Средняя движущая сила теплопередачи
Движущей силой теплопередачи является разность температур теплоносителей, при наличии которой тепло переходит от теплоносителя с большей температурой к теплоносителю с меньшей температурой. При выводе уравнений теплопередачи в разделах 7.7.1 и 7.7.2 было принято, что температуры теплоносителей при теплообмене вдоль поверхности теплопередачи сохраняют свое постоянное значение. Однако это положение справедливо лишь в некоторых случаях (при кипении жидкости и конденсации паров). В общем же случае температура теплоносителей в процессе теплообмена изменяется – горячий охлаждается, а холодный нагревается. Поэтому в тепловых расчетах при применении уравнений теплопередачи необходимо пользоваться средней разностью температур теплоносителей, величина которой определяется при прочих равных условиях схемой движения потоков:
. (7.185)
Различают следующие основные схемы взаимного движения теплоносителей относительно поверхности теплообмена (рис. 7.23):
Рисунок 7.23 – Основные схемы движения потоков при теплообмене
|
1) прямоток или параллельный ток – оба потока движутся в одном направлении;
2) противоток – теплообменивающиеся потоки движутся в противоположных направлениях;
3) перекрестный ток, при котором потоки движутся взаимно перпендикулярно;
4) смешанный ток, при котором имеют место вышеупомянутые схемы одновременно в различных частях теплообменного аппарата.
Независимо от схемы движения температура горячего теплоносителя уменьшается от начального значения 
до конечного 
, а температура холодного теплоносителя увеличивается от 
до 
. Количество тепла, переданного в единицу времени от первого теплоносителя ко второму на произвольно выделенном элементе теплообменной поверхности, согласно основному уравнению теплопередачи
, (7.186)
где t1, и t2 – температуры теплоносителей по обе стороны элемента dF.
В результате теплообмена на элементе поверхности температура первого теплоносителя понизится на 
, а второго теплоносителя повысится на 
, где 
, 
и 
, 
– расходы и удельные теплоемкости теплоносителей, соответственно.
При прямотоке (рис. 7.23 а)
Поделив последние два уравнения друг на друга, получим:
,
откуда при К = const
(7.187)
Если обозначить наибольшую разность температур между теплоносителями 
и наименьшую 
, то соотношение (7.187) может быть представлено в виде
(7.188)
В результате сопоставления уравнений (7.188) и (7.185) можно получить соотношение для определения средней разности температур:
(7.189)
При противотоке (рис. 7.23, б)
По аналогии с прямотоком находим:
,
откуда
(7.190)
где 
; 
.
Следовательно, при противотоке, как и при прямоточном движении теплоносителей,
Вывод уравнений для расчета средней движущей силы теплопередачи производился в предположении, что расход и теплоемкость теплоносителей, а также коэффициент теплопередачи вдоль поверхности нагрева остаются постоянными. Так как на практике эти условия выполняются лишь приближенно, то и уравнения (7.187)–(7.190) являются также приближенными.
При небольших изменениях температур теплоносителей, когда 
, среднюю разность температур вычисляют как среднеарифметическую:
(7.191)
так как ошибка в этом случае не превышает 4 %.
Выражение (7.189) упрощается также в случаях, когда один из теплоносителей сохраняет постоянную температуру вдоль всей поверхности теплообмена (конденсирующийся насыщенный пар, кипящая жидкость). Независимо от направления движения теплоносителей прямоток или противоток:
при 
;
при 
.
Противоток является наиболее совершенной схемой теплопередачи, так как позволяет получить наибольшую разность температур по сравнению с разностью при других схемах теплопередачи. Кроме того, при противотоке температура нагреваемого потока может значительно превышать конечную температуру нагревающего потока.
При перекрестном и смешанном токах (рис. 7.23, в и 7.23, г) теплоносителей задача об усреднении разности их температур значительно более сложная, чем при прямотоке или противотоке, и требует громоздких математических выкладок. Поэтому для наиболее часто встречающихся случаев результаты решения приводятся в справочной и специальной литературе.
Средняя движущая сила при перекрестном и смешанном токах ниже, чем при противотоке, но выше, чем при прямотоке. Это значит, что перекрестный и смешанный токи занимают промежуточное положение между противотоком и прямотоком. Наиболее часто среднюю разность температур 
для этих видов взаимного направления движения теплоносителей рассчитывают исходя из среднелогарифмической разности температур при противотоке 
:
, (7.192)
где 
– поправочный коэффициент; 
.
