Движущая сила процессов передачи тепла
Она существенно зависит от взаимного направления движения теплоносителей. Различают следующие основные схемы взаимного движения теплообменивающихся потоков относительно поверхности теплообмена:
Прямоток – обе среды движутся в одном направлении;
Противоток – среды движутся в противоположных направлениях;
Перекрестный ток – направление движения потоков перпендикулярное;
Смешанный ток – взаимное движение теплоносителей включает все вышеуказанные схемы движения.
Как правило, в химико-фармацевтической технологии встречаются противоточное и прямоточное движения теплоностителей.
Выбор взаимного направления движения теплоносителей. Правильный выбор взаимного направления движения теплоносителей имеет существенное значение для наиболее экономичного проведения процессов теплообмена.
Для сравнительной оценки прямотока и противотока сопоставим эти виды взаимного направления движения теплоносителей с точки зрения расхода теплоносителей и средней разности температур.
В случае прямотока (рис. 21) конечная температура более холодного теплоносителя t 2 K не может быть выше конечной температуры более нагретого теплоносителя t 1 K
Рис. 21. Сравнение прямотока и противотока теплоносителей.
Практически для осуществления процесса теплообмена на выходе из теплообменника должна быть некоторая разность температур 
При противотоке более холодный теплоноситель с той же начальной температурой t 2 H , что и при прямотоке, может нагреться до более высокой температуры t’2K, близкой к начальной температуре t 1Н более нагретого теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к некоторому уменьшению средней разности температур и соответственно - к увеличению потребной поверхности теплообмена при противотоке по сравнению с прямотоком. Однако экономический эффект, достигаемый вследствие уменьшения расхода теплоносителя при противотоке, превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров теплообменника. Отсюда следует, что применение противотока при теплообмене более экономично, чем прямотока.
|
|
|
Теперь сопоставим противоток с прямотоком при одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносителей. Изменение температуры более холодного теплоносителя показано на рис. 21 пунктиром. Расчеты показывают, что в данном случае средняя разность температур при противотоке будет больше, чем при прямотоке, а расход теплоносителей одинаков. Следовательно, скорость теплообмена при противотоке будет больше, что и обусловливает преимущество противотока перед прямотоком.
|
|
|
Вместе с тем в отдельных случаях выбор направления движения теплоносителей прямотоком диктуется технологическими соображениями. Так, в барабанных сушилках (см. главу XV) высушиваемый материал и греющий агент (топочные газы, нагретый воздух) направляют параллельным током с тем, чтобы не подвергать перегреву высушенный материал во избежание его окисления, осмоления и т. п.
Теплообменные аппараты и их классификация. Характеристика теплообменников: поверхностных, смесительных, регенеративных и с внутренним тепловыделением (змеевиковые, кожухотрубные, труба в трубе, ребристые, паровые рубашки, скрубберы, холодильники, бойлеры, калориферы и др.).
Теплообменные аппараты
К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых теплоноситель отдает тепло обогреваемому объекту - жидкости, газу, твердому веществу и т.д. Нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.
Теплообменники делятся на две группы: периодического и непрерывного действия. Первые характеризуются нагреванием среды до определенной температуры в течение некоторого времени, после чего процесс прекращается. Например, расплавление основы в бочке с помощью
|
|
|
паровой иглы, нагревание воды в котле для изготовления сахарного сиропа и т.д.
Вторые характеризуются непрерывной подачей греющего и нагреваемого теплоносителей. Причем, в зависимости от направления движения теплоносителей имеет место прямой ток, противоток, перекрестный ток.
Теплообменными аппаратами являются различные подогреватели, выпарительные аппараты, конденсаторы.
Теплообменники в зависимости от характера теплопередачи подразделяются на 4 группы:
I. Поверхностные или рекуперативные
II. Смесительные или контактные
III. Регенеративные
IV. Теплообменники с внутренним тепловыделением.
В химико-фармацевтическом производстве применяются два первых вида теплообменных аппаратов.
В поверхностных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители протекают одновременно по разные стороны разделяющей их стенки. Через стенку и передается тепло от одного теплоносителя другому.
Для обогрева используются теплообменники различных конструкций.
· Кожухотрубные (одноходовые и многоходовые)
· Типа «труба в трубе»
· Теплообменник со змеевиком
· Пластинчатый теплообменник
· Спиральный теплообменник.
К поверхностным теплоносителям относятся:
|
|
|
1. Паровые рубашки.
Паровая рубашка (рис. 2.28) представляет собой двойные стенки (2), широко применяемые для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевиков (например, котел с якорной мешалкой). Рубашка укрепляется снаружи корпуса аппарата.
Между внутренней поверхностью рубашки и наружной поверхностью корпуса аппарата образуется герметически замкнутое пространство, в которое при нагревании через верхний штуцер вводится пар, а через нижний штуцер выводится конденсат. Для охлаждения, наоборот, охлаждающая жидкость поступает снизу и выводится через верхний штуцер.
