Охолодження

Для охолодження до звичайних температур (приблизно до 10-30⁰С) в хімічній промисловості використовують доступні та дешеві охолоджуючі агенти – воду та повітря. Порівняно з повітрям, вода відзначається великою теплоємністю, більшим коефіцієнтом тепловіддачі і дає змогу проводити охолодження до нижчих температур.

Для охолодження застосовують воду річок, озер, ставків або артезіанську воду. Якщо за місцевими умовами вода є дефіцитом або її транспортування пов'язане зі значними витратами, то охолодження проводять оборотною водою – відпрацьованою охолоджуючою водою теплообмінних пристроїв. Цю воду охолоджують шляхом її часткового випаровування у відкритих басейнах або в градирнях (шляхом змішування з потоком повітря) і знову направляють на використання як охолоджуючого агента.

Необхідний ступінь охолодження залежить від початкової температури води. Річкова, озерна та ставкова вода в залежності від пори року має температуру 4-25⁰С, артезіанська вода – 8-15⁰С і оборотна вода – приблизно 30⁰ С (за літніх умов). При проектуванні теплообмінної апаратури необхідно приймати для обрахунків початкову температуру води за найбільш несприятливих (літніх) умов з тим, щоб забезпечити надійну та безперебійну роботу теплообмінних пристроїв протягом всього року. Температура води, яка виходить з теплообмінників, не повинна перевищувати 40-50⁰С (в залежності від складу води), щоб звести до мінімуму виділення розчинених у воді солей, які відкладаються на теплообмінних поверхнях і знижують ефективність теплообміну.

Витрату води W на охолодження визначають з рівняння теплового балансу:

,

звідси

,

де G – кількість охолоджуваного робочого середовища, кг/с; с – середня питома теплоємність цього матеріалу, Дж/(кг.К); с_В - питома теплоємність води, Дж/(кг.К); t_П, t_K – початкова та кінцева температури середовища, що охолоджується, ⁰С; t₁, t₂ – початкова та кінцева температури води, ⁰С.

Вода використовується для охолодження, в основному, в поверхневих теплообмінниках (холодильниках). В таких холодильниках вода рухається зазвичай знизу вверх для того, щоб конвекційні струми, які обумовлені зміною властивостей теплоносія при підвищенні температури, співпадали з напрямком його руху. Вода застосовується також в теплообмінниках змішування, наприклад, розбризкується в потоці газу для охолодження та зволоження.

Коли температура охолоджуваного матеріалу перевищує температуру кипіння води під атмосферним тиском, то охолодження проводять при частковому випарюванні води, що дозволяє знизити витрату води на охолодження. Таке випарювальне охолодження є в дійсності не тільки теплообмінним, але й масообмінним процесом.

Випарювальне охолодження здійснюється в зрошувальних холодильниках, градирнях та інших теплообмінних апаратах, причому пару, яка утворюється в цих апаратах, інколи використовують як низькотемпературний нагрівальний агент.

Атмосферне повітря, незважаючи на відносно низькі коефіцієнти тепловіддачі, знаходить останнім часом дедалі ширше використання в якості холодильного агента. Щоб поліпшити теплообмін, застосовують примусову циркуляцію повітря завдяки використанню вентиляторів та збільшенню поверхні теплообміну щодо повітря. Досвід свідчить, що при використанні повітряного охолодження, наприклад, у великих промислових конденсаторах пари, втрата і, як наслідок, вартість енергії на примусову циркуляцію повітря можуть бути меншими, ніж витрати, пов'язані з водяним охолодженням, і тому повітряне охолодження виявляється економічнішим порівняно з водяним охолодженням. Крім того, використання повітряного охолодження дозволяє знизити загальні витрати води, що є особливо важливим при обмеженості місцевих водних ресурсів.

Повітря як холодильний агент широко використовують у змішувальних теплообмінниках – градирнях. Вони являють собою пологі башти, в яких зверху розпилюється вода, а знизу вверх рухається повітря, яке нагнітається вентилятором.