Коэффициент является функцией двух величин: отношения перепадов температур теплоносителей 
и степени нагрева более холодного теплоносителя, определяемой отношением его перепада температур к разности начальных температур обоих теплоносителей: 
.
По вычисленным значениям Р и R, пользуясь графиками, приведенными в специальной литературе, можно найти численные значения коэффициента и затем определить .
Для расчета средней разности температур при различных схемах движения потоков можно воспользоваться также уравнением Н.И. Белоконя:
,
где 
(7.193)
Разность средних температур потоков θ, не зависящая от схемы теплообмена,
. (7.194)
Характеристическая разность температур ΔТ
, (7.195)
где 
– разность температур соответствующего потока теплоносителя; p – индекс противоточности, характеризующий долю противотока в общем балансе теплообмена.
Величина индекса противоточности p зависит от схемы движения теплоносителей:
для прямотока p = 0;
для противотока p = 1;
для перекрестного тока при 
, p = 0,58÷0,79;
для смешанного тока p = 0,5.
Тепловая изоляция
Тепловая изоляция предназначена для снижения потерь тепла в окружающую среду и обеспечения санитарных норм в производственных помещениях. С этой целью наружные поверхности горячих стенок аппаратов и трубопроводов покрывают одним или несколькими слоями теплоизоляционных материалов, обладающих низкими коэффициентами теплопроводности.
В качестве тепловой изоляции широко используют синтетические и минеральные материалы, имеющие пористую структуру с замкнутыми мелкими порами, в которых исключается теплопередача конвекцией. Такие пористые материалы имеют достаточно малые значения коэффициента теплопроводности, что позволяет при определенной толщине слоя изоляции (обычно до 150 мм) и ее конструкции получить большую величину термического сопротивления стенки. Хотя в качестве теплоизоляционных могут применяться различные материалы с низкой теплопроводностью, однако обычно под теплоизоляционными понимают материалы с коэффициентом теплопроводности при 50–100 ºС менее 0,25 Вт/(м·К). Наиболее распространенные материалы, применяемые для тепловой изоляции, приведены в табл. 7.5.
Таблица 7.5 – Характеристики некоторых видов тепловой изоляции при 0–100 °С
| Материал | Плотность, кг/м3 | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) |
| Асбест | 0,150 | |
| Бетон огнеупорный | 0,380 | |
| Винипласт | 0,160 | |
| Войлок шерстяной | 0,047 | |
| Кирпич красный | 0,620 | |
| Кирпич легковесный | 0,150 | |
| Кирпич шамотный | 0,700 | |
| Пенопласт | 0,047 | |
| Пробка | 0,047 | |
| Совелит | 0,098 | |
| Стекловата | 0,052 | |
| Торфоплиты | 0,064 | |
| Фаолит | 0,420 | |
| Фольга алюминиевая | 0,047 | |
| Шлаковата | 0,076 |
При умеренных температурах изолируемых поверхностей обычно наносится один слой теплоизоляции, при высоких – несколько слоев. Необходимую толщину однослойной или многослойной изоляции плоской стенки определяют по уравнениям (7.26) и (7.28). Так, в случае однослойной изоляции с коэффициентом теплопроводности 
из толщина слоя δиз, необходимая для обеспечения температуры внешней поверхности изолирующего слоя tиз:
, (7.196)
где t1 и t2 – температуры внутри аппарата (трубопровода) и снаружи, соответственно.
Аналогично для многослойной изоляции при толщине слоев 
с коэффициентами теплопроводности 
. (7.197)
Из уравнений (7.196) и (7.197) следует, что изоляционный слой на плоской стенке из любого материала понижает потери тепла и температуру tиз. Причем это понижение тем больше, чем толще изолирующий слой. Для цилиндрических стенок тепловые потери уменьшаются непропорционально увеличению толщины изоляции. Это объясняется тем, что при увеличении толщины термическое сопротивление слоя изоляции 
увеличивается, а термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую среду 
уменьшается. Следовательно, при неправильном выборе толщины изоляции потери тепла могут не только не уменьшиться, но и возрасти.
В соответствии с уравнением теплопередачи для цилиндрической стенки (7.31) тепловые потери
, (7.198)
где d1 и d2 – внутренний и внешний диаметры цилиндра, на который накладывается слой изоляции.
Дифференцируя уравнение (7.198) по dиз и приравнивая производную нулю, получим
.
