Документ: 9) Промышленные способы передачи теплоты, страницы 1-5

1.2 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.

Материал: 9) Промышленные способы передачи теплоты

Смотрите также: