Теплоносители

Основным рабочим процессом, реализуемым в теплоо6менной аппаратуре, является теплообмен между теплоносителями.

При выборе теплоносителей руководствуются следующими требованиями: первоначальная температура теплоносителя должна быть достаточной для создания движущей силы в течение всего процесса теплообмена; он должен быть экономичен и безопасен при использовании, обеспечивать высокие коэффициенты теплоотдачи, не оказывать отрицательного воздействия на материал теплообменного аппарата.

В зависимости от производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться различные газообразные, жидкие и твердые тела.

Нагревание сред до необходимых температур в промышленности осуществляют с помощью греющих теплоносителей.

Водяной пар (особенно насыщенный) как греющий теплоноситель получил большое распространение в теплообменных аппаратах различных конструкций благодаря ряду положительных качеств. Он может транспортироваться по трубопроводам на значительные расстояния (сотни метров). При его конденсации выделяется значительное количество теплоты (около 2106 Дж/кг), сопровождающееся высокими коэффициентами теплоотдачи (порядка 10⁴ Вт/(м²*К). Постоянство температуры конденсации при определенном давлении обеспечивает поддержание неизменного теплового режима, равномерности обогрева и легкости регулирования процесса теплообмена. Водяной пар доступен, дешев, нетоксичен и пожаробезопасен.

Недостатком применения насыщенного водяного пара является необходимость увеличения его давления с целью увеличения температуры, что требует повышения прочностных характеристик, а следовательно, и материалоемкости теплообменных аппаратов, в которых он используется. Так при температурах насыщенного водяного пара 140...180°С его абсолютное давление составляет 0,37...1,02 МПа.

В промышленности применяют нагрев острыми глухим водяным паром.

При нагреве острым паром он вводится непосредственно в обогреваемую среду и смешивается с ней. Использование данного способа допускается в случае возможности контакта и разбавления нагреваемой среды образующимся конденсатом.

Расход острого пара D_oст определяется из уравнения теплового баланса

где G – расход нагреваемой среды; с, с_в – удельные теплоемкости нагреваемой среды и воды (конденсата); t₁, t₂ – начальная и конечная температуры нагреваемой среды; i_пар – удельная энтальпия пара.

При нагревании глухим паром теплота передается через стенку – поверхность теплообмена.

Расход глухого пара D_гл определяется по зависимости, аналогичной (6.1),

где i_конд – удельная энтальпия конденсата.

Горячая сода (при нормальных давлениях) как греющий теплоноситель получила большое распространение для нагрева сред до температур порядка 100°С, особенно в отопительных и вентиляционных установках. Приготовление горячей воды осуществляется в специальных водогрейных котлах и водонагревательных установках. горячую воду можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (несколько километров). Она обладает относительно высокими коэффициентами теплоотдачи. Однако нагревание горячей водой сопровождается снижением ее температуры вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает равномерность обогрева и затрудняет регулирование температуры.

Топочные (дымовые) газы позволяют нагревать среды в интервале температур 180...1000°С. Образуются они при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в топках или печах различной конструкции.

При нагреве топочными газами наблюдаются значительные перепады температур между горячим теплоносителем и нагреваемой средой («жесткие» условия нагрева), позволяющие достигать высоких тепловых нагрузок. Однако при этом методе нагревания трудно регулировать процесс теплопередачи и избежать локальных перегревов из-за неравномерности обогрева. Коэффициенты теплоотдачи от топочных газов к теплоо6менным поверхностям значительно ниже, чему других сред (30... 50 Вт/(м²*К)). Кроме того, обогрев топочными газами является пожароопасным, сопровождается необходимостью регулярной чистки аппаратов. Существенным недостатком топочных газов является возможность использования их только непосредственно на месте получения из-за больших тепловых потерь.

Высокотемпературные промежуточные теплоносители получают теплоту либо от топочных газов, либо от электрического тока и передают ее нагреваемому материалу.

Перегретая вода (выше 100 °С) существует при повышенных давлениях. Так, при температуре около 370°С и давлении 22,5 МПа перегретая вода позволяет нагревать материалы до 350°С. Однако обогрев перегретой водой из-за высоких давлений значительно удорожает нагревательную установку.

Минеральные масла позволяют нагревать среды до температуры 300°С. При нагреве используются компрессорное, цилиндровое масло и другие вещества с высокой температурой вспышки. Однако данный способ имеет ряд недостатков: низкие коэффициенты теплоотдачи; пожароопасность; загрязнение теплопередающей поверхности продуктами окисления и разложения, снижающими коэффициенты теплопередачи.

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), применяемые как в жидком, так и в парообразном состоянии, позволяют осуществлять нагрев до температуры 400°С. К ВОТ относятся глицерин, этиленгликоль, нафталин, а также производные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан, дитомилметан и др.), кремнийорганические жидкости и т. п. Большинство ВОТ отличаются термической стойкостью, взрывобезопасностью, значительными коэффициентами теплоотдачи (1500 ... 1700 Вт/(м²*К)) и теплотворной способностью (до 300 кДж/кг) при нормальном давлении.

Расплавы солей (нитрит-нитратные смеси), состоящие из 40% NaNO₂, 7% NaNO₃, 53% KNO₃, предназначены для нагрева веществ до температуры 550°С. Процесс осуществляется при вынужденной циркуляции смеси.

Нитрит-нитратные смеси являются сильными окислителями, поэтому по соображениям взрывобезопасности недопустим их контакт с органическими веществами.

Расплавы металлов (литий, натрий, калий, ртуть, свинец и др.) применяют для нагрева до температуры 800°С.

