химический каталог




ТЕПЛООБМЕН

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ТЕПЛООБМЕН, самопроизвольный необратимый перенос теплоты (точнее, энергии в форме теплоты) между телами или участками внутри тела с различные температурой. В соответствии со вторым началом термодинамики теплота переносится в направлении меньшего значения температуры. В общем случае перенос теплоты может вызываться также неоднородностью полей иных физических величин, например градиентом концентраций (так называемой диффузионный термоэффект). ТЕПЛООБМЕН существен во многие процессах нагревания, охлаждения, конденсации, кипения, выпаривания, кристаллизации, плавления и оказывает значительной влияние на массообменные (абсорбция, дистилляция, ректификация, сушка и др.) и химический "процессы.

Движущиеся среды, участвующие в ТЕПЛООБМЕН и интенсифицирующие его, называют теплоносителями (обычно капельные жидкости, газы и пары, реже-сыпучие материалы). Известны два основные способа проведения тепловых процессов: путем теплоотдачи и теплопередачей. Теплоотдача-Т. между поверхностью раздела фаз (чаще твердой поверхностью) и теплоносителем. Теплопередача-Т. между двумя теплоносителями или иными средами через разделяющую их твердую стенку либо межфазную поверхность.

Механизмы переноса теплоты. Различают три разных механизма распространения теплоты: теплопроводность, конвективный и лучистый перенос.

Теплопроводность-перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействие микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.). В чистом виде теплопроводность может встречаться в твердых телах, не имеющих внутр. пор и в неподвижных слоях жидкостей, газов или паров. Кол-во переносимой теплопроводностью энергии, определяемое как плотность теплового потока qт[Вт/(м2 • К) ], пропорционально градиенту температуры (закон Фурье):

qт= -lgrad T,

где l-коэффициент теплопроводности вещества, характеризующий его способность проводить теплоту, Вт/(м•К); знак минус указывает направление переноса теплоты в сторону снижения температуры.

Закон Фурье получен в рамках модели идеального газа, при этом для газов и паров l пропорционален длине свободный пробега молекул и средней скорости их теплового движения. Для жидкостей и твердых тел указанный закон является феноменологическим, а значения l находятся экспериментально. Наим. l имеют газы и пары [0,01-0,15 Вт/(м•К)], наиб, l-металлы (10-500); теплоизоляц. материалы и жидкости-0,03-3. С повышением температуры теплопроводность жидкостей, за исключением воды, уменьшается, а для всех др. тел увеличивается.

Конвективный перенос теплоты-перенос физических теплоты перемещающихся нагретых жидкостей, газов, паров или их смесей, а также дисперсных сыпучих материалов. В наиболее распространенном случае, когда существен лишь перенос внутр. энергии, а переносом механические и потенциальных видов энергии можно пренебречь, плотность теплового потока за счет конвективного переноса составляет:

qт= wrCT,

где w- вектор скорости текучей среды; r, С, Т-плотность, теплоемкость и температура среды.

В большинстве случаев значения w, r, С и Т потоков теплоносителей таковы, что в направлении движения конвективный перенос преобладает над теплопроводностью. Однако при малых скоростях течения высокотеплопроводных жидкостей (расплавов металлов) может наблюдаться обратное соотношение. По мере приближения к твердой поверхности, где скорость вязких жидкостей стремится к нулю, qт и qк также становятся сравнимы по величинам. При ламинарном режиме течения в направлении, поперечном движению, конвективный перенос отсутствует. Турбулентному режиму течения свойствен специфический вид переноса теплоты, физически отвечающий конвективному, а по форме записи -теплопроводности:

qтб = -lтбgrad T,

где lтб-коэффициент турбулентной теплопроводности потока, пропорциональный средним значениям длины свободный пробега и скорости пульсац. перемещения турбулентно-пульсирующих объемчиков среды. При развитой турбулентности обычно lтбl и соответственно qтбqт; исключение составляют зоны потока, прилегающие к твердой поверхности, где турбулентность затухает и интенсивность турбулентного переноса уменьшается. В отличие от l величина lтб не является теплофизических свойством вещества, а зависит от характера турбулентности.

