Теплообменом называется процесс переноса тепла между телами с различной температурой. К тепловым процессам, используемым в промышленности, относят процессы нагревания, охлаждения, конденсации и испарения. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмене), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, называют горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающей тепло, - холодным теплоносителем.
Движущей силой теплообменного процесса является разность температур теплоносителей. Различают установившиеся и неустановившиеся процессы теплопередачи. При установившемся – температура в любой точке аппарата не меняется со временем. Неустановившийся режим - т емперарура в одной и той же точке аппарата будет изменяться в течение времени процесса.
П ередача тепла между теплоносителями: Непосредственное соприкосновение теплоносителей Передача тепла через стенку, разделяющую теплоносители. Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.
Теплопроводность характерна для твердых тел. Передача тепла осуществляется внутри тела за счет колебания молекул, атомов. Конвекция характерна для газов и жидкостей. Процесс обусловлен видимым движением частиц. Естественная конвекция – за счет разности плотностей в различных точках объема из-за разности температур. Вынужденная или принудительная – связана с механическим переносом вещества при помощи мешалки, насоса, компрессора. 3. Лучеиспускание (тепловое излучение) – процесс распространения тепла с помощью электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).
При расчете тепловых балансов пользуются следующими тепловыми характеристиками: Тепловой поток или тепловая нагрузка Q (Дж/с) или (Вт) – количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому. 1Дж/с=1Вт=1/1,16 ккал/час Теплосодержание (энтальпия) I (Дж/кг) – количество тепла, содержащаяся в 1 кг массы тела. Удельная теплоемкость с ( Дж/ кг∙К )- количество теплоты, необходимое для нагревания(охлаждения) 1 кг в- ва на 1К. Уравнение теплового баланса : Q=Q гор =Q хол Q гор = GC(T 1 -T 2 ) Q хол = gc (t 2 -t 1 )
топливные (уголь, нефть, природный газ, сланцы, битумные пески, торф, биомасса) нетопливные (гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др.) возобновляемые и невозобновляемые первичные и вторичные.
В зависимости от агрегатного состояния топливо подразделяют на: твердое (уголь, торф, сланцы и дрова) жидкое (нефть, газовый конденсат, бензин, керосин, дизельное топливо и др.) газообразное (природный, попутный, шахтный газ, водород и газы процессов брожения)
Требования к теплоносителям: - должен обеспечивать интенсивный теплообмен при минимальном расходе(небольшая вязкость, высокая плотность и теплоемкость) - дешевизна (экономичность) - безопасность в работе, не горючие, не токсичные - не оказывать отрицательного влияния на материал аппарата
Охлаждение Охлаждение сред до температур 10…30 0 С в промышленности осуществляют с помощью доступных и дешевых теплоносителей – воды и воздуха. Атмосферный воздух охлаждает среды только до температур 25…30 0 С. При этом процесс теплопередачи осуществляют обычно при принудительной циркуляции воздуха, требующей дополнительных энергозатрат на вентиляционное оборудование. Для достижения температур, близких к 0 0 С, производят охлаждение льдом. Для охлаждения до температур ниже 0 0 С применяют холодильные рассолы (растворы CaCl 2, NaCl и др.) обладающие температурой замерзания ниже этой величины.
ТЕПЛООБМЕННАЯ АППАРАТУРА Требования: Обеспечение передачи тепла от одной среды к другой с большой интенсивностью теплообмена Минимальные габаритные размеры и низкую удельную материалоемкость Стабильно работать Высокая химическая стойкость конструкции аппарата Иметь запас прочности
Теплообменные аппараты по принципу действия разделяют на: * поверхностные (рекуперативные) (оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность этой стенки). * регенеративные (процесс передачи тепло от горячего к холодному теплоносителю разделяется по времени на 2 периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника) * смесительные. (теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей).
2. Теплообменник «труба в трубе»
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ - это процессы, связанные с переходом вещества из одной фазы в другую К МП относятся: Абсорбция, адсорбция, сушка, экстракция, ректификация, кристаллизация, растворение. Движущая сила МП – разность концентраций между фазами. Для любого МП характерно состояние равновесия.
МП обратимы, т.е распределяемое вещество может переходить из одной фазы в другую. Механизмом МП является молекулярная или конвективная диффузия. В МП участвуют три вещества: Первая фаза (распределяющее вещество) Вторая фаза (распределяющее вещество) Распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую. Процесс осуществляется в направлении равновесия и прекращается при его достижении.
ПРОЦЕСС МАССООБМЕНА МЕЖДУ ФАЗАМИ.
АБСОРБЦИЯ. – процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Принцип основывается на различной растворимости компонентов газовых и парогазовых смесей в жидкостях при одних и тех же условиях. При выборе абсорбента необходимо учитывать: селективность (избирательность) по отношению к поглощаемому компоненту, токсичность, пожароопасность, стоимость, доступность и пр.
Абсорбция применяется в промышленности для: разделения углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получения соляной и серной кислот, аммиачной воды очистки газовых выбросов от вредных примесей выделения ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, и т.д.
– процесс поглощения газа, пара или жидкости поверхностью пористых твердых тел (адсорбентов). В качестве адсорбентов в промышленности используют: активированный уголь, силикагель, алюмогель.
