Тема 4.1

advertisement
Вопрос 1: Процессы теплообмена, теплоносители и хладагенты.
Под теплообменом понимается перенос энергии в форме теплоты, происходящий между
телами, имеющими различную температуру. Движущей силой любого процесса теплообмена
является разность температур более нагретого и менее нагретого тел. При наличии этой
разности температур теплота, в соответствии со вторым законом термодинамики,
самопроизвольно передается от более нагретого тела к менее нагретому. Теплообмен между
телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными
электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела
снижается, а менее нагретого - возрастает.
Теплопередача - наука о процессах распространения теплоты. Законы теплопередачи
лежат в основе тепловых процессов. Тепловыми процессами называются технологические
процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода и отвода теплоты. К
ним относят процессы нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания. Эти
технологические процессы имеют большое значение для проведения многих массообменных
процессов (процессы перегонки, сушки, сорбции, экстракции, кристаллизации и др.), а также
химических процессов, протекающих с подводом и отводом теплоты.
Количество теплоты, передаваемое за единицу времени от одного вещества другому,
называется тепловым потоком и обозначается буквой Q. Единица измерения теплового потока
Ватт (Вт). Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь
между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное
уравнение теплопередачи:
Q = K.F. Tср,
(1.1)
где K ── коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи
теплоты вдоль всей поверхности теплообмена;
ΔTср. ── средняя разность температур между телами, определяющая среднюю
движущую силу процесса теплопередачи (температурный напор).
Различают три принципиально различных элементарных способа распространения
теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных условиях теплота
передается не каким-либо одним из указанных способов, а комбинированным путем. Например,
при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой теплота передается одновременно
конвекцией, излучением и теплопроводностью. Перенос теплоты от стенки к газообразной или
жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей. Еще более сложным
является процесс передачи теплоты от более нагретой жидкости или газа к менее нагретым
веществам через разделяющую их стенку. Этот процесс носит название теплопередачи. В
процессе теплопередачи переносу теплоты конвекцией способствуют теплопроводность и
теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является
один из видов распространения теплоты.
Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества
(молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен
может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм
переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление
теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая
определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся
из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью
называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.
Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и
незначительно изменяются с изменением давления. Для большинства жидкостей значения λ,
наоборот, уменьшаются при увеличении температуры. Исключение составляет вода,
коэффициент теплопроводности которой несколько возрастает с повышением температуры до
130 оС и при дальнейшем ее увеличении начинает снижаться. Для большинства металлов
коэффициенты теплопроводности уменьшаются с возрастанием температуры. Значения λ резко
снижаются при наличии в металлах примесей.
Влажные материалы имеют больший коэффициент теплопроводности, чем сухие.
Это объясняется тем, что во влажных материалах воздух в порах частично замещается влагой,
которая имеет значительно больший коэффициент теплопроводности, чем воздух. Пористость
тела существенно уменьшает его теплопроводность за счет наличия в порах воздуха, слабо
проводящего тепло, что характерно для большинства газов. Именно этим обусловлена низкая
теплопроводность теплоизоляционных и многих строительных материалов.
Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса теплоты в
жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества (как вынужденно, так и
самопроизвольно).
При естественной (свободной) конвекции перемещение жидкости или газа происходит
под действием разности плотностей отдельных их частей при нагревании. При вынужденной
конвекции перемещение происходит за счет принудительного движения всего объема жидкости
(газа), например при использовании вентиляторов, насосов, мешалок.
Перенос теплоты конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся
масса жидкости или газа и чем энергичнее осуществляется перемешивание отдельных частиц.
Таким образом, конвекция связана с механическим переносом теплоты и сильно зависит от
гидродинамических условий течения жидкости или газа.
Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью как между частицами жидкости
или газа, так и между жидкостью (газом) и поверхностями твердых тел. Такой процесс
совместной передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным
теплообменом. В практических условиях под таким процессом обычно понимается теплообмен
между поверхностью твердой стенки и омывающими ее жидкостями или газами. Такой
конвективный теплообмен называется теплоотдачей.
Тепловое излучение — электромагнитное излучение со сплошным спектром,
испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии. Под тепловым
излучением понимается процесс переноса теплоты с помощью электромагнитных волн.
Электромагнитные волны излучаются телами и, попадая на другие тела, превращаются в
тепловую энергию. Такой процесс превращения теплоты в энергию электромагнитных волн и
наоборот, происходящий между телами, произвольно расположенными в пространстве,
называется лучистым теплообменом.
Для многих отраслей производства характерно использование различного рода
установок, работающих в условиях высоких температур (плавка и разливка металлов,
термическая обработка и горячая прокатка изделий, работа отопительных котельных и печей и
др.). Во всех этих случаях первенствующее значение имеет теплообмен излучением. Уже при
температурах 600°С и выше теплообмен между телами происходит практически лишь за счет
излучения, так как доля конвективного тепла при этом незначительна.
Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего
тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела
или среды) перегородку из какого-либо материала.
