Тепловое воздействие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение                                                                                                                   3

1 Тепловое воздействие                                                                                          4

2 Совместные взаимодействия  энергетических воздействий и  оценка их результирующей эффективности  для хтп растворения, эмульгирования, диспергирования, экстрагирования                                                                       6

3 Классификация теплообменных аппаратов                                                       8                                                           

4 Технологические оборудования  и принцип их работы                                    9 

5 Зарубежный опыт применения тепловых методов                                           13

Заключение                                                                                                              15   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Под воздействием на обрабатываемую среду (физико-химическую систему) будем понимать направленное проявление сил различных физических полей: механических, электрических, магнитных, тепловых, акустических и радиационных.  Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект, которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную систему. Результаты воздействия – это физико-химические эффекты (ФХЭ), проявляющиеся в элементах системы, на которые направлены определенные воздействия.  Различают такие виды воздействий, как: акустические, электрические, магнитные, тепловые, механические, радиационные, химические.

В нашем реферате мы рассмотрим наиболее часто применяемое тепловое воздействие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Тепловое воздействие

 

Тепловое воздействие  на обрабатываемую среду осуществляется, как правило, за счет передачи теплоты  от теплоносителя. Теплоноситель может  быть подведен как через разделяющую  стенку, так и непосредственно  в жидкость или газ. Нагревание жидкости может быть также произведено  за счет других видов воздействий  – акустического, механического, электромагнитного  и радиационного. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью  подвода или отвода теплоты, называют тепловыми. Тепловой процесс может  быть реализован как нагреванием, так  и охлаждением. Перенос теплоты  является сложным процессом, поэтому  при исследовании тепловых процессов  их разделяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция. При теплопроводности перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами  (молекулами, атомами, электронами). Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие  движения и перемешивания макроскопических объемов фазы. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Тепловое воздействие на вещества вызывает следующие эффекты:

1) кипение – образование  парогазовых пузырьков в жидкости;

2) фазовый переход –  изменение фазового состояния  вещества;

3)  инверсия фаз –  переход дисперсной фазы в  сплошную и наоборот (при концентрациях  фаз, близ- ких к предельным);

4)  эффект Соре (термическая  диффузия) – перенос вещества  за счет теплопроводности;

5)  термоэффекты – изменение физико-химических свойств веществ за счет нагревания или охлаждения;

6) эффект Марангони – непостоянство коэффициента поверхностного натяжения в зависимости от температуры или концентрации вещества;

7) структурообразование  – формирование регулярных структур  за счет тепловых потоков (например, ячейки Бенара)

 

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного 
тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

 Три основных  вида передачи тепла 

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

 Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то 
тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально.

Конве́кция (от лат. convectiō — «доставка») — явление переноса теплоты в жидкостях или газах или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек. 
Лучистый теплообмен.

Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может 
передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

 

2 Совместные взаимодействия энергетических воздействий и оценка их результирующей эффективности для хтп растворения, эмульгирования, диспергирования, экстрагирования.

 

 

 

Примечание.  «++» –  синергетический эффект; «+» –  аддитивный эффект; «–» – антагонистический эффект; воздействия: А – акустические; Э – электрические; Мг – магнитные; Мх – механические; Т – тепловые;  Р – радиационные.

Аддитивные эффекты парных взаимодействий соответствуют процессам и явлениям, которые характерны для линейной теории термодинамики необратимых процессов. Синергетические и антагонистические эффекты выражают нелинейность процессов, протекающих в обрабатываемой среде при энергетическом воздействии и для их описания необходимо базироваться на принципах нелинейной теории термодинамики необратимых процессов. Энергетические воздействия предполагают не только парные комбинации, а также тройные и более. Прогнозируемыми являются аддитивные эффекты. Для синергетических и антагонистических эффектов, в силу их нелинейности, анализ и прогнозирование результатов воздействий является принципиально сложным, количество вариантов сочетаний синергетических и антагонистических эффектов велико.