Анализ функции 
показывает, что она имеет максимум при 
, т.е. при данном диаметре изолированного цилиндра потери тепла в окружающую среду становятся максимальными. Диаметр изоляции, соответствующий максимуму, и соответствующая ему толщина изоляции называются критическими: dкр, δкр. Таким образом, для уменьшения потерь тепла необходимо, чтобы диаметр изолированного цилиндра dиз был бы больше dкр, зависящего в свою очередь от λиз и a2.
Если изолирование аппарата (трубопровода) производится с целью экономии топлива, то материал и толщина изоляции выбираются исходя из экономических соображений путем сопоставления стоимости изоляции и стоимости сэкономленного тепла или топлива. При изолировании объекта с целью обеспечения технологического процесса или с целью обеспечения санитарных условий труда производят расчет для нескольких видов изоляции и выбирают из них ту, стоимость которой меньше других. При выборе изоляции большое значение имеют также такие факторы, как вес, гигиеничность, гигроскопичность, удобство монтажа и срок службы изоляции.
Нестационарный теплообмен
Нестационарными тепловыми процессами называют процессы теплообмена, протекающие в изменяющемся во времени температурном поле. Особенностью этих процессов является непрерывное изменение теплосодержания тел и связанное с этим их нагревание или охлаждение. Чаще всего нестационарный теплообмен наблюдается в периодически действующих аппаратах (нагревание или охлаждение твердых тел, неподвижных масс жидкостей, кристаллизация из растворов и расплавов, процессы в химических реакторах и т.д.). В непрерывно действующих теплообменных аппаратах нестационарный перенос тепла возникает лишь в периоды пуска, остановки или изменения режима их работы.
При расчете нестационарных процессов теплообмена определяют либо время, необходимое для нагревания или охлаждения до заданной температуры, либо конечную температуру, которая достигается за то же время, а также количество тепла, переданное телу или отнятое от него. В случае жидких или газообразных веществ определяют лишь зависимость их средней температуры от времени, так как температура жидкости и газа всегда выравнивается за счет конвекции, сопутствующей теплопроводности.
Нестационарная теплопроводность. Нестационарные процессы теплопроводности протекают в случае нагревания или охлаждения твердых тел при их непосредственном соприкосновении с горячими или холодными потоками жидкостей или газов.
На рис. 7.24 показан характер изменения температур на поверхности tпов и в глубине тела tгл, внесенного в среду с более высокой температурой tж.
Рисунок 7.24 – Характер изменения температуры тела во времени
|
Любой процесс нагревания или охлаждения тела можно разделить на три режима. Первый из них охватывает начало процесса и характеризуется постепенным изменением температуры в глубь тела (участок τ1). При этом скорость изменения температуры в отдельных точках различна, а температурное поле зависит от начального распределения температур в теле. Этот режим носит название неупорядоченного. В дальнейшем влияние начального распределения температур в теле исчезает, и относительная скорость изменения температуры в каждой точке тела становится постоянной величиной, зависящей от формы и размеров тела, его теплофизических свойств, условий теплообмена на поверхности тела. Такой упорядоченный режим нагрева назван регулярным (участок τ2). По истечении длительного времени (теоретически по истечении бесконечно большого времени) наступает третий, стационарный режим, характерной особенностью которого является постоянство распределения температур во времени, в каждой точке тела 
. Если температура во всех точках тела одинакова и равна температуре окружающей среды, то наступает режим теплового равновесия.
Решение задачи нестационарной теплопроводности заключается в определении зависимости изменения температуры во времени для любой точки тела t и количества подведенной или отведенной теплоты. Это может быть осуществлено аналитическим путем в результате решения дифференциального уравнения теплопроводности (7.23) при Q = 0 совместно с условиями однозначности.
Для технических целей в большинстве случаев ограничиваются рассмотрением течения процесса лишь в одном каком-либо направлении – направлении Х, например. В этом случае
.
Краевыми условиями для аналитического решения дифференциального уравнения теплопроводности являются: а) начальное распределение температуры в теле и б) действие на поверхность тела окружающей среды. Последнее условие может быть задано тремя способами:
1) распределением температуры на поверхности тела tпов в любой момент времени τ – граничное условие 1-го рода;
2) распределением плотности теплового потока по поверхности тела qпов во времени – граничное условие 2-го рода;
3) распределением температуры окружающей среды tж и коэффициентом теплоотдачи 
от поверхности тела к этой среде: 
– граничные условия 3-го рода.
Тогда дифференциальные уравнения теплопроводности для тел различной геометрической формы принимают следующий вид.