Лучистый перенос теплоты (радиационный ТЕПЛООБМЕН, ТЕПЛООБМЕН излучением)-совокупные процессы излучения электромагн. волн поверхностями твердых или жидких тел, либо объемами газов и паров, распространения этого излучения в пространство между телами и его поглощения поверхностями или объемами др. тел. Практически для лучистого ТЕПЛООБМЕН наиболее важен инфракрасный диапазон спектра (длины волн 0,8-40 мкм).

Интенсивность I монохроматич. лучистого потока в среде, способной излучать и частично поглощать электромагн. колебания, для единицы телесного (пространственного) угла имеет вид:


где I0-интенсивность лучистого потока, входящего в рассматриваемый объем по направлению l; В-собственное удельная излучение среды; k и x-удельная коэффициенты ослабления и собств. излучения вещества, отнесенные к единице расстояния в направлении l; s- расстояние от места входа лучистого потока до рассматриваемой произвольной точки. Первое слагаемое для I учитывает поглощение входящего внешний излучения I0, а второе-поглощение собств. излучения среды. Полное значение плотности лучистого потока, поступающего в данную точку пространства по всем направлениям и по всему диапазону частот, определяется интегрированием выражения для I по пространств. углу W в пределах 0-4 p и по частотам от 0 до , с учетом зависимостей коэффициентов k и к от частоты излучения w (здесь и далее, например, для координаты х):


и т.д. Общий вектор лучистого потока qp определяется суммой его проекций на координатные оси.

В отличие от локальных законов переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией закон лучистого переноса имеет интегральный характер. Кроме того, ТЕПЛООБМЕН излучением может происходить без наличия вещества среды ( в вакууме).

Уравнение распространения энергии. Основа анализа процессов ТЕПЛООБМЕН-закон сохранения энергии, согласно которому скорость изменения количества теплоты в произвольной точке в момент времени т равна разности между входящими в точку и выходящими из нее количествами Теплоты с добавлением возможного источника теплоты qV:


Внутр. тепловыделение м. б. обусловлено химический реакцией, фазовыми переходами, прохождением электрич. тока, работой против сил вязкого трения в потоке; при наличии турбулентного переноса под знак дивергенции div добавляется qтб.

В соответствии с конкретной задачей уравение (1) дополняется условиями однозначности. Начальные условия обычно фигурируют как известное распределение искомого температурного поля в начальный момент времени т: T|т=0 = = Т(х, y, z). Условиями на к.-л. границе х рассматривав мого объема тела (чаще всего на внешний границе или в центре) может быть известные значения температуры или производной от нее а также условия конвективной теплоотдачи от (к) наружной поверхности объема:

где a-коэффициент теплоотдачи, определяющий интенсивность ТЕПЛООБМЕН между твердой поверхностью и текучей средой (теплоносителем) с температурой tтп. Наконец, еще один вид условий реализуется на границе контакта двух сред, где должны быть одинаковы их температуры и потоки теплоты:


Теплопроводность в твердых телах. Различают теплопроводность в стационарных и нестационарных условиях.

Стационарная теплопроводность. Во внутр. точках температура тела во времени не изменяется, но является функцией пространств. координат. В отсутствие конвективного и лучистого ТЕПЛООБМЕН внутри тела при l = const и 9Т=0 уравение (1) принимает вид:


где-оператор Лапласа.

Решения уравения (3) наиболее просты для одномерных задач. Так, для симметричной задачи при равномерном тепловыделении в теле плоской формы распределение температуры в поперечном направлении оказывается параболическим:


где R-полутолщина плоской стенки.

При qV = О распределение температуры поперек плоской стенки описывается линейной зависимостью:


где tтп1, tтп2 и a1, a2 -температуры сред и коэффициент теплоотдачи по обе стороны стенки; l и d-коэффициент теплопроводности и толщина стенки; l/a1 и 1/a2-так называемой термодинамически сопротивления переносу теплоты со стороны одной и другой сред; d/l-термодинамически сопротивление стенки. Плотность теплового потока через стенку:


Знаменатели в уравениях (5) и (6) определяют общее термодинамически сопротивление ТЕПЛООБМЕН

Для цилиндрич. и сферич. стенок распределение температуры подчиняется соответственно логарифмич. и гиперболич. законам. Получены решения для тел иных форм, встречающихся в пром. практике. Найдены некоторые решения для случаев l = var, например для плотности теплового потока поперек плоской стенки:


где ТF1 и TF2-температуры поверхностей F стенки; среднее значение коэффициент теплопроводности


Более сложные задачи стационарной теплопроводности, в т.ч. для неодномерных тел, может быть решены численными методами.