Все физические тела взаимодействуют с тепловым излучением, пропуская, отражая и
поглощая тепловую энергию. По способности тел пропускать, отражать или поглощать
тепловую энергию используют понятия абсолютно прозрачных, абсолютно белых и абсолютно
черных тел. Абсолютно прозрачные тела пропускают всю поступающую энергию теплового
излучения, абсолютно белые полностью отражают, а абсолютно черные полностью
поглощают всю подводимую энергию.
Но в природе реально не существует тел, обладающих идеальными свойствами. Все
реальные тела способны лишь частично пропускать, отражать и поглощать подводимую в виде
электромагнитных колебаний энергию. Такие тела в физике называют серыми телами. Из
реальных тел к абсолютно черному особенно приближается сажа, которая поглощает 90 - 96 %
всех лучей. Наиболее полно отражают падающие на них лучи твердые тела со светлой
полированной поверхностью. Большинство твердых тел относится к числу практически
непрозрачных, но зато почти все газы (исключая некоторые многоатомные) являются
прозрачными.
В тепловых процессах взаимодействует, как минимум, две среды с различными
температурами. Вещества, имеющие более высокую температуру и используемые для
нагревания других веществ, называют теплоносителями. Вещества, используемые для
охлаждения других веществ, называют охлаждающими агентами (хладагентами).
В качестве прямых источников тепла в различных технологиях используют главным
образом электрическую энергию, пламя и топочные газы, представляющие собой газообразные
продукты сгорания топлива. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его
какой-либо нагреваемой среде, называют промежуточными теплоносителями. К числу
наиболее распространенных промежуточных теплоносителей относятся водяной пар, горячая
вода, высокотемпературные теплоносители, а также горячие продукты производства
(промежуточные вещества, конечные продукты и отходы производства, отводимые из аппаратов
с достаточно высокой температурой). Нагретый воздух в качестве промежуточного
теплоносителя
используется очень редко, так как имеет низкую теплоемкость и требует
больших затрат энергии на нагрев и транспортирование. Дадим краткую характеристику
основным видам теплоносителей и хладагентов:
Топочные газы
Топочные, или дымовые, газы относятся к числу наиболее давно применяемых
нагревательных агентов. Топочные газы не потеряли своего значения до настоящего времени,
так как позволяют осуществлять нагревание до высоких температур, достигающих 1000-1100
°С. при незначительном избыточном давлении в теплообменнике (со стороны газов). Наиболее
часто топочные газы используют для нагрева через стенку других нагревательных агентов промежуточных теплоносителей.
Наиболее существенными недостатками топочных газов являются:
неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена,
трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к
стенке [не более 35-60 Вт/(м2-К)], возможность загрязнения нагреваемых материалов
продуктами неполного сгорания топлива (при непосредственном обогреве газами).
Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают
"жесткие" условия нагревания, которые недопустимы для многих продуктов и могут вызвать их
перегрев.
Из-за относительно низкой удельной теплоемкости топочных газов их объемные
расходы велики и транспортирование требует значительных затрат. Поэтому топочные газы
обычно используют непосредственно на месте их получения.
Топочные газы получают сжиганием в топках печей твердого, жидкого и
газообразного топлива. Наиболее дешевым и эффективным топливом являются природные газы,
запасы которых в России очень велики. Кроме того, экономически целесообразно применение
в качестве греющих агентов отходящих газов некоторых химических и других производств.
Температура этих газов достаточно высока и иногда достигает 500 - 600 °С.
Водяной пар
Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является водяной пар. В
целях обогрева используют обычно насыщенный водяной пар, а не перегретый. Это объясняется
существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации насыщенного
пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как
теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26-Ю6 Дж/кг при давлении 9,8'Ю5 Па.
Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление
переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой
поверхности теплообмена.
Перегретый пар в теплообменных аппаратах ведет себя как газ: охлаждается, не
конденсируясь, пока не переходит в насыщенное состояние. Так как удельная теплоемкость
водяного пара в среднем равна 1.93 кДж/(кг К), то при охлаждении одного килограмма пара на
100 °С выделится только 193 кДж. Следовательно, при передаче нагреваемому веществу
одного и того же количества тепла, перегретого водяного пара потребуется значительно больше,
чем насыщенно. Кроме того, коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров к
теплообменной поверхности во много раз больше коэффициента теплоотдачи от перегретого
пара к стенке. Так для конденсирующегося водяного пара коэффициент теплоотдачи α в
среднем равен 11.63 кВт/(м2-К), а при использовании перегретого водяного пара без его
конденсации α находится в пределах 58-116 Вт/(м2 К). Поэтому при одинаковой
производительности установки с использованием насыщенного пара будут более компактными
и площадь их теплообменной поверхности, будет значительно меньше.
Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его
конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру
нагрева, а так же, в случае необходимости, регулировать ее, изменяя давление греющего пара.
При использовании тепла парового конденсата коэффициент полезного действия
нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим
требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.)