Для плоской неограниченной стенки толщиной 2δ, омываемой жидкостью с температурой tж ,
. (7.199)
Краевые условия при этом:
; 
;
; 
,
где t0 – температура в начальный момент времени, равная температуре поверхности стенки.
Для сплошного цилиндра неограниченной длины
. (7.200)
Краевые условия:
; 
;
; ,
(R – радиус сечения цилиндра).
Для сплошного шара с радиусом R
. (7.201)
Краевые условия:
; 
;
; .
Решение уравнений (7.199) – (7.201) ввиду их сложности приводятся в специальной литературе.
Предложены приближенные методы расчета, в которых пренебрегают наличием начального, неупорядоченного режима, характеризуемого неравномерным изменением температуры тела, и задачу решают относительно регулярного теплового режима. Для этого режима влияние начального распределения температуры несущественно и процесс определяется условиями теплообмена на границе твердое тело–жидкость (газ), физическими свойствами, геометрической формой и размерами тела. Для него характерна линейная зависимость
или 
. (7.202)
Величина m в уравнении (7.202) является положительным числом, сохраняющим одно и то же значение для любой точки тела. Это число характеризует собой скорость охлаждения тела и называется темпом охлаждения; оно полностью определяется формой и размерами тела, значением тепловых параметров (a, l, r), интенсивностью теплообмена с окружающей средой и не зависит от начальных условий. Для ее определения достаточно измерить температуры тела t1 и t2 в произвольной точке тела в два определенных момента времени τ1 и τ2:
.
В соответствии с теорией регулярного режима, разработанной Г.М. Кондратьевым, темп охлаждения m
, (7.203)
где 
– средний перепад температур по поверхности; 
– средний перепад температур по объему тела; F и V – поверхность и объем тела; ср – удельная теплоемкость тела; Y – безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом неравномерности распределения температуры в теле и зависящий для данного тела от условий теплообмена между его поверхностью и окружающей средой, т.е. от критерия Био (Bi = (al/l); l – характерный линейный размер тел.
При 
( 
) распределение температуры в теле будет зависеть лишь от его размеров и физических свойств, поэтому 
и 
. При 
( 
) благодаря большой интенсивности внешнего теплообмена температура на поверхности стремится к температуре окружающей среды tж, 
и 
. В этом случае между темпом охлаждения 
и температуропроводностью тела а существует следующая зависимость:
. (7.204)
Коэффициент С зависит только от геометрической формы и размеров тела:
– для плоской неограниченной стенки толщиной 2δ 
;
– для шара радиусом R 
;
– для цилиндра радиуса R и длиной l 
;
– для параллелепипеда со сторонами b1, b2 и b3
.
По экспериментально найденным температурам t1 и t2 в произвольной точке тела определяют коэффициент его температуропроводности а, затем, рассчитав по уравнению (7.203) величину m, находят коэффициент теплоотдачи и скорость нагревания или охлаждения тела.
При решении ряда практических задач по нагреванию и охлаждению тел аналитический расчет можно также упростить, приняв, что перенос тепла осуществляется во времени и в пространстве не непрерывно, а скачкообразно (метод конечных разностей).
В инженерной практике наиболее часто пользуются графоаналитическим методом расчета, основанном на замене переменных, влияющих на изменение температуры тела в пространстве и во времени, безразмерными комплексами и симплексами подобия:
критерий Био 
;
критерий Фурье
;
симплекс геометрического подобия
.
Безразмерная температура в любой точке тела 
(t0 – температура, принятая за масштаб температур) может быть выражена обобщенной зависимостью
. (7.205)
Эта функция постоянна для всех подобных процессов нестационарной теплопроводности.
Выражения, полученные в результате интегрирования уравнений теплопроводности для тел простой геометрической формы (плоская стенка, цилиндр, шар), представляют в виде графической зависимости безразмерных температур 
на поверхности тела и в средней его плоскости 
от критериев Bi и Fо. Безразмерные температуры в этом случае:
и 
,
где tж – температура среды, принимаемая постоянной; tпов и tср – температура, достигаемая за время τ соответственно на поверхности и в среднем сечении тела; tн – начальная температура тела.
В качестве примера на рис. 7.25 приведены зависимости 
и 
для плоской пограничной стенки.
Расчет по таким графикам производится следующим образом. По известным значениям λ, ср, ρ находят величину коэффициента температуропроводности 
и рассчитывают критерий Фурье. Затем рассчитывают значение критерия Био, принимая за определяющий размер толщину стенки δ. При этом величина коэффициента теплоотдачи α должна быть задана или рассчитана (при расчете α задаются температурой поверхности тела, которую потом проверяют, т.е. α находят методом последовательных приближений).