Нестационарная теплопроводность связана с определением скоростей изменения температурных профилей внутри нагреваемых (охлаждаемых) тел. При постоянстве коэффициент температуропроводности а = l/(Cr) (м2/с), опреде ляющего теплоинерционные свойства вещества по отношению к скорости изменения в нем температурного поля, уравение для нахождения нестационарных профилей температуры тел, внутри которых отсутствуют конвективный и лучистый ТЕПЛООБМЕН, имеет вид:


При qV = const в условиях, например, симметричной конвективной теплоотдачи (см. ниже) от тела шаровой формы решением уравения (8) является выражение:


где xi-корни трансцендентного уравения; tgx = x|(1 - Bi); Bi = aR/l-число Био (см. Подобия теория); Ро = qVR2/ /[l(tтп — Т0)]; Т0-равномерная начальная температура тела радиусом R; т и r-текущее время процесса и радиус внутр. шара. Средняя по его объему температура вычисляется интегрированием:


Стационарное распределение температуры получается из решения (9) при т : ,. При qV = 0 из уравения (9) следует решение задачи о нагреве (охлаждении) шара без внутр. источника (стока) теплоты.

Известны многочисленные решения задач нестационарной теплопроводности для тел различные формы при переменных внешний условиях, с продвижением границы фазового перехода и т. д. Если аналит. методы не приводят к результату, используют численные расчеты, в которых может быть учтены переменные тепло-физических свойства веществ; однако численные решения не обладают общностью и компактностью аналит. методов.

Конвективная теплоотдача (конвективный ТЕПЛООБМЕН). Согласно основные уравению конвективной теплоотдачи, плотность теплового потока между стенкой и основные массой теплоносителя записывается в виде: q = a (TF — tm). По физических смыслу a-величина, обратная термодинамически сопротивлению теплоотдачи, и сложным образом зависит от гидродинамич. обстановки вблизи стенки, размеров и формы ее поверхности, теплофизических свойств теплоносителя и т.п. Значит. доля исследований в области ТЕПЛООБМЕН посвящена определению a для различные случаев теплоотдачи. При этом широко используют безразмерную запись a в форме критерия (числа) Нуссельта: Nu = a//lгп, где l-характерный размер для потока теплоносителя и lгп-коэффициент его теплопроводности.

Различают теплоотдачу: при вынужденном движении теплоносителя с известной или легко вычисляемой скоростью; при естественной (свободной) конвекции, происходящей за счет разности плотностей нагретых и холодных слоев теплоносителя в поле силы тяжести, когда скорость движения теплоносителя является функцией процесса; при конденсации паров на охлаждаемой поверхности и при кипении жидкого теплоносителя на обогреваемой поверхности.

Теоретич. анализ конвективной теплоотдачи затруднителен вследствие необходимости совместного решения диф-ференц. уравений гидродинамики и ТЕПЛООБМЕН; исключение составляет лишь ограниченное число приближенных аналнт. решений для некоторых простых течений. Основа получения данных об интенсивности теплоотдачи-эксперим. исследования. Их результаты обычно представляют в обобщенных переменных, имеющих смысл критериев подобия. Структура отдельных критериев, их физических сущность и необходимый набор определяются методами теории подобия из уравений, описывающих конкретный вид теплоотдачи.

Для ламинарного потока внутри труб, т.е. закрытых каналов (число Re < 2,3•103), критериальная зависимость может иметь вид:


где Nii = a"dэкв/lтп; Re = wdэкв/v; Pr=v/а и PrF = (v/a)F-число Прандтля при средней температуре потока и температуре поверхности TF; Gr = gdэквbDt/v2 - число Грасгофа, учитывающее влияние естеств. конвекции; w- скорость вынужденного движения; v, b-коэффициент кинематич. вязкости и объем термодинамически расширения теплоносителя; Dt = TF — tтп; a"-коэффициент теплоотдачи, усред-ненный по всей поверхности канала длиной L и эквивалентным диаметром dэкв = 4П/S; П и S-периметр и поперечное сечение канала; hl-коэффициент, учитывающий влияние входного, нестабилизир. участка канала (при L/dэкв > 50 коэффициент hl ! 1, при L/dэкв<50 коэффициент hl возрастает до 1,9); g-ускорение свободного падения. Точность корреляц. соотношений типа (10) обычно не превышает b 15%, что свидетельствует о трудностях учета всех факторов, влияющих на теплоотдачу.

