Оптимизация и интенсификация теплообмена.

Задача оптимизации по критерию :

(4.62)

Оптимизация по какому-то параметру. Далее: первая производная равна 0, вторая производная положительна.

Многопараметрическая оптимизация более сложная задача.

Методы интенсификации теплообмена:

· Активные методы – механическое воздействие на поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание жидкости и.т.д.), пульсация давления вдув и отсос пограничного слоя.

· Пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток формой поверхности теплообмена: винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Смысл разрушение пристенных слоев жидкости.

Обработка:

Юрейцер

Кирпиков (4.63)

Гухман

Олимжиев

Назмеев

Использование пленочного течения для интенсификации теплообмена,Чем меньше толщина пленки, тем лучше. Однако, возможны разрывы пленки жидкости. Для каждого случая определяют минимальную плотность орошения.

Особенность пленочного течения: малое время прогрева пленки, это особенно важно для термолабильных материалов.

Центробежные пленки ещё лучше.

4.2 Промышленные способы передачи тепла.

Все тепловые процессы и установки разделяют на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные:

· Высокотемпературные – 400-2000⁰С (огнетехнические процессы, нагревательные печи)

· Среднетемпературные - 150-700 ⁰С (ректификация, сушка, выпарка)

· Низкотемпературные – -150-150 ⁰С (отопительные, вентиляционные кондиционеры, холодильные установки)

· Криогенные – Т< -150 ⁰С (разделение воздуха).

Теплообменники (ТО) – аппараты для передачи тепла от одного вещества к другому. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями (ТН).

4.2.1. Виды теплоносителей.

ТН классифицируются по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температуры и давления (Т и p).

1. по назначению:

- греющий ТН;

- охлаждающий ТН, хладоноситель;

- промежуточный ТН;

- сушильный агент.

2. по агрегатному состоянию:

- однофазные ТН;

- многофазные (двух-) ТН;

Однофазные:

- низкотемпературная плазма;

- газы;

- неконденсирующиеся пары;

- не кипящие и неиспаряющиеся при данном давлении жидкости;

- растворы;

- зернистые материалы.

Много (двух-)фазные:

- кипящие, испаряющиеся жидкости;

- конденсирующиеся пары;

- плавящиеся, затвердевающие материалы;

- пены;

- аэрозоли;

- эмульсии, суспензии и.т.д.

3. по диапазону температур:

- высокотемпературные ТН (дымовые, топочные газы, расплавы солей, жидкие металлы);

- среднетемпературные ТН (водяной пар, вода, воздух);

- низкотемпературные ТН (при атмосферном давлении );

- криогенные.

С увеличением давления растет и температура кипения жидкостей.

(Бакластов А..М. Промышленные ТМО процессы и установки 1986 г.)

А качестве прямых источников тепловой энергии на химических предприятиях используют толочные (дымовые) газы и электроэнергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту, в ТО называют промежуточными ТН. Наиболее распространенные промежуточные ТН:

- водяной пар, насыщенный;

- горячая вода;

- перегретая вода;

- органические жидкости и их пары;

- минеральные масла, жидкие металлы.

Требования к ТН:

- большая ,.

- высокое значение теплоты парообразования;

- низкая вязкость;

- негорюч, нетоксичен, термостоек;

- дешевизна.

Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.

При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты. Насыщенный водяной пар используют при МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 ⁰С. Выше – экономически невыгодно.

Преимущества насыщенного водяного пара:

- высокий коэффициент теплоотдачи от конденсированного пара к стенке,

- равномерность обогрева ();

- возможность регулирования температуры путем изменения давления;

- возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

- увеличение давления с увеличением температуры (основное).

- Постепенно увеличивается содержание неконденсированных газов(N₂, O₂, CO₂, и.т.д.).

Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку, мятый пар – отработанный пар.

Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом.

жидкость

Нагретая

Жидкость

пар

Уравнение теплового баланса:

(4.64)

Рис 4.12

Здесь D – масса сухого острого пара, Н – энтальпия, L – масса нагреваемой жидкости, с – теплоемкость нагреваемой жидкости, - теплоемкость конденсата, Т₁ и Т₂ – температура жидкости до и после нагрева, Q_П – потери тепла в окружающую среду, t – время.