2.2 Регенерация теплоты

Часто на каком-либо этапе процесса получаются вещества с высокой температурой, но имеются и другие вещества, которые нужно подогреть. В этом случае для подогрева можно использовать теплоту горячих веществ. Регенерация осуществляется тремя способами: непосредственным теплообменом (т.е. теплоотдачей соприкосновением), через теплообменную поверхность (теплопередача) или с помощью тепловых агентов.

1. Непосредственный теплообмен используется в тех случаях, когда вещества (горячие и холодные) разделяются, т. е находятся в разных фазах. С такими системами приходится иметь дело при работе большинства непрерывно-действующих печей. Твердый материал, загруженный в печь, подогревается уходящими дымовыми газами или газообразными продуктами реакции, а воздух, необходимый для сжигания топлива, отбирает теплоту от материала, сгоревшего в печи.

2. Во многих случаях использовать теплоотдачу соприкосновением невозможно (например, две смешивающиеся жидкости). Тогда регенерация теплоты проводится с помощью теплопередачи через поверхность разделительной стенки, применяется также тепловой агент, имеющий большую тепловую емкость и находящийся в ином агрегатном состоянии, чем нагретое и холодное вещество.

Примером использования теплопередачи для регенерации теплоты служат газы, уходящие из зоны каталитической реакции, проводимой при высокой температуре, отдающие свое тепло через поверхность теплообмена исходным газообразным веществам, направляемым в реактор.

3. Иногда теплопередача соприкосновением и теплопередача через стенку невозможны. Например, при теплопередаче температура в теплообменнике может быть слишком высокой или обменивающиеся теплотой среды могут оказывать сильное коррозионное воздействие на материал стенки. В этих случаях возникают трудности выбора конструкционного материала с большой термической и коррозионной стойкостью, обладающего одновременно высокой теплопроводностью. В этих случаях применяют твердые тепловые агенты. На их использовании основана работа тепловых регенераторов. Сначала горячие газы нагревают массу твердого заполнения камеры регенератора, а в следующем этапе цикла заполнение отдает аккумулированную теплоту газам, которые необходимо нагреть. Пример, схема мартеновской печи, работающей последовательно с тепловым регенератором

2.3 Направления относительного движения тепловых потоков

Обычно необходимо добиваться возможно большей отдачи теплоты от нагретого вещества. Достижение этого зависит от направлений относительного движения веществ, обменивающихся теплотой. Как и в случае массообмена, тепловые потоки могут двигаться в одинаковом (прямоток) или противоположных (противоток) направлениях. Возможно, также движение под некоторым углом относительно друг друга.

Используя прямоточное движение, можно в предельном случае достигнуть такой конечной температуры потоков, которая получилась бы при их смешении. Она зависит от расхода, температуры и удельной теплоемкости потоков. В случае прямотока после окончания процесса теплообмена всегда устанавливается температура, средняя между t и t₂ , и более холодный поток не может достигнуть температуры, близкой к t ₂ и превышающей t₃.Применение противотока дает такую возможность, поскольку получается большая разность температур. Теоретически температура охлаждающегося потока на выходе из аппарата может быть почти равна температуре холодного потока на входе в систему, но тогда резко снижается движущаяся сила процесса. Аналогично можно было бы добиться приближенного выравнивания температур и на другом конце аппарата, где входит горячий и выходит нагретый поток.

Баланс теплообмена в противоточной системе:

m₁c_p1· (t ₁ – t₁) = m₂c_p2 · (t₂ – t₂),

где m₁, m₂ – расходы потоков, с_р1 и с_р2 – средние удельные теплоемкости потоков в данном диапазоне изменения температур, t₁ t₁ t₂ t₂ – температуры потоков.

Отсюда следует, что, изменяя m, можно, в принципе, влиять на конечные температуры.