Основной недостаток водяного пара - значительное возрастание давления с повышением
температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно производить нагревание
насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180-190 °С, что соответствует давлению
пара 1-1,2 МПа. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоящая
теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуникации и арматуру.
Более экономична утилизация водяного пара, получаемого после его использования в
паросиловых установках. Химические производства часто потребляют большие количества не
только тепла, но и электроэнергии. Поэтому целесообразно энергетический пар высокого
давления (до 25 МПа) направлять первоначально в турбины для выработки электрической
энергии, а затем мятый пар турбин давлением 0,6-0.8 МПа (иногда до 3 МПа) использовать для
обогрева химической аппаратуры. Мятый пар турбин является перегретым. Чтобы избежать
увеличения расходов на транспортирование теплоносителя, перегретый пар турбин увлажняют,
смешивая его с горячей водой. При этом пар дополнительно испаряет некоторое количество
воды и направляется в насыщенном состоянии в теплоиспользующие аппараты.
Горячая вода
Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по
сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициенты теплоотдачи от горячей воды, как и
от любой другой жидкости, ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося
пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль по-верхности теплообмена, что
ухудшает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование.
Горячую воду получают в водогрейных котлах, обогреваемых топочными газами, и
паровых водонагревателях (бойлерах). Она применяется обычно для нагрева веществ до
температур не более 100°С. Для температур выше 100°С в качестве теплоносителя используют
воду, находящуюся под избыточным давлением. Для нагревания водой применяют главным
образом циркуляционные системы. В некоторых случаях для нагрева используют конденсат
водяного пара.
Высокотемпературные теплоносители
В различных технологических процессах химической
технологии (производство
химических волокон, пластмасс, фармацевтических материалов и других продуктов) очень
часто требуется нагрев веществ до температуры 250 - 400 °С при обеспечении достаточно
точной регулировки и равномерности нагрева. Нагревание насыщенным водяным паром, в
таких случаях, не может быть применено из-за малой величины рабочей температуры (не более
180 -190 °С), а нагревание топочными газами или электрическим током не может быть
допустимо как по условиям технологии, так и по соображениям пожарной безо-пасности. Для
того, чтобы нагреть вещества до температур 250 - 400 °С, используют специальные
высокотемпературные теплоносители. К ним относят перегретую воду, минеральные масла,
расплавленные соли и металлы, высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) и
некоторые другие вещества.
Рассматриваемые ниже теплоносители обычно получают тепло от топочных газов или
электрического тока, передают его нагреваемому материалу и являются, таким образом,
промежуточными теплоносителями.
Они
обеспечивают равномерность обогрева и
возможность его точной регулировки.
Перегретая вода.
В качестве нагревающего агента перегретая вода используется при давлениях,
достигающих критического (22.1 МПа), которому соответствует температура 374 °С. Поэтому
с
помощью
перегретой воды возможно нагревание материалов до температур,
не
превышающих приблизительно 350 °С. Однако обогрев перегретой водой связан с применением
высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и
повышает стоимость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время он вытесняется более
экономичными способами нагрева другими высокотемпературными теплоносителями.
Минеральные масла.
Минеральные масла являются одними из старейших промежуточных теплоносителей',
используемых для равномерного нагревания различных продуктов. В качестве нагревающих
агентов применяют масла, отличающиеся наиболее высокой температурой вспышки — до
310 °С (цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое). Поэтому верхний предел
нагревания маслами ограничен температурами 250 — 300 °С.
Масла являются наиболее дешевыми органическими
высокотемпературными
теплоносителями, используемыми при необходимости исключения внезапных перегревов и
обеспечения плавного и равномерного обогрева. Однако им присущи существенные недостатки.
Помимо относительно невысоких предельных температур применения минеральные масла
обладают низкими коэффициентами теплоотдачи, которые снижаются еще больше при
термическом разложении и окислении масел. Масла обладают низкой термической
стойкостью (200 - 250 °С). В процессе нагрева масел до рабочей температуры они разлагаются
с образованием твердых и газообразных веществ. Твердые продукты разложения, отлагаясь
на теплообменной поверхности нагревателя, создают предпосылки для ее прогара, а
газообразные— повышают давление в системе и способствуют снижению температуры
вспышки масла. Из-за разложения масел появляется необходимость подпитки системы
свежими порциями и замены всего теплоносителя через определенный срок эксплуатации.
Окисление и загрязнение поверхности
теплообмена
продуктами разложения
усиливается в случае работы масел при температурах, близких к их температуре вспышки, и
приводит к значительному ухудшению теплопередачи. Поэтому для получения достаточных
тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым продуктом должна быть
не менее 15 - 20 °С. Вследствие указанных выше недостатков минеральные масла вытесняются
более эффективными высокотемпературными теплоносителями.
Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ)
Высокотемпературные органические теплоносители и их пары. К группе
высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) относятся индивидуальные
органические вещества: глицерин, этиленгликоль, некоторые производные ароматических
углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан и др.). Продукты хлорирования
дифенила, органические масла; а также многокомпонентные ВОТ. Указанные жидкости имеют
температуру кипения при нормальном давлении от 250 до 300 °С и позволяют при сравнительно
невысоких рабочих давлениях осуществлять нагрев до 300 - 350 °С.
Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь, состоящая из
26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира (этот теплоноситель известен также под
названиями Даутерм А, динил и др.). Дифенильная смесь обладает большей термической
стойкостью, чем составляющие ее компоненты. Дифенильную смесь можно транспортировать
по хорошо изолированным трубопроводам, не опасаясь ее кристаллизации. Температура
кипения дифенильной смеси при атмосферном давлении равна 258 °С. Поэтому в жидком виде
она используется для нагрева до температур не более 250 ° С (при Р = 0,1 МПа). Предельная
температура применения жидкой смеси составляет 280 °С при повышении избыточного
давления в системе до 80 кПа.
Основным достоинством дифенильной смеси как теплоносителя является возможность
получения высоких температур без применения высоких давлений. Давление ее насыщенных
паров равно лишь 1/30 — 1/60 давления насыщенных паров воды в пределах температур от 200
до 400 °С. Так, например, при 300 °С давление насыщения водяного пара составляет 8,7 МПа, а
дифенильной смеси - только 0,2 МПа.
По этой причине становится возможным для нагрева дифенильной смесью до высоких
температур использовать вместо змеевика более простые теплообменные устройства —
рубашки.
Недостатком дифенильной смеси, как и других органических теплоносителей, является
малая теплота парообразования. Однако у дифенильной смеси этот недостаток в значительной
мере компенсируется большей, чем у воды, плотностью паров, в результате чего при испарении
или конденсации смеси количество тепла, выделяющееся на единицу объема пара, оказывается
близким к соответствующей величине для воды.
В парообразном состоянии дифенильная смесь применяется для нагрева до температур,
не превышающих 380 °С (при кратковременном нагреве — приблизительно до 400 °С). При
более высоких температурах происходит заметное разложение дифенильной смеси. Она горюча,
но практически взрывобезопасна и оказывает лишь слабое токсическое воздействие на
человеческий организм.
Все применяемые в промышленности ВОТ являются горючими жидкостями с высокой
температурой кипения и высокой температурой вспышки паров. В условиях эксплуатации ВОТ
нагреваются значительно выше температуры вспышки, но ниже температуры
самовоспламенения. Основные свойства наиболее распространенных высокотемпературных
органических теплоносителей и их показатели пожарной опасности приведены в таблице
Вид
Химическая ρ, tкип,
теплоноси
формула
кг/м3 оС
теля
(состав)
Показатели пожарной опасности
tвсп, tсв, НТПР, ВТПР,
о
о
С оС оС
С
Дифениль
26,5%
1010 258 111 599 111
ная смесь
дифенила
(даутерм, (С6Н5-С6Н5),
динил)
73,5%
дифенилового эфира
(С6Н5-О-С6Н5)
167
Масло 40% нафтено- 960 нача 176 330 170
АМТ-300
парало
финовых
345
углеводородов, 60%
ароматических
углеводородов
Мобиль 40% нафтено- 960 нача- 185 296 176
терм-600
парало
финовых
350
углеводородов, 60%
ароматических
углеводородов
Дитолил
С15Н16
984 293 136 500 107
метан
229
207
138
Этилен
гликоль
С2Н6О2
1116 197 111 412 100
124
Глицерин
С3Н8О3
1260 290 198 400 182
217
Расплавленные соли.
В химической технологии часто необходимо нагревать продукты до температур,
превышающих предельно-допустимые температуры для ВОТ. В таких случаях для
равномерного обогрева используют жидкие неорганические теплоносители, расплавленные
соли и жидкие металлы.
Расплавленные соли и их смеси ( ТiС14, смеси: А1С1з с А1Вrз, NаNО2 с КNО3, NаNО2
с KNОз и NаNОз и др.) используют в качестве промежуточных высокотемпературных
теплоносителей для специальных установок и в атомных реакторах.
Они обладают
незначительной агрессивностью по отношению к металлам, наименее токсичны. Максимальная
температура нагрева продуктов ограничивается термической стойкостью солей и не превышает
550 °С.
Из различных неорганических солей и их смесей, применяемых для нагревания до
высоких температур, наибольшее практическое значение имеет нитрит-нитратная смесь,
состоящая из 40% азотисто-кислого натрия NаNО2. 7% азотнокислого натрия NаNОз и 53%
азотнокислого калия КNОз. Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до
температур 500-540 °С. Смесь практически не вызывает коррозии углеродистых сталей при
температурах не выше 450 °С. Для изготовления аппаратуры и трубопроводов, работающих
при более высоких температурах, используют хромистые и хромоникелевые стали. Кроме того,
трубопроводы снабжают паровым обогревом (с помощью паровых труб, проложенных рядом с
солевой линией и заключенных с ней в общий короб тепловой изоляции).
Нитрит нитратная смесь является сильным окисляющим
агентом. Поэтому по
соображениям взрывобезопасности не допустим ее контакт при высоких температурах с
веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и
некоторых цветных металлов (алюминий, магний).
