи небольшие.
Теплообменники с оребренными трубами.
Втехнике имеются случаи, когда коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко отличаются по величине. Например: нагрев воздуха конденсирующим водяным паром.
Вэтом случае оребрение труб со стороны воздуха резко увеличивает поверхность теплообмена. Ребра должны иметь большой коэффициент теплопроводности.
воздух
пар
ребра
труба
Рис.4.23. Элементы теплообменника с оребрениями.
Пластинчатые теплообменники.
Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках является гофрированные параллельные пластины.
I
II 
элемент теплообменника
II
I 
Рис.4.24. Пластинчатый теплообменник
В этих теплообменниках реализуется большие скорости w 1 3 |
м |
. Поэтому |
|
с |
|||
|
|
даже при небольших p реализуются большие коэффициенты теплопередачи.
Спиральные теплообменники.
Спиральные теплообменники в отличие от пластинчатых теплообменников компактны. Однако они сложны в изготовлении, не могут работать при высоких давлениях (свыше 1Мпа).
Рис. 4.25. Спиральный теплообменник
Теплообменники с двойными стенками (рубашками).
холодная среда
пар 
воздух
конденсат
горячая среда
Рис. 4.26. Теплообменик с греющей рубашкой
Теплообменники |
с |
рубашками |
используются обычно |
для |
проведения |
химических реакций. Они |
работают под |
|
избыточным давлением. В зависимости от
технологического |
процесса |
они |
носят |
|
название: |
автоклавов, |
нитраторов, |
||
полимеризаторов, варочных аппаратов и.т.д. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки к содержимому аппарата внутри него устанавливают мешалки (механические, пневматические)