Процессы нагревания и охлаждения

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах называемых теплообменниками. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, рабочим органом которых является насадка, попеременно омываемая горячим и холодным теплоносителем и смесительные, в которых процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Наиболее распространены рекуперативные теплообменники.

Выбираются теплообменники с учетом многих факторов: количества передаваемой теплоты, физико-химических свойств сред коррозионная активность, возможность выделения отложений и т.п.), удобства ремонта и обслуживания, стоимости и т.д. Но главную роль играет величина теплообменной поверхности, которая определяет размеры теплообменника.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе». В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая – в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективным приемом является применение оребренных теплообменных поверхностей со стороны газа. Типичный пример: радиатор автомобиля, некоторые типы батарей водяного отопления.

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Выбор теплоносителей зависит от технико-экономических показателей, из которых важнейшими являются интервал рабочих температур, теплофизические свойства, коррозионная активность, токсичность и стоимость. Во многих случаях оказывается экономически целесообразным использовать в качестве теплоносителей технологические материальные потоки, т.к. это обеспечивает уменьшение энергозатрат.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар.

Для нагревания до температур более 180-200⁰С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получаемыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, в химической целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

В зависимости от способа преобразования электроэнергии в тепловую применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Для экономии воды на всех предприятиях имеются системы водооборота.

В связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование воздуха как хладагента. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность). Поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем в воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, что увеличивает поверхность теплообмена, распыляют в воздух воду, испарение которой понизит температуру воздуха и увеличит за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (например, 0⁰С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды на его основе непосредственно в охлаждаемую жидкость.