Жидкие металлы
Для нагрева до температур 400-800 °С и выше в качестве высокотемпературных
теплоносителей могут быть эффективно использованы литий, натрий, калий, свинец, ртуть и
другие металлы. Они используются в жидком и парообразном состоянии. Эти теплоносители
отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и
высокими коэффициентами теп-лоотдачи.
Большинство металлических теплоносителей
практически
не действуют на
малоуглеродистые и легированные стали. Исключение составляют калий и натрий, которые
отличаются чрезвычайно высокой химической
активностью,
требуют применения
нержавеющих сталей и воспламеняются со скоростью взрыва.
Легкоплавкие металлы, кроме ртути, натрия, калия и их сплавов, используются главным
образом в качестве промежуточных теплоносителей для нагревательных бань. Однако иногда
они находят применение в нагревательных установках с естественной и особенно с
принудительной циркуляцией.
Ртуть является единственным металлическим теплоносителем, используемым в
парообразном состоянии, причем давление паров ртути очень низкое (приблизительно 0,2 МПа
при 400 °С). В промышленности имеются ртутно-паровые нагревательные установки,
работающие при естественной циркуляции теплоносителя и отличающиеся
высоким
коэффициентом полезного действия.
Однако пары металлических теплоносителей крайне ядовиты. Так, например,
концентрация паров ртути в воздухе производственных помещений не должна превышать 0,01
мг/м3. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей
должны быть абсолютно герметичны, а помещения снабжены мощной приточно-вытяжной
вентиляцией. Этот и некоторые другие недостатки (плохая смачиваемость металлов, высокая
стоимость и пр.) ограничивают возможности промышленного использования теплоносителей
этой группы в различных технологиях.
Хладагенты
В качестве хладагентов для охлаждения веществ до обыкновенных температур (10 - 30
°С) наиболее широко используют воду и воздух, которые являются достаточно доступными и
дешевыми. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоемкостью, более
высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет проводить охлаждение до более низких
температур. Если по местным условиям вода дефицитна или ее транспортирование связано со
значительными расходами, то охлаждение производят оборотной водой — отработанной
охлаждающей водой теплообменных устройств. Эту воду охлаждают путем ее частичного
испарения в открытых бассейнах или чаще всего — в градирнях путем смешения с потоком
воздуха и снова направляют на использование в качестве охлаждающего агента.
Когда температура охлаждаемой среды превышает температуру кипения воды при
атмосферном давлении, охлаждение проводят при частичном испарении воды, что позволяет
снизить расход воды на охлаждение. Такое испарительное охлаждение является по существу
не только теплообменным, но и массообменным процессом. Испарительное охлаждение
осуществляют в оросительных холодильниках. градирнях и других теплообменных аппаратах,
причем образующийся в последних пар иногда используют в качестве низкотемпературного
греющего агента.
Атмосферный воздух, несмотря на относительно низкие коэффициенты теплоотдачи,
находит в последнее время все большее распространение в качестве охлаждающего агента. Для
улучшения теплообмена отвод тепла воздухом осуществляется при его принудительной
циркуляции с помощью вентиляторов и увеличения поверхности теплообмена со стороны
воздуха, например, путем ее оребрения. Опыт показывает, что при использовании воздушного
охлаждения, например в крупных промышленных конденсаторах паров, затраты и,
следовательно стоимость энергии на принудительную циркуляцию воздуха могут быть меньше
расходов,
связанных с водяным охлаждением, и воздушное охлаждение оказывается
экономичнее водяного. Кроме того, применение воздушного охлаждения позволяет снизить
общий расход воды, что особенно важно при ограниченности местных водяных ресурсов.
Воздух как охлаждающий агент широко используют в смесительных теплообменниках
— градирнях, которые представляют собой полые башни, в которых сверху распыляется вода,
а снизу вверх движется нагнетаемый вентиляторами воздух.
Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или
воздуха (например, 0 °С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение
проводят путем введения льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость.
Для охлаждения до значительно более низких температур, чем 0 °С, применяют
холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например,
аммиака, фреонов), сжиженные газы (СО2, этан и др.) или холодильные рассолы. Эти агенты
используют в специальных холодильных установках, где при их испарении тепло отнимается от
охлаждаемой среды, после чего пары сжижаются путем компрессии или абсорбируются и цикл
замыкается. Как видно, некоторые из вышеперечисленных хладагентов являются горючими
веществами и представляют определенную пожарную опасность.
Вывод по вопросу:
В теплообменных процессах в качестве теплопроводников используются вещества и
материалы различной пожарной опасности. Чтобы правильно оценить степень пожарной
опасности технологического процесса необходимо знать физико-химические
Вопрос 2: Пожарная опасность и основные противопожарные меры при их проектировании и
эксплуатации теплообменных аппаратов.
