3. Охлаждающие агенты, способы охлаждения и конденсации

3.1. Охлаждение до обыкновенных температур

Для охлаждения до обыкновенных температур (примерно до 10-30 °С) наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агенты — воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой тепло­емкостью, более высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет про­водить охлаждение до более низких температур.

В качестве охлаждающего агента применяют речную, озерную, пру­довую или артезианскую (получаемую из подземных скважин) воду. 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.

Достигаемая температура охлаждения зависит от начальной темпе­ратуры воды. Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25 °С, артезианская вода 8-15 °С и оборотная вода приблизительно 30 °С (в летних условиях). При проектировании теплообменной аппаратуры следует принимать в качестве расчетной на­чальную температуру воды для наиболее неблагоприятных (летних) условий с тем, чтобы обеспечить надежную и бесперебойную работу теплообменных устройств в течение всего года. Температура воды, выходящей из теплообменников, не должна превышать 40-50 °С (в зависимости от состава воды), чтобы свести к минимуму выделение растворенных в воде солей, загрязняющих теплообменные поверхности и снижающих эффек­тивность теплообмена.

Расход W воды на охлаждение определяют из уравнения теплового баланса:

Gc(t_н – t_к) = Wc_в (t₂ – t₁)

откуда

(XII, 3)

где G — расход охлаждаемой среды; с — средняя удельная теплоемкость этой среды, с_в — удельная теплоемкость воды, t_н, t_k — начальная и конечная температуры охлаждае­мой среды; t₁, t₂ — начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Вода используется для охлаждения главным образом в поверхностных теплообменниках (холодильниках), которые будут рассмотрены ниже. В таких холодильниках вода движется обычно снизу вверх для того, чтобы конвекционные токи, обусловленные изменением плотности тепло­носителя при повышении температуры, совпадали с направлением его движения. Вода применяется также в теплообменниках смешения, напри­мер, разбрызгивается в потоке газа для охлаждения и увлажнения.

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.

Атмосферной 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. Они представляют собой полые башни, в которых сверху распыляется вода, а снизу вверх движется нагнетаемый вентиляторами воздух. Для увеличения поверхности контакта между во­дой и воздухом в градирне помещают насадку, например деревянную хордовую насадку и др.