3.4.Тепловые процессы

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и другие. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты – теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты – процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газа) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвенцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром).

При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Интенсивность конвективного переноса, теплоты зависит от распределения скорости в потоке жидкости (газа), т.е. от гидродинамической обстановки, которая в свою очередь зависит от многих факторов: формы теплопередающей поверхности, скорости движения, вязкости, плотности среды.

Тепловое излучение – перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике, теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно превалирующее значение имеет какой-нибудь один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или лучеиспусканием) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передачи теплоты нагретом средой стенке (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты к холодной среде от нагретой стенки (теплоотдача).

3.4.1.Процессы нагревания и охлаждения

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах называемых теплообменниками. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, рабочим органом которых является насадка, попеременно омываемая горячим и холодным теплоносителем и смесительные, в которых процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Наиболее распространены рекуперативные теплообменники.

Выбираются теплообменники с учетом многих факторов: количества передаваемой теплоты, физико-химических свойств сред коррозионная активность, возможность выделения отложений и т.п.), удобства ремонта и обслуживания, стоимости и т.д. Но главную роль играет величина теплообменной поверхности, которая определяет размеры теплообменника.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе». В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая – в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективным приемом является применение оребренных теплообменных поверхностей со стороны газа. Типичный пример: радиатор автомобиля, некоторые типы батарей водяного отопления.

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Выбор теплоносителей зависит от технико-экономических показателей, из которых важнейшими являются интервал рабочих температур, теплофизические свойства, коррозионная активность, токсичность и стоимость. Во многих случаях оказывается экономически целесообразным использовать в качестве теплоносителей технологические материальные потоки, т.к. это обеспечивает уменьшение энергозатрат.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар.

Для нагревания до температур более 180-200⁰С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получаемыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, в химической целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

В зависимости от способа преобразования электроэнергии в тепловую применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Для экономии воды на всех предприятиях имеются системы водооборота.

В связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование воздуха как хладагента. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность). Поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем в воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, что увеличивает поверхность теплообмена, распыляют в воздух воду, испарение которой понизит температуру воздуха и увеличит за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (например, 0⁰С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды на его основе непосредственно в охлаждаемую жидкость.