Высота рубашки должна быть не менее высоты уровня жидкости в аппарате. Для более равномерного нагрева аппарата диаметром более 1 м пар вводится в рубашку с двух сторон.
Обычно рубашки применяют для нагревания паром под давлением не более 5 атм.
2. Змеевиковые теплообменники, паровые иглы.
Рис. 2.29. Змеевиковый теплообменник.
Змеевиковые теплообменники (рис. 2.29) являются одними из простейших устройств теплообменников. Они представляют собой прямые трубы, соединенные коленами или спирально согнутую трубу с расположением витков по винтовой линии. Обычно змеевики изготавливают из труб диаметром не более 76 мм. Из более толстых труб гнуть спирали трудно. В связи с небольшим диаметром труб скорость греющей жидкости или пара невелика, вследствие чего невелика и скорость теплообмена.
К змеевиковым теплообменникам относится паровая игла, предназначенная в основном для растапливания мазевых основ в бочках.
3. Двухтрубные теплообменники или теплообменники "труба в трубе".
Состоят из труб (2), заключенных в других трубах (1) большего диаметра (рис. 2.30). В них происходит интенсивный теплообмен. Для повышения теплоотдачи в межтрубном пространстве в некоторых аппаратах «труба в трубе» внутренняя труба имеет продольные ребра.
Рис. 2.30. Теплообменник типа «труба в трубе»
1 – наружная труба, 2 - внутренняя труба, 3 – калач
Позволяют осуществить высокую интенсивность теплообмена вследствие большой скорости перемещения сред, однако они громоздки и расходуется много металла для их создания.
4. Кожухотрубные теплообменники. Бывают одноходовые и многоходовые.
Простейшая конструкция такого теплообменника (рис. 2.31) такова. В двух трубных досках (2) с отверстиями ввальцованы трубы (3), заключенные в кожух (1), закрываемый с обеих сторон крышками. Греющий пар подается в межтрубное пространство сверху вниз, а нагреваемый теплоноситель подается в трубы снизу вверх. Для уменьшения тепловых потерь кожух снаружи покрывают слоем изоляции.
Рис.2.31 Кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками.
1 - кожух, 2 - трубная решетка, 3 - трубы, 4 - входная камера, 5 - выходная камера.
Во многоходовых теплообменниках трубы разделены на секции и работает он по принципу смешанного тока.
5. Ребристые теплообменники. Калорифера. Предназначены для нагревания воздуха и газов. При нагреве воздуха паром условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки неравноценны; от греющего пара к стенке коэффициент теплоотдачи = 10000 ккал/кг час °С, а от стенки к нагреваемому воздуху или газу всего 5-10 ккал/м2час °С.
Для увеличения теплоотдачи трубы снаружи снабжают ребрами, причем, стенки ребер должны быть изготовлены из хорошо проводящего тепло материала. Ребра располагаются таким образом, чтобы холодный воздух мог возможно глубже проходить между ребрами (батареи парового отопления).
Калориферы - это ребристые теплообменники, предназначенные для нагревания воздуха (рис. 2.32).
Рис. 2.32. Пластинчатый калорифер.
1 - коробка, 2 – ребра
6. Спиральные теплообменники (рис. 2.33). В них поверхность теплообмена образуется не трубами, а металлическими листами, свернутыми в виде спирали.
Рис. 2.33. Горизонтальный спиральный теплообменник.
1,2—листы; 3—разделительная перегородка
Работают главным образом по противотоку. Они компактны, однако сложны в изготовлении.
II. Теплообменники смешивающего типа. Теплопередача в них осуществляется при непосредственном соприкосновении и смешивании горячего и холодного теплоносителя. Обычно они применяются для охлаждения или нагрева воды в потоке воздуха или газа. Для улучшения
контакта между газом и жидкостью, последняя разбрызгивается.
Смесительные теплообменники делятся на струйные смесительные теплообменники и скрубберы (оросительные), (рис. 2.34).
Рис. 2.34. Струйный смеситель (слева) Скруббер (справа)
В теплообменных аппаратах пар, отдав скрытую теплоту парообразования, конденсируется, превращается в воду и затрудняет проход пара. В связи с этим ухудшается теплоотдача. Для хорошей работы теплообменников конденсат должен беспрерывно удалятся.
Рис. 2.36. Конденсационный горшок с открытым поплавком.
1—корпус, 2—поплавок, 3— труба, 4— шток, 5— клапан, 6—отверстие для выхода конденсата.
Эту задачу осуществляют парозапорные устройства. Они предназначены для выброса воды в окружающую среду из системы. Вместе с тем, они должны не пропускать пара.
К парозапорным устройством относятся конденсационные горшки. Они бывают двух типов: с открытым или закрытым поплавком.