а
б
Рисунок 7.25 – Зависимости θпов и θср от Вi и Fо для плоской неограниченной стенки:
а – 
; б – 
По пересечению перпендикуляра, проведенного из точки на оси абсцисс (рис. 7.25), соответствующей величине Вi и кривой, отвечающей значению Fо, определяют температуры θпов и θср. По этим температурам находят температуры на поверхности tпов и в среднем сечении стенки tср.
Результаты интегрирования уравнения теплопроводности можно представить также в виде зависимости
, (7.206)
где Qτ – количество тепла, переданное за время τ; Q – полное количество тепла, переданное телу до наступления равновесия (до полного нагревания или охлаждения).
Расчет 
производят по соотношениям:
. (7.207)
В уравнении (7.207) V – объем тела; t – средняя по объему тела температура, достигнутая за время нагрева (эта температура задается или принимается).
На рис. 7.26 представлена зависимость от критериев Био и Фурье для плоской неограниченной стенки.
Рисунок 7.26 – Зависимость 
от Bi и Fо для плоской неограниченной стенки
Для определения времени нагрева стенки до температуры t необходимо из точки на оси абсцисс (рис. 7.26), соответствующей данному значению Bi, восстановить перпендикуляр до пересечения с ординатой, отвечающей значению отношения . Точка пересечения определит величину 
, по которой определяется искомое время нагрева τ.
Нестационарный процесс конвективного теплообмена. Для нестационарных процессов конвективного теплообмена характерно изменение температур теплоносителей (или одного из них) во времени. Наиболее общим случаем является теплообмен между двумя жидкостями (газами) через стенку, когда изменяются во времени температуры обоих теплоносителей. Например, нагревание или охлаждение жидкости в аппарате (рис. 7.27) с помощью змеевика, через который пропускают другую жидкость (с более высокой или более низкой температурой). Для интенсификации теплообмена жидкость в аппарате обычно перемешивается мешалкой, в результате чего температура ее во всем объеме в данный момент времени одинакова.
Рисунок 7.27 – К расчету нестационарного теплообмена между двумя жидкостями
|
Если расход жидкости, протекающей через змеевик G1, ее удельная теплоемкость с1, начальная температура (на входе в змеевик) постоянна t1н = соnst, а конечная (на выходе) t1к изменяется во времени, при этом t1к < t1н, то количество тепла, отданное этой жидкостью за время dτ
. (7.208)
Это же тепло перейдет через стенку змеевика к другой жидкости:
, т.е. 
, (7.209)
где Δtср – средняя разность температур жидкостей, переменная во времени.
Температура жидкости в аппарате при теплообмене изменяется от t2н до t2к (t2к > t2н), ее значение в любой произвольный момент времени t2. Тогда разность температур жидкостей у входа горячего теплоносителя в змеевик t1н – t2, а у выхода t1к – t2.
Следовательно, Δtср в данный момент
. (7.210)
Подставив полученное значение Δtср в уравнение (7.209), получим
,
откуда 
. (7.211)
Если принять средние значения коэффициента теплопередачи К и удельной теплоемкости с постоянными, то 
.
Из уравнения (7.211) можно найти переменную конечную температуру жидкости в змеевике:
. (7.212)
При подстановке t1к из уравнения (7.212) в уравнение (7.208) количество переданного тепла dQ выразится равенством
. (7.213)
Это же количество тепла, перешедшее в жидкость в аппарате, можно записать в виде
, (7.214)
где G2 и с2 – количество и удельная теплоемкость жидкости в аппарате, соответственно.
Приравнивая правые части последних уравнений, получим
. (7.215)
Разделив переменные и проинтегрировав уравнение(7.215)
,
найдем время нагревания жидкости в аппарате
(7.216)
либо
.
Последнее выражение может быть использовано также для определения температуры, до которой нагревается жидкость в аппарате t2к за время τнагр.
Начальную и конечную температуры жидкости в змеевике можно рассчитать, пользуясь уравнением (7.212).
Так, при t2 = t2н и разности температур жидкостей t1н – t2н
. (7.217)
При t2 = t2к и разности температур t1к – t2к
. (7.218)
Средняя температура жидкости на выходе из змеевика определяется из теплового баланса
,
откуда 
. (7.219)
Приведенный расчет справедлив также и для случая охлаждения жидкости в аппарате. При охлаждении начальная, конечная и средняя температуры охлаждающей жидкости рассчитываются по уравнениям (7.217) – (7.219), соответственно, в которых знак сложения или вычитания изменяется на противоположный.