Для широко распространенных случаев турбулентного режима течения теплоносителей (Re > 104) можно использовать аппроксимацию:

Nu = 0,021Re0,8Pr0,43(Pr/PrF)0,25hl,

в которой пренебрегают влиянием естеств. конвекции.

При конденсации насыщ. пара интенсивность теплоотдачи зависит от толщины и теплопроводности пленки конденсата, стекающего по охлаждаемой поверхности под действием силы тяжести. Для ламинарного режима движения конденсата справедливо соотношение:

Nu= 1,13 (Ga Pr K)0,25,

где Ga = gL3Dr/(rv2)-число Галилея; К = rк/(СкDt)-критерий фазового превращения; L-вертикальный размер поверхности; Dr- разность плотностей конденсата и пара; rк-удельная теплота конденсации; Ск- теплоемкость конденсата; Dt-разность температур насыщ. пара и теплообменной поверхности.

При чисто естеств. конвекции из критериальных соотношений для Nu исключается число Re, в которое входит скорость w:

Nu = A(GrPr)n,

где корреляц. коэффициент А и n = от 1/8 до 1/3 зависят от диапазона изменения GrPr.

Кипение жидкостей сопровождается образованием на поверхности ТЕПЛООБМЕН большого числа паровых пузырей, их последующей ростом, отрывом и вертикальным всплыванием через слой кипящей жидкости; это интенсифицирует теплоотдачу, если пузыри не успевают сливаться около поверхности в сплошную паровую пленку. На практике в пленочном режиме не работают, т. к. при этом значения a уменьшаются в 20-30 раз по сравнению с развитым пузырьковым режимом кипения; для последнего имеются корреляц. соотношения, которые учитывают различные факторы, определяющие интенсивность теплоотдачи. Такие соотношения показывают влияние на a значений q от греющей стенки и давления р; от физических свойств жидкости и ее паров зависит коэффициент А в степенной аппроксимации вида:

a=Apmqn,

где для воды и некоторых др. жидкостей m = 0,4 и n = 0,7.

Лучистый ТЕПЛООБМЕН становится сравнимым (по величине) с конвективным и теплопроводностью обычно при температурах выше 600-650 °С. Пов-сти твердых и жидких тел обладают непрерывными спектрами излучения во всем диапазоне длин волн; газы и пары излучают всем объемом отдельные полосы спектра разной ширины.

Согласно закону Стефана -Больцмана, полная лучеиспускательная способность черного тела (поглощает все падающее на него излучение), или интегральный лучистый поток от него (Вт/м2), пропорционален четвертой степени абс. температуры тела:

E0=5,67•10-8 T4.

Серое тело излучает (и поглощает) в e раз меньшее количество лучистой энергии, при этом e = 0-1, называют степенью черноты тела, различна для конкретных материалов.

Излучение элемента поверхности по направлению нормали Еn в p раз меньше излучения, передаваемого поверхностью во всю видимую полусферу: E0 = pEn. Пов-сть тела излучает в пространство как собственное (e E0), так и отраженное ею излучение: E = eE0 + Еотр.

Осн. сложность расчета лучистого ТЕПЛООБМЕН состоит в необходимости учета взаимного расположения всех излучающих, поглощающих и отражающих поверхностей. Для наиболее простого случая двух параллельных, бесконечно протяженных поверхностей результирующий удельная лучистый поток между ними составляет (Вт/м2):


где e1, e2 и T1, Т2-коэффициент черноты и абс. температуры поверхностей. При произвольном расположении в пространстве двух поверхностей F1 и F2 лучистый поток между ними имеет вид (Вт):


где f1, f2-углы между нормалями к поверхностям и линией, соединяющей центры поверхностей; r-расстояние между элементарными участками поверхностей (рис. 1).