 

3 Классификация теплообменных аппаратов

 

Теплообменные аппараты можно  классифицировать по следующим признакам:

I По принципу действия

- рекуперативные (поверхностные), в которых тепло от горячего  теплоносителя к холодному передается  через разделяющую их стенку;

- регенеративные, в которых  теплоносители последовательно  проходят через насадку, нагревая  её (при прохождении горячего  теплоносителя) либо охлаждая (при  прохождении холодного теплоносителя);

- аппараты смешения, в  которых теплоносители смешиваются.

II По назначению

- собственно теплообменники, в которых одинаково важными  являются и нагрев, и охлаждение  продукта;

- холодильники, конденсаторы, конденсаторы-холодильники, в которых  осуществляется охлаждение, конденсация  либо конденсация с последующим  охлаждением конденсата. Для этих  целей применяются специальные  охлаждающие агенты (хладоагенты). Холодильники обозначаются Х, конденсаторы – К, конденсаторы-холодильники – ХК;

- нагреватели, кипятильники, испарители предназначены для  нагрева и испарения продуктов.  Используются нагревающие агенты. Кипятильники обозначаются –  К, испарители – И.

III По конструкции

- кожухо-трубчатые;

  - труба в трубе;

  - змеевиковые;

- с двойными стенками (рубашками).

 

4 Технологические оборудования и принцип их работы

 

1. Кожухо-трубчатые. Имеют кожух или корпус, в котором расположен трубный пучок.

А) с неподвижными трубными решетками

1-кожух; 2-трубные решетки; 3-трубы; 4-крышка; 5-днище; 6-болт; 7-прокладка; I и II-теплоносители

Рисунок 5.4 - Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции

а-развальцовка; б- развальцовка в  отверстиях с канавками; в-сварка; г- сальниковые уплотнения

Рисунок 5.5 - Способы крепления труб в трубных решетках

 

 

Один из теплоносителей I протекает по трубам, другой II - по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении.

Есть одно-, двух-, четырех-, шестиходовые аппараты.

Буквой Н обозначаются неподвижные трубные решетки (например, ХН)

Основной недостаток - невозможность  использования аппарата при разности температур >50

Б) с компенсатором на кожухе

1-кожух; 2-трубы; 3- линзовый компенсатор; I и II - теплоносители

Рисунок 5.6 - Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция)

      

На рисунке 5.6 показана схема  теплообменника с линзовым компенсатором 3 на корпусе. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

Часто используются линзовые компенсаторы (ТЛ, ХЛ)

 

 

 

В) с U-образными трубками (ТU)

1-кожух; 2-трубы; I и II – теплоносители

Рисунок 5.7 - Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами

В теплообменнике с U-образными трубами (рисунок 5.7) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться. В аппаратах этого типа, так же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб довольно легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из кожуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренних стенок.

 

 

Г) с плавающей головкой (ТП)

Теплообменник с плавающей  головкой (рисунок 5.8) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

1-кожухи; 2-трубы; 3-перегородка; 4-плавающая головка;  I и II- теплоносители

Рисунок 5.8 - Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой

        

 

 

 

2. Труба в трубе (ТТ)

Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рисунок 5.9).

1-внутренние  трубы; 2-наружные трубы; 3-соединительные колена (калачи); 4- соединительные патрубки; I и II-теплоносители

Рисунок 5.9 - Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»

        

Один теплоноситель I движется по внутренним трубам У, другой II - по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами 2. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3…6 м, диаметр наружной трубы – 76…159 мм, внутренней – 57…108 мм.

 

Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

 

 

3. Змеевиковые теплообменники

На рисунке 5.10 показаны погружные  теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель II), находящуюся в корпусе аппарата.

 

 

 

 

 

 

а-с одним спиральным змеевиком; б-с несколькими спиральными змеевиками; в-с прямыми трубами; 1-погружные трубы; 2-корпуса; I и II-теплоносители