Нагревание и охлаждение

Процессы нагревания и охлаждения в промышленной технологии осуществляются при помощи теплообменников и конденсаторов.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменников:

1) поверхностные, или рекуперативные, в которых теплообменивающие среды разделены теплопроводящей стенкой;

2) смесительные, в которых теплообмен осуществляется при непосредственном контакте смешивающих сред.

В зависимости от конструкции поверхностные теплообменники подразделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и теплообменники с оребренной поверхностью.

Трубчатые теплообменники делятся на следующие типы: кожухотрубные, «труба в трубе», оросительные, змеевиковые (погружные)

1. Кожухотрубный теплообменник (а) -является одним из наиболее распространенных. Представляет собой цилиндр, т. е. кожух (1), внутри которого расположен пучок труб (2). Концы труб закреплены в трубных решетках (3) путем развальцовки или сварки. Между трубными ре­шетками образуется камера (межтрубное пространст­во), в которую поступает греющий пар через шту­цер (4) и выходит через штуцер (5). Нагреваемая жид­кость поступает через штуцер (6) противотоком, прохо­дит внутрь трубок (2), нагревается и выходит через па­трубок (7). Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижными трубными решетками или с од­ной подвижной, а также одноходовыми и многоходо­выми для повышения скорости движения теплоносите­ля в межтрубном пространстве и улучшения условий теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является трудность очистки межтрубного пространст­ва и малодоступность для осмотра и ремонта.

2. Змеевиковый погружной теплообменник (б) – представляет собой цилиндрический сосуд (1), в который по­гружена трубка (2), изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соко­вый пар), другой омывает его снаружи, входя в случае противотока в нижний штуцер (3) и выходя через верхний (4). Для прямотока должно быть обратное направление одного из теплоносителей. При больших размерах цилиндра (1) теплоноситель, омываю­щий змеевик, имеет незначительную скорость движения, что приводит к снижению коэффициента тепло­передачи. Недостатки — громоздкость и трудности внутрен­ней очистки змеевика.

3. Реактор с паровой рубашкой (в)- двойные стенки, или рубашки, широко исполь­зуются для обогрева многих аппаратов (выпарные, реакционные). Рубашка 2 укреплена (приварена) снаружи корпуса 1 аппарата. В об­разовавшееся герметически замкнутое пространство через штуцер 3вводится греющий пар. Через штуцер 4 выводится конденсат. Высота рубашки должна быть не меньше высоты уровня жидкости в аппарате. Обычно рубашки применяются для нагревания паром не более 5 ат. (4,90-10⁴ Н/м²) превышение этого предела приводит к чрезмерному утолщению стенок рубашки и аппарата.

4. Теплообменник типа «труба в трубе» (г) состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим.

Каждый элемент состоит из наружной трубы (1) и концентри­чески расположенной в ней трубы 2. Внутренняя и наружная трубы соединены при помощи сальникового уплотнения или сварки. Внутренние трубы элементов соединены последовательно пере­ходными коленами (калачами) 3. Наружные трубы также соединены последовательно патрубками 4. Среда / движется по внутренним трубам, а среда // - по кольцевым каналам между трубами 1 и 2. Эти теплообменники позволяют осу­ществить высокую интенсивность теплообмена вследствие большой скорости перемещения сред, однако они громоздки и расхо­дуется много металла для их соз­дания. Межтрубное пространство очищается химическим способом.

а б

в г

Конденсацией называется процесс перевода пара в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара. Аппараты, в которых производит­ся сжижение пара, называются конденсаторами.

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, в котором пар охлаждается холодным теплоносителем, например холодной водой, и таким образом сжижается. Конденсация применяется главным обра­зом с целью ускорения процесса выпаривания жидкости, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов. Охлаждение пара может производиться двояко: 1) непосредственным смешением паров с холодной водой и 2) через стенку теплообменника. Конденсаторы, ра­ботающие по первому принципу, называются конденсаторами смеше­ния (рис. а), по второму — поверхностными конденсаторами. В последних кон­денсирующий пар и охлаждающая его вода разделены металлической стенкой. В зависимости от направления движения воды и пара конден­саторы смешения и поверхностные конденсаторы могут быть прямоточ­ными (рис. а), когда вода и пар движутся в одном направлении, и противоточными, когда вода и пар движутся навстречу друг другу.

1. Конденсатор смешения. Принцип работы - введение холодной воды в струю движущего­ся пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном направлении, в противоточных — навстречу друг другу. Эффективность работы - конден­саторов смешения находится в прямой зависимости от поверхности соприкосновения теплоносителей, поэтому холодную воду разбрызгивают при помощи различ­ных устройств. Наибольшая поверхность контакта пара и воды достигается пропусканием воды через ситчатые тарелки, трубы с отверстиями и переливом струй воды через края каскадно-расположенных перфорированных полок, тарелок. Конденсаторы смешения используют при упаривании водных вытяжек. На рис. а изобра­жен прямоточный конденсатор смешения. Соковый пар вводится в верхнюю часть конденсатора через штуцер (1), охлаждающая вода через штуцер (2). Вода пере­текает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Нагретая вода вместе с конденса­том и воздухом удаляется мокровоздушным насосом через патрубок (3).

2. Поверхностная конденсация (б) осуществляется в по­верхностных конденсаторах, которые в конструктив­ном отношении ничем не отличаются от трубчатых или змеевиковых теплообменников. Они служат для улавливания паров ценного экстрагента или раство­рителя, в них всегда используют принцип противотока. Вначале пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования. В пе­риод конденсации темпе­ратура пара неизменна, равна точке кипения, при которой он входит в кон­денсатор. После того как весь пар перейдет в кон­денсат, он охлаждается до заданной температуры. Вследствие конденсации пара в межтрубном прост­ранстве конденсатора соз­дается значительное раз­режение (вакуум).

а б