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют аппараты, предназначенные для
передачи тепла от одних веществ к другим. Они широко применяются во многих технологиях
для нагрева и охлаждения различных веществ. Теплообменные аппараты могут иметь самое
разнообразное конструктивное исполнение, поэтому возникает необходимость их
классификации. Теплообменники обычно классифицируют по принципу действия, назначению,
конструктивному оформлению, виду веществ, участвующих в теплообмене, и схеме их течения.
По принципу действия различают теплообменники смесительные и поверхностные.
Смесительными называются теплообменники, в которых теплообмен между веществами
происходит при их непосредственном соприкосновении и смешении. Поверхностными
называются теплообменники, в которых передача теплоты от одной среды к другой происходит
вследствие их контакта с какой-либо общей твердой поверхностью.
Среди поверхностных теплообменников различают рекуперативные и регенеративные
теплообменные аппараты. Рекуперативными называются теплообменники, в которых
теплообмен между средами происходит через разделяющую их глухую стенку. При этом обе
среды находятся в теплообменном аппарате одновременно. Регенеративными называются
теплообменные аппараты, в которых процесс передачи теплоты от нагревающей жидкости к
нагреваемой происходит периодически. Сначала в аппарат поступает нагревающая жидкость,
передающая теплоту теплообменной поверхности аппарата, которая как бы аккумулирует эту
теплоту; затем в аппарат поступает нагреваемая жидкость, воспринимающая теплоту от
поверхности нагрева. Таким образом, одна и та же поверхность становится то нагреваемой, то
нагревающей. Регенеративные теплообменные аппараты используются крайне редко, поэтому
термин “поверхностные теплообменники” чаще всего применяется по отношению к
рекуперативным теплообменным аппаратам.
По назначению теплообменники классифицируют в зависимости от их названия (испарители,
конденсаторы, подогреватели, холодильники и т.д.).
По конструктивному оформлению поверхности теплообмена теплообменники
подразделяют на трубчатые, змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оребренные, рубашечные
и др. В зависимости от вида веществ, участвующих в теплообмене, теплообменники бывают
жидкостные, газовые (воздушные) и газожидкостные. По схеме движения веществ в
теплообменных аппаратах их подразделяют на прямоточные, противоточные, с перекрестным и
смешанным течением (см. рис. 3.1). При параллельном токе, или прямотоке (рис. 3.1,а),
вещества, участвующие в теплообмене, движутся в одном и том же направлении. При
противотоке (рис. 3.1,б) вещества движутся навстречу друг другу. При перекрестном токе (рис.
3.1,в) вещества движутся взаимно перпендикулярно друг другу. При смешанном токе одно из
веществ, участвующих в теплообмене, движется в каком-то одном направлении, а другое - как
прямотоком, так и противотоком к нему. При этом различают простой, или однократный,
смешанный ток (рис.3.1,г) и многократный смешанный ток (рис.3.1,д).
Рис. 3.1. Схемы направления движения жидкостей 1 и 2 при теплообмене
а —прямоток; б —противоток; в —перекрестный ток; г —однократный смешанный ток;
д —многократный смешанный ток.
В технологических процессах применяются теплообменники, изготовленные из самых
различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана, тантала и др.), а так
же из неметаллических материалов, например, графита, тефлона и др. Выбор материала
диктуется, в основном, его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем
конструкция теплообменного аппарата существенно зависит от свойств выбранного материала.
Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и
ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать, возможно меньшее
загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.
Кожухотрубчатые теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто используемых
поверхностных теплообменников. Их применяют в тех случаях, когда требуется большая
поверхность нагрева. Кожухотрубчатый теплообменник (рис. 3.2) состоит из металлического
кожуха 3 и приваренных к нему трубных решеток 5. К трубным решеткам крепятся (на
прокладках и болтах) крышки 2. В отверстиях трубных решеток герметично закрепляется пучок
теплообменных трубок 4.
Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных
шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рис. 3.3,а), реже применяют
размещение труб по концентрическим окружностям (рис. 3.3,б). В отдельных случаях, когда
необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по
периметрам прямоугольников (рис. 3.3,в). Все указанные способы размещения труб преследуют
одну цель обеспечить, возможно более компактное размещение необходимой поверхности
теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается
при размещении труб по периметрам правильных шестиугольников. Трубы закрепляют в
решетках чаще всего развальцовкой.
Рис. 3.2. Кожухотрубчатый теплообменник
1 —патрубок; 2 —крышка; 3 —кожух; 4 —теплообменные трубки; 5 —трубные решетки;
6 —прокладки; 7 —перегородки; 8 —фланцы.
Рис. 3.3. Способы размещения труб в теплообменниках:
а —по периметрам правильных шестиугольников; б —по концентрическим
окружностям; в —по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).
В любом кожухотрубчатом теплообменнике имеется два изолированных объема трубный и межтрубный. В один из этих объемов подают теплоноситель, в другой - нагреваемое
вещество. Теплоноситель и нагреваемое вещество обычно направляют противотоком друг к
другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а теплоноситель в
противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с
направлением, в котором стремится двигаться среда под влиянием изменения ее плотности при
нагревании или охлаждении. Кроме того, при указанных направлениях движения сред
достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по
площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более
холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как
более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя “застойные” зоны.