Т. в химико-технологических процессах часто определяет основные характеристики работы аппаратуры. Так, температурная зависимость константы скорости k химический реакции (см. Аррениуса уравнение): k = = k0 exp(— Ea/RT), где k0 - предэкспо-ненциальный множитель, Еa- энергия активации реакции, Т-абс. температура, R-газовая постоянная, определяет существ. влияние ТЕПЛООБМЕН на устанавливающуюся в ходе технол. процесса температуру и, следовательно, на степень завершенности реакции.

Рис. 1. Лучистый теплообмен между произвольно расположенными поверхностями.

При работе пром. реакторов химических стационарный процесс ТЕПЛООБМЕН может протекать в ряде случаев только при некоторых определенных температурах. Например, для реактора непрерывного действия с интенсивным перемешиванием реакционное массы и внешний отводом теплоты, в котором происходит необратимая экзотермичес кая реакция первого порядка по концентрации с основные компонента, уравение теплового баланса имеет вид:


Левая часть соотношения (11) соответствует теплоте, поступающей в реактор с массовым потоком М1 исходных компонентов (M1 С1 T1) и тепловыделению в результате реакции (h-удельная теплота реакции, V-объем аппарата). В правой части уравения (11) первое слагаемое-теплота, отводимая с продуктами реакции (М2 С2 Т2), и теплота, передаваемая через теплообменную поверхность F хладагенту с температурой Tx. Коэф. теплопередачи К [Вт/(м2 • К)] представляет собой величину, обратную термодинамически сопротивлению пути, по которому теплота отводится через поверхность F; значения К зависят от толщины (d) и теплопроводности (l) стенки и от коэффициент теплоотдачи от реакционное массы к теплообменной поверхности (a1) и от нее к хладагенту (a2):


Коэф. a1 и a2 рассчитывают по критериальным соотношениям конвективного ТЕПЛООБМЕН Концентрацию с в зоне реакции определяют из материального баланса по основные компоненту:


где c1-концентрация на входе в аппарат.

Решение системы трансцендентных уравений (11)-(13) относительно температуры Т реакционное массы показывает наличие трех возможных режимов: низко-, высокотемпературного и промежуточного. При первых двух режимах процесс может быть стационарным, причем во втором случае скорость реакции и степень химический превращения будут высокими. При промежуточном значении температуры процесс неустойчив и самопроизвольно переходит в область устойчивых температурных режимов. После нахождения T по уравению (13) определяют с.

Аналогично анализируют иные варианты работы реакторов [реакции порядка выше первого, эндотермические, адиабатические (К = 0), изотермические (К : ,), вытеснения и др. аппараты]. В наиболее сложных случаях для анализа вариантов используют вычислит. технику.

Перемешивание жидких сред с помощью механические мешалок применяют для выравнивания температур и концентраций в объеме реакционное массы и для интенсификации ТЕПЛООБМЕН со стенками аппаратов. Опытные данные о средних коэффициент теплоотдачи представляют в виде:


где число Рейнольдса для перемешивания Reп = nd2 r/m; n и d-частота вращения и диаметр мешалки; m и mF-коэффициент динамич. вязкости перемешиваемой среды при температурах среды и поверхности ТЕПЛООБМЕН; Г1, Г2, ... -геометрическая симплексы, включающие основные размеры аппарата и перемешивающего устройства: В, а1, а2, ...-параметры, которые зависят от типов мешалки и аппарата. Для пленочных аппаратов интенсивность ТЕПЛООБМЕН между стекающей турбулентной пленкой жидкости и теплообменной поверхностью определяется корреляц. соотношением:

(a/l)(v2/g)1/3 = 0,047 Re0,23 Рr1/3,

где Re = 4Г/v; G- объемная плотность орошения на единицу ширины поверхности [м3/(м•с)]; v-кинематич. вязкость жидкости; для иных условий и режимов течения пленок коэффициент и показатели степеней уравения может быть другими.

