2. Охлаждение

Охлаждение происходит в результате теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами, при этом температура охлаждающей среды (хладагента) должна быть ниже температуры охлаждаемой. В качестве хладагентов обычно используют наиболее распространенные и доступные теплоносители – воду и воздух.

Чаще всего для охлаждения применяют воду, получаемую из природных водоемов или из подземных источников (артезианскую). По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоемкостью, более высоким коэффициентом теплоотдачи и позволяет проводить охлаждение до более низких температур. Вода из водоемов дешевле артезианской, но ее температура выше и подвержена сезонным колебаниям. При расчете промышленных установок обычно применяется наивысшая летняя температура воды, которая в зависимости от местных условий доходит до 25 С. Артезианская вода имеет температуру 4–15 С. Этими температурами определяются возможности использования воды как хладагента; с ее помощью можно охлаждать технологические жидкости примерно до 25–30 С.

Для воды как хладагента важнейшую роль играет количество примесей, поскольку они могут выделяться в теплообменной аппаратуре и ухудшать ее работу. Основные примеси – механические загрязнения и соли жесткости, вызывающие отложение так называемого водяного камня. Растворимость этих солей уменьшается с повышением температуры. Состав и содержание таких солей должны учитываться при определении конечной температуры охлаждающей воды, она не должна превышать 40–50 ^оС на выходе из теплообменника.

С целью экономии воды на промышленных предприятиях имеются системы водооборота. В этих системах вода многократно используется, что дает возможность резко сократить потребление свежей воды и уменьшить стоки. Помимо экономической целесообразности это имеет важное значение для сохранения окружающей среды. Охлаждение оборотной воды производится в градирнях (башнях с насадкой, по которой распределяется стекающая вода) за счет частичного испарения в движущийся противотоком воздух. Количество испаряющейся воды зависит от температуры поступающей в градирню оборотной воды, а также от температуры и относительной влажности воздуха. Обычно испаряется 5–7 % воды, которая в виде пара уходит в атмосферу. Убыль оборотной воды пополняется подачей в систему свежей воды, которая во избежание загрязнения системы водооборота и технологического оборудования предварительно очищается от механических примесей и солей жесткости. Механическая и химическая очистка воды, подаваемой в систему водооборота, является существенным источником материальных затрат.

С возрастанием дефицита воды большое значение приобретает использование воздуха как хладагента. Однако теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплопроводность, теплоемкость и плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Это приводит к увеличению поверхностей теплообмена и, как следствие, к возрастанию металлоемкости оборудования. Для устранения этого недостатка применяют следующие меры:

– повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи;

– оребряют трубы со стороны воздуха, что дает увеличение эффективной поверхности теплообмена;

– распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Принципиальная схема воздушного холодильника приведена на рис. 8.11.

Рисунок 8.11 – Воздушный холодильник: 1 – пучки труб; 2 – жалюзи; 3,6 – коллекторы; 4,5 – штуцеры; 7 – осевой вентилятор; 8 – электродвигатель; 9 – форсунка

Холодильник представляет собой пучок труб 1 с наружным оребрением. Концы труб герметично укреплены в коллекторах 3 и 6. Охлаждаемая среда подается в верхний коллектор через штуцер 4, проходит внутри труб и отводится через штуцер 5. Движение воздуха с большой скоростью вдоль оребренной наружной поверхности труб обеспечивается с помощью осевого вентилятора 7, снабженного электродвигателем 8. В засасываемый вентилятором воздух форсунками 9 распыляется вода. Регулирование процесса осуществляется с помощью жалюзей 2, установленных снаружи. Угол наклона жалюзей регулируется с помощью приводного механизма. Поскольку количество отводимой теплоты пропорционально разности температур, применение атмосферного воздуха в качестве хладагента особенно целесообразно в тех случаях, когда не требуется охлаждения до низкой температуры.

Для получения температур более низких, чем можно достигнуть с помощью воды или воздуха, применяют лед, который вводится непосредственно в охлаждаемую жидкость. При этом лед сначала нагревается жидкостью до 0 С, а затем плавится, отнимая теплоту плавления от охлаждаемой жидкости. Такой метод охлаждения применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой и для которых допускается разбавление.

Количество льда G_л, необходимое для охлаждения, определяется из теплового баланса:

или , (8.19)

где t_н и t_к – начальная и конечная температуры охлаждаемой жидкости; r_п – теплота плавления льда.

Теплота плавления льда с учетом его переохлаждения (обычно на 2–3) принимается равной 335,2 кДж/кг.

Вода, образовавшаяся в результате плавления льда, принимает конечную температуру охлаждаемой жидкости, которая может достигать почти 0 С.

Время охлаждения льдом зависит от условий проведения процесса; оно уменьшается с уменьшением размера кусков льда, вносимого в охлаждаемую жидкость, и с увеличением интенсивности перемешивания жидкости. Точный расчет времени охлаждения льдом затруднителен, поэтому время охлаждения принимают на основании опытных данных.

Для охлаждения до температур ниже 0 С применяют хладагенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей, сжиженные газы или холодильные рассолы. Эти хладагенты получают в специальных холодильных установках, рассматриваемых в разделе «Холодильные процессы».