1.8.4. 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 погляду витрат теплоносіїв і середньої різниці температур (рис. 1.19). Для прямотечійного процесу кінцева температура холоднішого носія t_2к не може бути вищою за температуру більш нагрітого теплоносія t_1к. Фактично для здійснення процесу теплообміну на виході з теплообмінника повинна бути деякою різниця температур t_к = t_1к – t_2к.

Рис. 1.20. Порівняння прямотечійного і протитечійного руху теплоносіїв

За протитечійного процесу холодніший теплоносій з такою самою початковою температурою t_2п, що й за прямотечійного, 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)

За 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. Зміну температури холоднішого теплоносія подано на рис. 1.20 пунктиром. Розрахунки показують, що в цьому випадку середня різниця температур під час протитечійного процесу буде більшою, ніж за прямотечійного, а витрати теплоносіїв будуть однакові. Тому швидкість теплообміну за протитечійного процесу буде більшою, що надає переваги протитечійному процесу над 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) скеровують в одному напрямку для запобігання перегріванню 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.

Р ОЗДІЛ ІІ

Нагрівання, охолодження і конденсація

2.1. Загальна характеристика

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

Теплообмінниками називають апарати, призначені для передачі тепла від однієї речовини до іншої. Речовини, задіяні у процесі передачі тепла, називають теплоно­сіями. Теплоносії з вищою температурою, ніж нагрівальне середовище, які віддають тепло, називають нагрівальним агентом, а теплоносії з нижчою температурою, ніж середовище, від якого вони сприймають тепло, – охолоджувальним агентом.

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

Воду і повітря використовують як охолоджувальні агенти 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 таким 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 (за можливості) бути негорючий, нетоксичний, термічно стійкий;

– щоб не здійснював руйнівного впливу на матеріал теплообмінника;

– повинен бути доступним і недорогим.

Утилізація тепла деяких напівпродуктів, продуктів і відходів виробництва, які використовують як теплоносії, здебільшого є економічно доцільною.