Вибір взаємного напрямку теплоносіїв

Вибір взаємного напрямку теплоносіїв має велике значення для економічнішого проведення процесу теплообміну. Для оцінки ефективності процесів теплообміну порівняємо прямотечійний і протитечійний процеси з точки зору витрат теплоносіїв і середньої різниці температур (рис.1.19). Для прямотечійного процесу кінцева температура більш холодного носія t_2к не може бути вищою за температуру більш нагрітого теплоносія t_1к. Практично для здійснення процесу теплообміну на виході з теплообмінника повинна бути деяка різниця температур Dt_к = t_1к – t_2к.

Рис. 1.19. Порівняння прямотечійного і протитечійного руху теплоносіїв

За протитечійного процесу холодніший теплоносій з такою ж початковою температурою t_2п, що за прямотечійного процесу може бути нагрітий до більш високої температури _2к, яка наближається до початкової температури t_1н більш нагрітого теплоносія. Це дає можливість скоротити витрати холоднішого теплоносія, беручи до уваги рівняння матеріального балансу:

(1.132)

Під час протитечійного процесу зменшується середня різниця температур і, відповідно збільшується поверхня теплообміну порівняно з прямотечійним процесом, однак економічний ефект, який досягається внаслідок зменшення витрат за протитечійного процесу перевищує додаткові витрати пов’язані із збільшенням розмірів теплообмінника. Отже застосування протитечійного процесу теплообміну є економічнішим ніж прямотечійний процес.

Порівняємо тепер протитечійний процес з прямотечійним за тих самих початкових і кінцевих температур теплоносіїв. Зміна температури холоднішого теплоносія показана на рис.1.19 пунктиром. Розрахунки показують, що в цьому випадку середня різниця температур під час протитечійного процесу буде більшою ніж за прямотечійного, а витрати теплоносіїв однакові. Тому, швидкість теплообміну за протитечійного процесу буде більшою, що надає переваги протитечійному процесу перед прямотечійним.

В окремих випадках вибір напрямку руху теплоносіїв за принципом прямотоку визначається технологією процесу. Так в барабанних сушарках матеріал, який підлягає сушінню і гріючий агент (топкові гази, нагріте повітря) направляють в одному напрямку з метою запобігання перегрівання матеріалу, який підлягає сушінню.

Вказані вище переваги протитечійного процесу відносяться до процесів теплообміну, в яких не відбувається зміни агрегатного стану теплоносіїв. Якщо температура одного з теплоносіїв (наприклад сконденсована пара) залишається постійною вздовж поверхні теплообміну, а температура теплоносія з іншого боку стінки змінюється в часі і вздовж поверхні теплообміну, то напрямок руху теплоносіїв не впливає на різницю температур, середню різницю температур і витрату теплоносіїв.

НАГРІВАННЯ, ОХОЛОДЖЕННЯ І КОНДЕНСАЦІЯ

Загальна характеристика

В хімічній промисловості поширені теплові процеси – нагрівання і охолодження рідин і газів і конденсація пари, які проводяться в теплообмінних апаратах (теплообмінниках).

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від однієї речовини до другої. Речовини, що задіяні у процесі передачі тепла, називають теплоносіями. Теплоносії з вищою температурою, ніж нагріваюче середовище, які віддають тепло, називають нагрівальним агентом, а теплоносії з нижчою температурою, ніж середовище, від якого вони сприймають тепло, - охолоджуючим агентом.

Прямим джерелом тепла в хімічній технології є димові гази - газоподібні продукти згорання палива, і електрична енергія. Речовини, що одержують тепло від таких джерел і віддають його через стінку теплообмінника до нагріваючого середовища, називають проміжним теплоносієм. Поширеними проміжними теплоносіями (нагрівальними агентами) є водяна пара і гаряча вода, а також високотемпературні теплоносії – перегріта пара, мінеральні масла, органічні рідини (і їх пара), розплавлені солі, рідкі метали і їх сплави.

Воду і повітря використовують в якості охолоджуючих агентів для охолодження до звичайних температур (10 - 30°С).

Необхідна температура нагрівання або охолодження та необхідність її регулювання визначають вибір того чи іншого теплоносія, що відповідає необхідним вимогам:

- повинен забезпечувати високу інтенсивність теплообміну за невисоких масових та об‘ємних його витрат;

- повинен мати незначну в‘язкість і високу густину, теплоємність і теплоту пароутворення;

- повинен (по можливості) бути негорючий, нетоксичний, термічно стійкий;

- щоб не здійснював руйнівного впливу на матеріал теплообмінника;

- повинен бути доступним і дешевим.

Утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів і відходів виробництва, які використовуються в якості теплоносіїв здебільшого є економічно доцільною.