Конденсат водяного пара заполняет внутреннее пространство конденсационного горшка (рис. 2.36) и переливается в поплавок 2. При переполнении поплавка он тонет и открывает клапан 5 для выброса конденсата. После выхода конденсата поплавок снова всплывает, штоком
закрывает клапан 5 и герметизирует горшок.
III. В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность омывается попеременно то греющим, то нагреваемым теплоносителем. Например, воздухоподогреватель доменной печи. Основным элементом является насадка, выложенная из специальных кирпичей таким образом,
что между ними образуются каналы для прохода теплоносителя. Подогреватель работает циклически. Сначала по его каналам пропускают горячие продукты сгорания, отдающие тепло насадке. После его разогрева переключаются соответствующие клапаны и по тем же каналам проходит нагреваемый воздух, забирающий аккумулированное насадкой тепло.
Насадка при этом охлаждается. Затем цикл повторяется.
IV. В теплообменниках с внутренним выделением тепла применяется не два, как обычно, а один теплоноситель, забирающий тепло, которое выделяется в самом аппарате. К ним относятся ядерные реакторы, электронагреватели.
Охлаждающие агенты, способы охлаждения, конденсации и их механизмы. Характеристика конденсаторов: поверхностных и смешения (прямоточных и противоточных). Применение охлаждения и замораживания, криопроцессов, конденсации в промышленной технологии.
Охлаждение. Конденсация
В фармацевтической технологии нередко возникает необходимость в охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют теплоносители - воду, воздух. А для достижения низких температур – холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиак), сжиженные газы (CO2, этан и др.) или холодильные рассолы.
Воздух используется при естественном и искусственном охлаждении (с помощью вентилятора). При естественном охлаждении горячий теплоноситель охлаждается вследствие потерь тепла через стенки аппаратов в окружающую среду. Если по условиям данной местности вода дефицитна или ее транспортировка требует больших экономических затрат, то охлаждение осуществляют оборотной водой. Указанную воду охлаждают в смесительных теплообменниках или путем ее частичного испарения в открытых бассейнах или в градирнях способом смешения с потоком воздуха и вновь направляют на повторное использование в виде охлаждающего агента.
Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом, она обладает высокой теплоемкостью, большим коэффициентом теплоотдачи и доступностью.
Требуемая степень охлаждения зависит от начальной температуры теплоносителя (воды). Температура воды использованной, т.е. выходящей из теплообменных аппаратов, не должна превышать 40-50 0С в зависимости от состава воды во избежание выделения растворенных в ней солей и образования инкрустаций, загрязняющих теплообменной оборудование и снижающих эффективность процесса теплообмена.
Низкотемпературные агенты (фреон-12, фреон-22, азот, углекислота и др.) используются для создания температур не достижимых при охлаждении водой.
Среди процессов охлаждения наиболее распространенным является конденсация. Конденсацией называется процесс перевода пара в жидкое состояние путем его охлаждения.
Аппараты, в которых происходит конденсация, называются конденсаторами.
Конденсатор представляет собой теплообменник, в котором пар охлаждается холодным теплоносителем. Конденсация применяется с целью ускорения процесса выпаривания, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов.
Одновременно с конденсацией в рабочем пространстве конденсатора наблюдается накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также поступают через неплотности аппаратуры из окружающей среды. Вследствие этого для поддержания разряжения на необходимом уровне необходимо отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. В технике указанные газы откачивают при помощи вакуум-насосов. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания давления, сопряженные с изменением температуры охлаждающего агента.
Охлаждение пара может производиться двояко: 1) непосредственным смешением паров с холодной водой; 2) через стенку теплообменника. Конденсаторы, работающие по первому принципу, называются конденсаторами смешения, по - второму поверхностными.
В конденсаторах смешения пар непосредственно контактирует с охлаждаемой водой и конденсат смешивается с последней. Конденсацию в указанных аппаратах обычно осуществляют тогда, когда пары не представляют ценности.
В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирующихся газов конденсаторы смешения подразделяются на мокрые и сухие.
В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, представляющий ценность, может быть использован в дальнейшем технологическом процессе. Следует отметить, что поверхностные конденсаторы более металлоемки в сравнении с конденсаторами смешения.
Поверхностные конденсаторы менее экономичны, так как они создают добавочное термическое сопротивление, что вызывает необходимость повышения средней разности температур.
В качестве поверхностных конденсаторов могут быть использованы теплообмении различных типов.
Для нормальной работы барометрического конденсатора противоточного типа необходимо непрерывно отводить смесь охлаждающей воды и конденсата.
Эту операцию осуществляют при помощи барометрической трубы, высота которой (н) должна быть такой, чтобы столб жидкости в ней уравновешивал разность давлений в конденсаторе и атмосфере.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 1618; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!