Теплообменные установки, наполненные натрием, должны быть герметичны и защищены инертным газом. Сплав натрия и калия является весьма опасным горючим и взрывчатым веществом. Ртуть применяется при атмосферном давлении для подачи теплоты только при пониженной температуре. Пары ее являются очень токсичными.

Эффективным теплоносителем с высоким коэффициентом теплоотдачи является эвтектика Pb + Bi. Этот теплоноситель в обращении сравнительно безопасен.

В настоящее время жидкие металлы приобретают особое значение при их применении в теплоустановках атомных электростанций.

Твердые зернистые теплоносители позволяют нагревать различные технологические газы до температуры 1500°С.

В качестве зернистых теплоносителей применяют жаростойкие твердые материалы (кварц, алюмосиликаты, диабаз, алунд, шамот и др.) с частицами размером 0,05...8 мм. Такие зернистые материалы имеют большую удельную поверхность – 500...100000 м²/м³ в зависимости от размеров частиц.

Благодаря этому в сравнительно небольших аппаратах удается разместить значительные теплообменные поверхности и осуществить эффективный теплообмен между заполняющими аппараты зернистыми материалами и продуваемыми через них газами.

Для нагревания топочными газами применяют установки с циркулирующим зернистым материалом, движущимся сплошным потоком; с циркулирующим зернистым материалом, находящимся в аппаратах в псевдоожиженном состоянии, а также с неподвижными слоями.

Нагревание электрическим током характеризуется легкостью и точностью регулирования, равномерностью обогрева, компактностью нагревающих устройств.

По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные и луговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В электрических печах сопротивления прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока.

В электрических печах сопротивления косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам. Нагревательные элементы печей изготавливают из проволоки (диаметр 3...5 мм) либо из ленты нихрома (сплав, содержащий 20% Cr, 30...80% Ni и 0,05...50% Fe) или хроможелезоалюминиевых сплавов (отношение толщины к ширине – 0,05...0,2).

Выделяющаяся теплота передается материалу лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью. Нагрев сред в таких печах осуществляется до температур 1000...1100°С.

Количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока в нагревательном устройстве Q_э, необходимое для: нагрева вещества от t_н до t_к, определяется из теплового баланса

В электрических индукционных печах нагрев осуществляется вследствие тепловых эффектов, вызываемых индукционными токами, возникающими под воздействием переменного электрического тока, либо в стенках аппарата, либо в самом нагреваемом веществе.

Диэлектрические материалы, не проводящие электрический ток (пластмасса, стекло, дерево и др.), нагреваются токами высокой частоты (5*10⁵... 1*10⁸ Гц) при напряжении электрического поля 1000...2000 В/см, которые воздействуют непосредственно на молекулы нагреваемого вещества. Диэлектрическое нагревание отличается рядом преимуществ: непосредственное выделение теплоты во всей толщине нагреваемого материала (обеспечивающее равномерный прогрев обрабатываемого материала); большая скорость нагревания; возможность нагревания только отдельных частей материала; легкость регулирования процесса нагревания и возможность его полной автоматизации.

В дуговых печах нагреваемое тело взаимодействует непосредственно с электрической дугой, возникающей в газовой среде между электродами. Нагрев данным способом позволяет достигать температур 2500...3000°С, однако отличается повышенной «жесткостью», неравномерностью нагрева, а также трудностью регулирования.

Охлаждение сред до температур 10...30°С в промышленности осуществляют с помощью доступных и дешевых теплоносителей – воды и воздуха. Однако температуры окружающих нас воды и воздуха весьма подвержены климатическим и сезонным колебаниям. Так температура воды из водоемов (рек, прудов, озер) в средней колосе России колеблется в пределах 10...25°С. Из артезианских скважин вода поступает с температурой 8...12°С, но она более дорогая.

Расход необходимого количества охлаждающей воды W определяется из теплового баланса

где t_в.н, t_в.к – начальная и конечная температуры охлаждающей dоды. Знак « - » перед величиной Q_п характеризующей потери в окружающую среду, показывает, что они способствуют процессу охлаждения и в расчетах не учитываются.

Для экономии воды и охраны окружающей среды на предприятиях вводят систему замкнутого водоснабжения, при которой практически отсутствует забор свежей воды и слив отработанной воды в водоемы. Оборотная вода в дальнейшем подвергается обработке в теплообменных устройствах, позволяющих понизить ее температуру. Чаще всего для этих целей используют градирни – башни с насадкой (или полые), в которых осуществляется противоток воды и воздуха, причем основная часть теплоты отводится от жидкости путем ее частичного испарения.

Атмосферный воздух как охлаждающий агент, хотя и имеет более широкие сезонные изменения температуры, в связи с низкой теплоемкостью и коэффициентами теплоотдачи (50...60 Вт/(м²*К)) охлаждает взаимодействующие снам среды только до температур 25...30°С. При этом процесс теплопередачи осуществляют обычно при принудительной циркуляции воздуха, требующей дополнительных энергозатрат на вентиляционное оборудование.

Для достижения температур, близких к 0°С, производят охлаждение льдом. При этом лед вносится непосредственно в охлаждаемую жидкость и плавится в ней, отбирая теплоту плавления (-М из взаимодействующей среды. Необходимый расход льда L определяется из уравнения теплового баланса

Такой метод охлаждения применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой, и при этом допускается их разбавление.

Для охлаждения до температур ниже 0°С применяют холодильные рассолы (растворы СаСl₂, NaCl и др.), обладающие температурой замерзания ниже этой величины.