Рисунок 7.28 – К расчету нестационарного теплообмена между конденсирующимся паром и перемешиваемой жидкостью
|
Если температура одного из теплоносителей остается постоянной во времени, расчет процесса нестационарного теплообмена значительно упрощается. Примером может служить нагревание жидкости в аппарате (рис. 7.28) за счет тепла конденсации насыщенного пара (без переохлаждения конденсата) в змеевике.
Начальная температура жидкости в аппарате tжн, конечная – tжк. Температура греющего пара – tп. За промежуток времени dτ количество тепла, переданное паром жидкости через поверхность нагрева F, составит
,
где K – коэффициент теплопередачи; tж – температура жидкости в данный момент времени.
Это тепло расходуется на подогрев жидкости
(Gж, сж – количество и удельная теплоемкость жидкости соответственно).
Следовательно,
.
В результате разделения переменных и интегрирования последнего выражения, получим
; 
, (7.220)
откуда время нагревания жидкости в аппарате от tжн до tжк
. (7.221)
Уравнение (7.220) может быть использовано также для определения температуры нагреваемой жидкости tж в любой момент времени τ:
. (7.222)
Расход греющего пара определяется по тепловому балансу
, (7.223)
где Gп – расход пара; r – удельная теплота парообразования.
Список литературы к главе 7
1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Логос, Высш. шк., 2002. – Кн. 1.912 с.
2. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках. – К.: Техника, 1972. – 194 с.
3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1981. – 812 с.
4. Гребер Г., Эрк С, Григуль У. Основы учения о теплообмене Пер. с нем.Под ред. А.А. Гухмана. – М: ил., 1958. – 568 с.
5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995. – 768 с.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1969. – 440 с.
7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с.
8. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. – М.: Атомиздат, 1979. – 416 с.
9. Михеев М.А. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1956. – 392 с.
10. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 342 с.
11. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – 469 с.
12. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1972. – 494 с.
13. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. – 328 с.
14. Товажнянский Л.Л., Анипко О.Б, Моляренко В.А. Основы энерготехнологии в промышленности. – Xарьков: ХДПИ, 2001. – 140 с.
15. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники: Пер. с польск./Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Госхимиздат, 1961. – 820 с.
Глава 8
Нагревание, охлаждение, конденсация
Нагревание, охлаждение и конденсация являются одними из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Поддержание в аппаратах требуемой температуры способствует ускорению многих химических и технологических процессов и сопровождается подводом или отводом тепла. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, называют нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, отнимающие тепло, – охлаждающими агентами.
Прямыми источниками тепла являются дымовые газы и электрический ток. Вещества, получающие тепло от этих источников и передающие его другим теплоносителям через стенку (поверхность нагрева) являются промежуточными теплоносителями. Наиболее распространенными промежуточными теплоносителями для нагревания служат водяной пар и горячая вода, а также высокотемпературные теплоносители – перегретая вода, минеральные масла, высококипящие органические жидкости, расплавленные соли и металлы.
В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до температур порядка (10–30) °C используют в основном природные теплоносители – воду и воздух.
Выбор теплоносителей зависит от технико-экономических показателей, из которых важнейшими являются интервал рабочих температур, теплофизические свойства, коррозионная активность, токсичность и стоимость. Интервал рабочих температур определяется требованиями технологии, а остальные показатели – природой теплоносителя. При сравнении теплоносителей по теплофизическим свойствам предпочтение отдается теплоносителю с меньшей вязкостью и большими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования, так как расход такого теплоносителя и затраты на его транспортировку при передаче одного и того же количества теплоты меньше.
Во многих случаях оказывается экономически целесообразным использовать в качестве теплоносителей технологические материальные потоки, поскольку это обеспечивает уменьшение энергетических затрат.
Нагревание
Нагревание в химической и смежных отраслях промышленности используют для ускорения химических реакций, а также для проведения и интенсификации ряда гидродинамических, тепловых и массообменных процессов.
В зависимости от температурных и других условий проведения процесса для каждого из них выбирают такой метод нагревания, который является наиболее оправданным в технологическом и экономическом отношениях.
Наибольшее распространение получили следующие методы нагревания: водяным паром и горячей водой, топочными газами, высокотемпературными теплоносителями и электрическим током.