Кожухотрубчатые теплообменники бывают одноходовыми, когда теплоноситель и
нагреваемое вещество движутся параллельно по всем трубкам не меняя направления, и
многоходовыми, когда пучок трубок разделен на несколько секций (последовательных ходов) и
нагреваемое вещество проходит последовательно по всем ходам.
Теплообменник, изображенный на рис. 3.4,а, является одноходовым. При сравнительно
небольших расходах жидкости скорость ее движения в трубах таких теплообменников низка и,
следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной
поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту
(длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты неудобны для
монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление
деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене (кожух аппарата). Поэтому более
рационально увеличивать скорость теплообмена путем применения многоходовых
теплообменников.
Рис. 3.4. Кожухотрубчатые одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники:
1 —кожух; 2 —трубные решетки; 3 —трубы; 4 —крышки; 5 —перегородки в крышках; 6
—перегородки в межтрубном пространстве.
В многоходовом теплообменнике (рис. 3.4,б) корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные
в них трубы 3 и крышки 4 идентичны изображенным на рис. 3.4,а. С помощью поперечных
перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или
ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве
теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях
находилось примерно одинаковое число труб.
Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в
одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в
трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в
одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Так в четырех ходовом
теплообменнике (рис. 3.4,б) скорость в трубах при прочих равных условиях в четыре раза
больше, чем в одноходовом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в
межтрубном пространстве служат сегментные перегородки 6. В горизонтальных
теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для
пучка труб.
Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменниках
сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением их конструкции.
Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов
теплообменника, которое обычно не превышает 5 , 6. Многоходовые теплообменники работают
по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей
силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в
теплообмене сред.
В одноходовых и особенно в многоходовых теплообменниках теплообмен может
ухудшаться вследствие выделения растворенных в жидкости (или паре) воздуха и других
неконденсирующихся газов. Для их периодического удаления в верхней части кожуха
теплообменников устанавливают продувочные краники.
Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или
горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают
меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются
обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред
для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и
плотностей, а также устранить образование застойных зон. Для трубного пучка чаще применяют
стальные трубы с наружным диаметром 25, 38, 57 мм. Площадь теплообменной поверхности
нормализованных теплообменников может быть от 5 до 400 и более м2, диаметр кожуха от 159
до 2000 мм, длина трубок от 1 до 7000 мм.
Двухтрубчатые теплообменники
Теплообменники этой конструкции, называемые также теплообменниками типа “труба в
трубе” (ТТ.), состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов,
образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис. 3.5). Одна среда,
участвующая в теплообмене, движется по внутренним трубам 1, а другая —по кольцевому
зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы (обычно диаметром 57
—108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76 —159 мм, патрубками.
Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в
двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие
скорости жидкости, равные обычно 1 —1,5 м/с. Это позволяет получать более высокие
коэффициенты теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы
аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с увеличением скоростей
теплоносителей уменьшается возможность отложения загрязнений на поверхности
теплообмена.
Рис. 3.5. Двухтрубчатый теплообменник.
1 —внутренняя труба; 2 —ныружная труба; 3 —калачи; I и II —теплоноситель и
нагреваемая жидкость.
Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют
большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого
типа образуется только внутренними трубами.
Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах
теплоносителей, а также при высоких давлениях. Если требуется большая поверхность
теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.
Пожарная опасность теплообменных аппаратов
Эксплуатация теплообменных аппаратов связана с определенной пожарной опасностью,
обусловленной, прежде всего, обращением в них горючих веществ (демонстрируется слайд
№19). При нормальной работе теплообменников-подогревателей весь их объем полностью
заполнен теплоносителем и нагреваемым продуктом, которые обычно не содержат кислорода
или других окислителей. Следовательно, паро-воздушный объем внутри аппарата отсутствует и
образование горючей среды исключено.
Пожарная опасность при эксплуатации теплообменных аппаратов возникает, главным
образом, в результате образования неплотностей и повреждений. При этом, в зависимости от
характера повреждений и соотношения давлений, нагреваемый горючий продукт может
выходить наружу или попадать в теплоноситель, либо теплоноситель может попадать в
нагреваемый продукт или выходить из аппарата.
При выходе горючих газов, паров или жидкостей из теплообменных аппаратов может
иметь место загазованность технологического участка с образованием горючих концентраций.
Применительно к жидкостям, горючая среда будет образовываться, если выполняется условие:
>= tвсп
(3.1)
где tр —рабочая температура жидкости, оС;
tвсп —температура вспышки жидкости, оС .
Если температура выходящего горючего продукта будет превышать tсв, то возможно его
самовоспламенение при смешивании с воздухом.
Теплообменные аппараты с температурой наружной поверхности выше 40 оС защищают
теплоизоляцией для предотвращения возможных ожогов людей и снижения тепловых потерь в
окружающую среду. В этом случае выходящая из аппарата горючая жидкость может пропитать
теплоизоляцию и привести к самовозгоранию последней.