В ряде процессов, например каталитических в неподвижном слое дисперсного катализатора, важную роль играет интенсивность отвода (подвода) теплоты химический превращения от внутр. участков слоя к его периферии, теплоотвода от слоя к теплообменной поверхности реактора и ТЕПЛООБМЕН между фильтрующимися через слой потоком реагентов и поверхностью частиц. При незначительной скорости фильтрации коэффициенты эффективной (реальной) продольной и поперечной теплопроводности слоя lэ приблизительно одинаковы. По мере увеличения скорости фильтрации сплошной фазы теплопроводность в направлении движения возрастает значительно быстрее и может превысить lэ в поперечном направлении в несколько раз. Значения lэ находят опытным путем, как и коэффициент теплоотдачи от всей массы слоя к теплообменным поверхностям (стенкам аппарата). Интенсивность межфазного ТЕПЛООБМЕН в неподвижном слое может быть определена по соотношениям типа (10) с другими значениями коэффициентов. Аналогичные процессы ТЕПЛООБМЕН происходят в аппаратах с движущимися слоями материалов, предназначенных для непрерывного контакта фильтрующегося потока с дисперсным материалом.

Некоторые химический-технол. процессы (нагревание, прокаливание, сушка, кристаллизация, растворение) осуществляются в потоке сплошной фазы (газ, пар или капельная жидкость), несущем с собой мелкие твердые частицы. Относит. ско рость фаз в вертикальных аппаратах, в которых проводятся указанные процессы, может существенно изменяться (от скорости сплошной фазы до скорости осаждения частиц). В таких условиях коэффициент межфазного ТЕПЛООБМЕН можно определить, например, по соотношению:

Nu = 0,0061 Re08 ств-0,43,

где ств - объемная концентрация твердой фазы, а в критерий Re входит относит. скорость сплошного потока и частиц, рассчитываемая по уравениям гидродинамики.

В условиях псевдоожиженного слоя (см. Псевдоожижение) внутр. эффективная теплопроводность слоя значительна, что приводит практически к изотермичности его объема. Макс. значение коэффициент теплоотдачи aм от слоя к погруженной в него поверхности (или к стенке аппарата) может быть вычислено из равенства:

Nuм = 0,85 Аr0,19 + 0,006 Аr0,5 Рr1/3,

в котором Nuм = aмd/lпс; Аr = gd3(rr - rпс )/(mr v2); d и рr-диаметр и плотность частиц; rпс и lпс - плотность и теплопроводность псевдоожижающего агента. Интенсивность межфазного ТЕПЛООБМЕН может быть найдена из выражений:

Nu = 0,016(Re/x)1/3 Рr1/3 для Re/x < 200, Nu = 0,40(Re/x)2/3 Рr1/3 для Re/x > 200,

где x-порозность, или доля свободный объема, слоя; в выражение для числа Re входит скорость потока в расчете на полное сечение аппарата. Определение температур дисперсной и сплошной фаз должно базироваться на дифференц. уравениях тепловых балансов обеих фаз и уравениях гидродинамики с использованием приведенных корреляций для а.

Промышленные тепло- и хладоносители. Наиб. дешевыми и высокотемпературными (до 1000°С и выше) теплоносителями являются топочные газы-продукты окисления органическое топлив атм. воздухом; их недостатки: малые а, большой удельная объем, загрязнение теплообменных поверхностей продуктами неполного сгорания топлив. Компактным, энергоемким теплоносителем служит водяной пар (чаще в насыщ. состоянии), обладающий при конденсации высоким a и позволяющий осуществлять нагревание до 150-170°С; его недостаток-значительной возрастание давления с ростом температуры, что требует повыш. механические прочности аппаратуры. Горячая вода, используемая для нагревания обычно до 100 °С, как теплоноситель существенно уступает водяному пару по энергоемкости, но не требует применения парогенератора. Нагревание до более высоких температур без значительной повышения давления можно осуществлять с помощью жидких (или парообразных с конденсацией) теплоносителей, имеющих низкое давление паров: дифенильная смесь, или даутерм (содержит по массе 26,5% дифенила и 73,5% дифенилокси-да),-до 360°С; минеральные масла-до 250-280°С при атм. давлении; расплавы солей, например тройная нитрит-нитратная смесь (40% NaNO2, 7% NaNO3, 53% КNО3),-до 500-530°С; кремнийорганическое жидкости (главным образом ароматические эфиры ортокремниевой кислоты)-до 300 °С. Достоинства электрич. нагрева: компактность и простота устройств, удобство регулирования температуры, возможность достижения высоких температур (до 3000 °С при использовании электрич. дуги); недостаток - относительно высокая стоимость.

