Глава 10. Промышленные способы передачи тепла

Теплообмен широко используется в химической технологии для организации процессов разделения веществ, интенсификации массообменных и химических процессов, а также утилизации тепла. Прямыми источниками тепла могут служить топочные (дымовые) газы, получающиеся в результате сгорания топлива, а также электрическая энергия. Среды, служащие для передачи тепла от этих источников к охлаждающим агентам, носят название промежуточных теплоносителей.

Топочные газы получают, сжигая в топках печей твердое, жидкое или газообразное топливо. При этом тепло промежуточным теплоносителям передается, как правило, через стенки встроенных в печь труб за счет излучения, теплопроводности и конвекции (сложный теплообмен). Существенная доля тепла, передаваемого излучением, объясняется высокой температурой, достигаемой при горении (~1000С). Температуру нагревания топочными газами можно регулировать за счет их частичной рециркуляции, возвращая в печь отработанные газы либо подводя дополнительное количество воздуха.

Подвод тепла электрическим током обеспечивает легкую регулировку температурного режима. Различают следующие способы подвода тепла электрическим током: за счет электрического сопротивления (прямого или косвенного), индукционный, высокочастотный и дуговой.

В случае электрического сопротивления прямого действия тепло выделяется при прохождении электрического тока через среду, помещенную в аппарат. При этом одним из электродов служит корпус аппарата, а другой находится в самой среде. Подвод теплоты за счет электрического сопротивления косвенного действия осуществляется при прохождении электрического тока через специальные нагревательные элементы, от которых тепло передается среде путем излучения, теплопроводности и конвекции.

При индукционном подводе тепла аппарат является сердечником соленоида, по которому пропускают переменный электрический ток. Переменное магнитное поле индуцирует в стенках аппарата индукционные токи, вызывающие нагрев аппарата.

Высокочастотный способ подвода тепла применим к диэлектрикам. Они помещаются в переменное электрическое поле высокой частоты, под действием которого молекулы поляризуются и поворачиваются с высокой частотой. В результате трения между молекулами выделяется теплота. Основным преимуществом данного способа является равномерный прогрев материала, так как выделение теплоты происходит во всем его объеме.

Электродуговой способ подвода тепла осуществляется за счет пламени дуги, возникающей между электродами. Причем одним из электродов может служить сам теплоноситель. Этот способ позволяет достичь высокой температуры (1500 – 3000С), но сложен в регулировании.

10.1. Основные виды теплоносителей

Целесообразность выбора теплоносителя определяется многими факторами: температурными, экономическими, экологическими и т.д. Промышленный теплоноситель должен удовлетворять ряду основных требований: обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи, следовательно, как это вытекает из (9.47), (9.81), (9.93), (9.113), (9.116), (9.132), (9.147), (9.151), обладать высокими значениями коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости, а также низким значением коэффициента кинематической вязкости; предоставлять возможность обходиться малым расходом теплоносителя, то есть, как это следует из уравнений теплового баланса (10.1) – (10.6), обладать высокими значениями плотности, удельной теплоемкости и удельной теплоты парообразования (конденсации). Кроме того, желательно, чтобы теплоноситель был нетоксичным, взрывобезопасным, негорючим, дешевым и доступным, не взаимодействовал с материалом теплообменника. Исходя из вышесказанного, рассмотрим достоинства и недостатки основных промышленных теплоносителей.