Нагрівання, охолодження, конденсація

Загальні поняття та визначення

У хімічній промисловості широко поширені теплові процеси - нагрівання й охолодження рідин, газів і конденсація пари, що проводяться в теплообмінниках, про які ми почали говорити у минулому семестрі.

Речовини, що беруть участь в процесі передачі тепла, називають теплоносіями. Теплоносії, що мають більш високу температуру, ніж середовище, що нагрівається, і віддають тепло, прийнято називати гріючими агентами, а теплоносії з більш низькою температурою, ніж середовище, від якого вони сприймають тепло, - охолоджуючими агентами.

Як прямі джерела тепла в хімічній технології використовують головним чином димові гази, що представляють собою газоподібні продукти горіння палива, і електричну енергію. Речовини, що одержують тепло від цих джерел і що віддають його через стінку теплообмінника середовищу, що нагрівається, звуться проміжними теплоносіями. До числа розповсюджених проміжних теплоносіїв (нагріваючих агентів) відносяться водяна пара і гаряча вода, а також так звані високотемпературні теплоносії - перегріта вода, мінеральні олії, органічні рідини, розплавлені солі, рідкі метали і їх сплави. 

Як охолодні агенти для охолодження до звичайних температур (10 ¸ 30°С) застосовують в основному воду і повітря.

Вибір теплоносіїв залежить у першу чергу від необхідної температури нагрівання чи охолодження і необхідності її регулювання. Крім того, промисловий теплоносій повинний забезпечити досить високу інтенсивність теплообміну при невеликих масових і об'ємних витратах. Бажано також, щоб теплоносій був нетоксичний, термічно стійким, не робив руйнуючого впливу на матеріал теплообмінника і разом з тим був досить доступною, дешевою речовиною.

У багатьох випадках економічно доцільним виявляється утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів і відходів виробництва, що використовуються як теплоносії у теплообмінних апаратах.

 

Гріючі агенти і способи нагрівання

Нагрівання водяною парою

Одним з найбільш широко застосовуваних нагріваючих агентів, є насичена водяна пара. Це обумовлюється істотними перевагами її як теплоносія. У результаті конденсації пари одержують великі кількості тепла при відносно невеликих витратах пари. У наслідок високих коефіцієнтів тепловіддачі від пари, що конденсується, опір переносу тепла з боку пари малий. Це дозволяє проводити процес нагрівання при малій поверхні теплообміну.

Важливою перевагою насиченої пари є сталість температури її конденсації (при даному тиску), що дає можливість точно підтримувати температуру нагрівання, а також у разі потреби регулювати її, змінюючи тиск гріючої пари. Пара задовольняє також іншим вимогам, пропонованим до теплоносіїв (доступність, пожежобезпечність і ін.).

Основний недолік водяної пари - значне зростання тиску з підвищенням температури. У наслідок цього температури, до яких можна робити нагрівання насиченою водяною парою, звичайно не перевищує 180-195 °С, що відповідає тиску пари 10-12 ат.

При великих тисках потрібно занадто товстостінна і дорога теплообмінна апаратура, а також великі витрати на комунікації й арматуру.

Більш економічна утилізація водяної пари, одержуваної після його використання в паросилових установках.

Найбільш поширене нагрівання глухою парою.

У тих випадках, коли припустиме змішування середовища, що нагрівається, з паровим конденсатом, використовують нагрівання гострою парою, яку вводять безпосередньо в рідину, що нагрівається.

 

Нагрівання гарячою водою

 

Гаряча вода як нагріваючий агент має недоліки в порівнянні з насиченою водяною парою. Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води, як і від будь-якої іншої рідини, нижче, ніж коефіцієнт тепловіддачі від пари, що конденсується. Крім того, температура гарячої води знижується уздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність нагрівання й утрудняє його регулювання. Гарячу воду використовують для нагрівання до t £ 100°C. Для температур > 100°С гріючим агентом використовують воду, що знаходиться під надлишковим тиском.

 

Нагрівання топковими газами

Димові, чи топкові, гази відносяться числа найбільш давно застосовуваних гріючих агентів. Вони дозволяють здійснити нагрівання до температур, що досягають 1000-1100°С, при незначному надлишковому тиску в теплообміннику.

Найбільш істотним недоліком топкових газів є:

- нерівномірність нагрівання;

- труднощі регулювання температури обігріву;

- низькі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки [ £ 35-60 Вт/(м²град) ];

- можливість забруднення матеріалів, що нагріваються, продуктами неповного згоряння палива;

- значні перепади температур між топковими газами і середовищем, що нагрівається, створюють "жорсткі" умови нагрівання, що неприпустимо для багатьох продуктів і може викликати їх перегрів.

Через відносно низьку питому теплоємність топкових газів їхні об'ємні витрати великі і транспортування вимагає значних витрат. Тому топкові гази використовують безпосередньо на місце їх отримання.

Топкові гази одержують, спалюючи в топках печей тверде, рідке чи газоподібне паливо.

Найбільш дешевим й ефективним паливом є природні гази. Крім того, економічно доцільне застосування як гріючих агентів відходячих газів деяких хімічних і інших виробництв; температура цих газів досить висока іноді досягає 500-600°С.