В качестве охлаждающих сред применяют воду и атм. воздух. При воздушном охлаждении необходимы большие поверхности ТЕПЛООБМЕН и значительной расход воздуха. Для охлаждения до температуры ниже 15-20°С используют водные растворы солей (NaCl или СаСl2), предварительно охлаждаемые в холодильных установках до — 70 °С. Для охлаждения до температуры порядка — 180 °С применяют сжиженный воздух (подробнее см. Холодильные процессы).

Теплообменные аппараты, или теплообменники, предназначены для передачи теплоты от одних теплоносителей к другим и подразделяются на рекуперативные, смесительные и регенеративные.

Устройство теплообменников. В рекуперативных аппаратах, наиболее распространенных в химический технологии, теплоносители проходят по различные объемам, разделенным твердой (обычно металлической) стенкой, через к-рую происходит ТЕПЛООБМЕН В смесит. аппаратах оба теплоносителя одновременно поступают в один объем и обмениваются теплотой непосредственно через поверхность раздела фаз. В регенеративных аппаратах в единств. рабочий объем сначала поступает горячий теплоноситель, нагревающий массу твердого материала (кирпичную кладку или массу металла), а затем в тот же объем подается нагреваемая среда, которая воспринимает теплоту от нагретого материала.

В зависимости от технол. назначения различают теплообменники: а) нагреватели (охладители), в которых теплоносители не изменяют фазового состояния; б) испарители (кипятильники) и конденсаторы, предназначенные для изменения фазового состояния теплоносителей; в) для осуществления одновременно ТЕПЛООБМЕН и химический-технол. процесса (выпарные аппараты, кристаллизаторы, химические реакторы и др.). Кроме того, теплообменники классифицируют: по относительному направлению движения теплоносителей-прямо- и противоточные, смешанного тока (движутся взаимно перпендикулярно), перекрестного тока с частичным прямо- и противотоком; по характеру работы во времени-с установившимся и неустановившимся тепловыми режимами.

Среди рекуперативных теплообменников различают аппараты с теплообменной поверхностью: а) из прямых, витых, гладких или сребренных труб, заключенных в общий кожух (кожухотрубные аппараты); б) в виде прямых труб, орошаемых снаружи жидким теплоносителем, обычно водой (оросительные аппараты), или из труб в форме змеевиков, погружаемых в жидкий теплоноситель; в) из листовых материалов (с рубашкой на наружном корпусе аппарата, пластинчатые, пластинчато-ребристые, спиральные теплообменники); г) из неметаллов (из полимерных материалов или графита, эмалированные аппараты и др.).

В кожухотрубных теплообменниках (рис. 2) ТЕПЛООБМЕН интенсифицируется увеличением скорости теплоносителей путем установки в межтрубном пространстве поперечных перегородок и создания несколько ходов для теплоносителя, движущегося по внутритрубному пространству. Число труб достигает 3800, поверхность ТЕПЛООБМЕН-1800 м , избыточное давление-4 МПа.


Рис. 2. Кожухотрубные одпоходовый (а) и четырехходовый (б)теплообменники: I, II-теплоносители; 1-корпус (кожух); 2-трубные решетки; 3-теплообменные трубы; 4-крышки (распределит. камеры); 5, 6-перегородки соответственно во внутриутробном и межтрубном пространстве.

В оросительных теплообменниках не предусмотрено отдельное рабочее пространство для охлаждающей жидкости и она стекает по теплообменной поверхности в виде пленки, что обеспечивает интенсивный ТЕПЛООБМЕН

Вследствие малых значений теплоемкости и теплопроводности газов и перегретых паров интенсивность теплоотдачи между ними и теплообменными поверхностями незначительна, что компенсируют установкой на них ребер. Пов-сть ТЕПЛООБМЕН аппаратов воздушного охлаждения с оребрением достигает 2300 м2.