При возникновении повреждения непосредственно в теплообменной поверхности, через
которую происходит теплообмен между веществами, теплоноситель может попасть в
нагреваемый продукт, если его давление больше, чем давление продукта. Если в качестве
теплоносителя используется водяной пар, горячая или перегретая вода, то нагреваемый продукт
будет обводняться и может стать опасным для последующих технологических операций. Так, на
теплоэлектростанциях в паровых котлах производится сжигание мазута с целью нагрева воды и
превращения ее в пар. Перед тем, как мазут подается к форсункам, его подогревают для
снижения вязкости в кожухотрубчатых подогревателях. В качестве теплоносителя в таких
теплообменных аппаратах используется водяной пар. Если водяной пар попадет в мазут, то
пламя форсунок может погаснуть, мазут начнет интенсивно испаряться с образованием
взрывоопасных концентраций, а так как температура в котлах значительно превышает
температуру самовоспламенения мазута, то может произойти взрыв.
Но может возникнуть и иная ситуация когда давление нагреваемого продукта превышает
давление теплоносителя. В этом случае при повреждении теплообменной поверхности продукт
попадет в теплоноситель, что сопряжено с опасностью образования горючей среды в системах
утилизации теплоносителя или системах его подогрева.
Итак, мы рассмотрели четыре основных ситуации, которые могут представлять
пожарную опасность при эксплуатации теплообменных аппаратов. Причинами таких ситуаций
являются повреждения и не плотности, которые появляются в теплообменниках главным
образом в результате образования повышенного давления, температурных воздействий,
коррозии, эрозии и вибраций.
Повышенное давление в теплообменных аппаратах может возникнуть в следующих
случаях:
1) при увеличении подачи нагреваемого (охлаждаемого) продукта и теплоносителя
(хладоагента);
2) при увеличении гидравлического сопротивления и образовании пробок внутри
теплообменных трубок и трубопроводах, находящихся за теплообменными аппаратами;
3) при перегреве жидкостей;
4) при нарушении процесса конденсации в конденсаторах.
Профилактические мероприятия
Соблюдение теплового баланса при эксплуатации теплообменных аппаратов является
одним из основных направлений обеспечения их пожарной безопасности.
Для того, чтобы уравнение теплового баланса было соблюдено, необходимо
контролировать и регулировать:
1) расход и температуру теплоносителя (хладагента);
2) расход и температуру нагреваемого (охлаждаемого) вещества.
Как отмечалось выше, пожарная опасность теплообменных аппаратов связана прежде
всего с возникновением неплотностей и повреждений в отдельных конструктивных элементах.
Защита теплообменных аппаратов от возникновения опасных температурных
напряжений может быть обеспечена тремя способами:
1) уменьшение разности температур между отдельными элементами аппарата;
2) подбор соответствующих материалов при конструировании отдельных узлов
аппаратов;
3) обеспечение независимых температурных деформаций между корпусом и
теплообменными элементами.
Уменьшение разности температур между отдельными элементами теплообменного
аппарата достигается прежде всего правильным выбором взаимного направления веществ,
участвующих в процессе теплообмена. Минимальные температурные напряжения возникают в
теплообменниках, работающих по схеме противотоков. Если же по каким-либо причинам не
представляется возможным использовать противоточные теплообменники, то для снижения
температурных градиентов необходимо обеспечивать медленный разогрев и охлаждение
аппаратов при пуске и остановке, предусматривать одновременный пуск веществ и
поддерживать постоянный температурный режим. Для снижения температурных напряжений в
корпусе теплообменных аппаратов необходимо предусматривать их защиту теплоизоляцией.
Дополнительные температурные напряжения при действии даже постоянной по величине
температуры возникают в конструкциях теплообменников, выполненных из различных
материалов. Чтобы предотвратить такие дополнительные напряжения необходимо при
конструировании отдельных узлов аппаратов подбирать материалы с примерно одинаковыми
коэффициентами линейного расширения.
Обеспечение независимых температурных деформаций между корпусом аппаратов и
теплообменными элементами достигается использованием температурных компенсаторов.
Вывод по вопросу:
Защита теплообменных аппаратов от возникновения опасных температурных
напряжений может быть обеспечена тремя способами:
1) уменьшение разности температур между отдельными элементами аппарата;
2) подбор соответствующих материалов при конструировании отдельных узлов
аппаратов;
3) обеспечение независимых температурных деформаций между корпусом и
теплообменными элементами.
Вывод по занятию:
Процессы теплообмена представляют собой передачу энергии от источника тепла к конечной
цели посредством теплоносителя либо хладагента. Зачастую основную пожарную опасность
представляет собой именно разогретый теплоноситель, а именно его возможный выброс из
трубопроводов и аппаратов. Поэтому основной задачей пожарной профилактики в
теплообменных аппаратах является поддержание внутреннего баланса аппаратов,
своевременный и качественный ремонт и техническое обслуживание трубопроводов и
агрегатов.
Скачать