Для досягнення нижчих температур порівняно з тими, які можна отримати за допомогою води або повітря (наприклад, 0⁰С), за умови, що можливе розведення середовища водою, охолодження проводять шляхом введення льоду або холодної води безпосередньо в охолоджувану рідину.

Кількість льоду G_Л (кг), яка потрібна для охолодження, визначається з рівняння теплового балансу

,

звідси ,

де G – маса охолоджуваної рідини, кг; с_В – питома теплоємність води, кДж/(кг град); с – питома теплоємність охолоджуваної рідини, кДж/(кг град); t_П, t_K – початкова та кінцева температури охолоджуваної рідини, ⁰С; 335,2 кДж/кг – теплота плавлення льоду. Вода, яка утворилась в результаті плавлення льоду, має кінцеву температуру охолоджуваної рідини.

Для охолодження до температур, нижчих за 0⁰С, застосовують холодильні агенти, які являють собою пару рідин, що мають низьку температуру кипіння, а саме: амоніак, зріджені гази (СО₂, етан тощо) або холодильні розсоли. Ці холодоагенти використовуються в спеціальних холодильних установках, де під час їх випаровування тепло відводиться від охолоджуваного середовища. Потім пара зріджується шляхом компресії або абсорбується, і цикл завершується.

В основних хіміко-технологічних процесах часто використовують конденсацію пари. Конденсацію пари (газів) можна здійснити охолодженням або одночасним охолодженням і стисканням. Пара, яка підлягає конденсації, відводиться з апарата, де вона утворюється, в окремий закритий апарат, який використовують для конденсації парів - конденсатор, що охолод-жується водою або повітрям.

Об'єм утвореного конденсату в тисячу разів менший від об'єму пари, з якої він утворився. В результаті у конденсаторі утворюється розріджений простір.

Одночасно з процесом конденсації в робочому просторі конденсатора відбувається накопичення повітря та інших газів, які не конденсуються, але виділяються з рідини, а також надходять з оточуючого повітря. В міру накопичення несконденсованих газів і підвищення їх парціального тиску зменшується розрідження в апараті. Ось чому для підтримки вакууму на потрібному рівні необхідно постійно відводити з конденсатора гази, які не конденсуються. Ці гази відкачують за допомогою вакуум-насосу. Одночасно вакуум-насос не допускає коливань тиску, зумовлених зміною температури холодильного агента.

За способом охолодження розрізняють конденсатори змішування та поверхневі конденсатори.

В конденсаторах змішування пара і конденсат безпосередньо стикаються з охолоджувальною водою, і отриманий конденсат змішується з водою. Конденсацію в таких апаратах проводять в тих випадках, коли сам конденсат не має практичної цінності.

В залежності від способу відведення води, конденсату та газів, що не сконденсувались, конденсатори поділяються на мокрі і сухі. У мокрих конденсаторах вода, конденсат і гази відкачуються одним вакуум-насосом. В сухих або барометричних конденсаторах вода і конденсат видаляються разом самопливом, а гази відкачуються окремо за допомогою сухого вакуум-насосу.

У поверхневих конденсаторах тепло відокремлюється від пари, яка конденсується, через стінку. Найчастіше пара конденсується на зовнішніх та внутрішніх поверхнях труб, які омиваються з протилежної сторони водою або повітрям. Таким чином, утворений конденсат і охолоджувальний агент відводяться з конденсатора окремо, і конденсат, якщо він має практичну цінність, можна повторно використовувати. Так, поверхневі конденсатори загалом застосовують в тих випадках, коли зрідження та охолодження кінцевого продукту, який отримаємо, наприклад, у вигляді перегрітої пари, є завершальною операцією виробничого процесу.

Разом з тим, поверхневі конденсатори дорожчі та вимагають більших витрат охолоджувального агента, ніж зрошувальні холодильники-конденсатори.

Одночасно в якості поверхневих конденсаторів можна використовувати теплообмінники різних типів, проте найчастіше застосовують трубчаті або зрошувальні холодильники-конденсатори.