В пластинчатых аппаратах (рис. 3) теплообменная поверхность состоит из металлич. листов, в зазорах между к-рыми проходят теплоносители. Преимущества теплообменников этого типа перед трубчатыми: малая металлоемкость, компактность, высокая интенсивность ТЕПЛООБМЕН, простота инженерного оформления различные схем движения теплоносителей; основные недостаток-сложность герметизации отдельных элементов. Разборные конструкции пластинчатых теплообменников эксплуатируют при давлении до 2,5 МПа, сварные-до 3 МПа и температуре до 400 °С.


Рис. 3. Пластинчатые теплообменники (типы пакетов пластин): I, II-теплоносители (а-противоток, б-перекрестный ток).

Теплообменники с неметаллич. поверхностями обладают химический стойкостью к агрессивным теплоносителям, однако термодинамически сопротивление этих аппаратов выше, а механические прочность ниже, чем у металлич. теплообменников.

Смесительные теплообменники (рис. 4) используют как конденсаторы водяного пара (см., например, Выпаривание) или охладители воздуха путем смешения их с распиливаемой холодной водой.

Регенеративные теплообменники (рис. 5) имеют меньший рабочий объем, чем рекуперативные, что существенно при ТЕПЛООБМЕН между газовыми потоками. Эти аппараты применяют в циклический процессах с пе-риодич. источником горячих газов, где необходим периодической нагрев холодной среды (например, коксохимический производство).

Расчеты теплообменников производят с целью определения: поверхности F, необходимой для передачи заданного количества теплоты Q при известной разности температур теплоносителей (проектный вариант расчета); конечной температуры нагреваемого (охлаждаемого) теплоносителя или переданного количества теплоты при известной теплообменной поверхности (поверочный расчет).

Рис. 4. Конденсатор смешения: 1-пар; II-холодная вода; III-неконденсирующиеся газы; IV-вода и кон денсат; 1, 2-сегментные полки.


Рис. 5. Регенеративные теплообменники с неподвижной насадкой: I, II - теплоносители; 1, 2-кирпичная кладка камер; 3, 4 и 5, 6-соответственно входные и выходные патрубки.

Основу расчета теплообменников составляет уравение теплопередачи: Q = KFDtcp, в котором Dt1 = (Dt1 — — Dt2)/[ln(Dt1/Dt2)] —средняя разность температур Dt1 и Dt2 теплоносителей на концах аппарата; коэффициент теплопередачи К определяется по формуле (12).

Проектный расчет теплообменников обычно показывает возможность использования несколько вариантов стандартных аппаратов, которые обеспечивают заданные параметры теплоносителей. Выбор единств. теплообменника из числа возможных осуществляют на основе минимума суммы капитальных и эксплуатационных затрат, при этом определение стоимости эксплуатации связано с вычислением гидравлич. сопротивления, оказываемого теплообменником потокам теплоносителей.

Перспективы исследования теплообмеиных процессов. Совр. тенденции при изучении ТЕПЛООБМЕН заключаются в дальнейшем уточнении и обобщении данных об интенсивности переноса теплоты для различные химический-технол. процессов, в использовании вычислит. техники при расчетах ТЕПЛООБМЕН и выборе экономически оптимальных теплообменников. Кроме того, совершенствуется техника ТЕПЛООБМЕН путем создания новой, высокоэффективной и надежной теплообменной аппаратуры, которая позволяет более полно использовать энергетич. ресурсы и уменьшить тепловое загрязнение окружающей среды.

Литература: Лыков А. В., Теория теплопроводности, М., 1967; Маньковс-кий О.Н., Толчинский А. Р., Александров М. В., Теплообменная аппаратура химических производств. Инженерные методы расчета, Л., 1976; Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, 4 изд., М., 1981; Романков П. Г., Фролов В. Ф., Теплообменные процессы химической технологии, Л., 1982; Себиси ТЕПЛООБМЕН, Брэдшоу П., Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы, пер. с англ., М., 1987; Kirk-Othmer encyclopedia, 3 ed., v. 12, N. Y., 1980, r. 129-202. В. F. Фролов.


Химическая энциклопедия. Том 4 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
коттеджные поселки на новой риге эконом класса от 50 км
концерт мэрилин мэнсона
Компания Ренессанс лестница на второй этаж готовая - качественно, оперативно, надежно!
zwilling кастрюли цены

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(28.04.2017)