главная > справочник > химическая энциклопедия:

Теплообмен

Теплообмен, самопроизвольный необратимый перенос теплоты (точнее, энергии в форме теплоты) между телами или участками внутри тела с разл. температурой. В соответствии со вторым началом термодинамики теплота переносится в направлении меньшего значения температуры. В общем случае перенос теплоты может вызываться также неоднородностью полей иных физ. величин, например градиентом концентраций (т. наз. диффузионный термоэффект). Теплообмен существен во мн. процессах нагревания, охлаждения, конденсации, кипения, выпаривания, кристаллизации, плавления и оказывает значит. влияние на массообменные (абсорбция, дистилляция, ректификация, сушка и др.) и хим. "процессы.

Движущиеся среды, участвующие в теплообмене и интенсифицирующие его, наз. теплоносителями (обычно капельные жидкости, газы и пары, реже-сыпучие материалы). Известны два осн. способа проведения тепловых процессов: путем теплоотдачи и теплопередачей. Теплоотдача - теплообмен между поверхностью раздела фаз (чаще твердой поверхностью) и теплоносителем. Теплопередача - теплообмен между двумя теплоносителями или иными средами через разделяющую их твердую стенку либо межфазную поверхность.

Механизмы переноса теплоты. Различают три разных механизма распространения теплоты: теплопроводность, конвективный и лучистый перенос.

Теплопроводность - перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимод. микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.). В чистом виде теплопроводность может встречаться в твердых телах, не имеющих внутр. пор и в неподвижных слоях жидкостей, газов или паров. Кол-во переносимой теплопроводностью энергии, определяемое как плотн. теплового потока q_т[Вт/(м² • К) ], пропорционально градиенту температуры (закон Фурье):

q_т= -lgrad T,

где l-коэф. теплопроводности вещества, характеризующий его способность проводить теплоту, Вт/(м•К); знак минус указывает направление переноса теплоты в сторону снижения температуры.

Закон Фурье получен в рамках модели идеального газа, при этом для газов и паров l пропорционален длине своб. пробега молекул и средней скорости их теплового движения. Для жидкостей и твердых тел указанный закон является феноменологическим, а значения l находятся экспериментально. Наим. l имеют газы и пары [0,01-0,15 Вт/(м•К)], наиб, l-металлы (10-500); теплоизоляц. материалы и жидкости-0,03-3. С повышением температуры теплопроводность жидкостей, за исключением воды, уменьшается, а для всех др. тел увеличивается.

Конвективный перенос теплоты - перенос физ. теплоты перемещающихся нагретых жидкостей, газов, паров или их смесей, а также дисперсных сыпучих материалов. В наиб. распространенном случае, когда существен лишь перенос внутр. энергии, а переносом мех. и потенциальных видов энергии можно пренебречь, плотность теплового потока за счет конвективного переноса составляет:

q_т= wrCT,

где w- вектор скорости текучей среды; r, С, Т-плотность, теплоемкость и температура среды.

В большинстве случаев значения w, r, С и Т потоков теплоносителей таковы, что в направлении движения конвективный перенос преобладает над теплопроводностью. Однако при малых скоростях течения высокотеплопроводных жидкостей (расплавов металлов) может наблюдаться обратное соотношение. По мере приближения к твердой поверхности, где скорость вязких жидкостей стремится к нулю, q_т и q_к также становятся сравнимы по величинам. При ламинарном режиме течения в направлении, поперечном движению, конвективный перенос отсутствует. Турбулентному режиму течения свойствен специфич. вид переноса теплоты, физически отвечающий конвективному, а по форме записи -теплопроводности:

q_тб = -l_тбgrad T,

где l_тб-коэф. турбулентной теплопроводности потока, пропорциональный средним значениям длины своб. пробега и скорости пульсац. перемещения турбулентно-пульсирующих объемчиков среды. При развитой турбулентности обычно l_тб l и соотв. q_тб q_т; исключение составляют зоны потока, прилегающие к твердой поверхности, где турбулентность затухает и интенсивность турбулентного переноса уменьшается. В отличие от l величина l_тб не является теплофиз. свойством вещества, а зависит от характера турбулентности.

Лучистый перенос теплоты (радиационный теплообмен, теплообмен излучением) - совокупные процессы излучения электромагн. волн поверхностями твердых или жидких тел, либо объемами газов и паров, распространения этого излучения в пространство между телами и его поглощения поверхностями или объемами др. тел. Практически для лучистого теплообмена наиб. важен инфракрасный диапазон спектра (длины волн 0,8-40 мкм).

Интенсивность I монохроматич. лучистого потока в среде, способной излучать и частично поглощать электромагн. колебания, для единицы телесного (пространственного) угла имеет вид:

где I₀-интенсивность лучистого потока, входящего в рассматриваемый объем по направлению l; В-собственное уд. излучение среды; k и x-уд. коэффициенты ослабления и собств. излучения вещества, отнесенные к единице расстояния в направлении l; s- расстояние от места входа лучистого потока до рассматриваемой произвольной точки. Первое слагаемое для I учитывает поглощение входящего внеш. излучения I₀, а второе-поглощение собств. излучения среды. Полное значение плотности лучистого потока, поступающего в данную точку пространства по всем направлениям и по всему диапазону частот, определяется интегрированием выражения для I по пространств. углу W в пределах 0-4 p и по частотам от 0 до , с учетом зависимостей коэффициентов k и к от частоты излучения w (здесь и далее, например, для координаты х):

и т.д. Общий вектор лучистого потока q_p определяется суммой его проекций на координатные оси.

В отличие от локальных законов переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией закон лучистого переноса имеет интегральный характер. Кроме того, Т. излучением может происходить без наличия вещества среды ( в вакууме).

Уравнение распространения энергии. Основа анализа процессов теплообмена - закон сохранения энергии, согласно которому скорость изменения кол-ва теплоты в произвольной точке в момент времени т равна разности между входящими в точку и выходящими из нее кол-вами Теплоты с добавлением возможного источника теплоты q_V:

Внутр. тепловыделение м. б. обусловлено хим. реакцией, фазовыми переходами, прохождением электрич. тока, работой против сил вязкого трения в потоке; при наличии турбулентного переноса под знак дивергенции div добавляется q_тб.

В соответствии с конкретной задачей уравнение (1) дополняется условиями однозначности. Начальные условия обычно фигурируют как известное распределение искомого температурного поля в начальный момент времени т: T|_т=0 = = Т(х, y, z). Условиями на к.-л. границе х_rр рассматривавмого объема тела (чаще всего на внеш. границе или в центре) м. б. известные значения температуры или производной от нее а также условия конвективной теплоотдачи от (к) наружной поверхности объема:

где a-коэф. теплоотдачи, определяющий интенсивность теплообмена между твердой поверхностью и текучей средой (теплоносителем) с температурой t_тп. Наконец, еще один вид условий реализуется на границе контакта двух сред, где должны быть одинаковы их температуры и потоки теплоты:

Теплопроводность в твердых телах. Различают теплопроводность в стационарных и нестационарных условиях.

Стационарная теплопроводность. Во внутр. точках температура тела во времени не изменяется, но является ф-цией пространств. координат. В отсутствие конвективного и лучистого теплообмена внутри тела при l = const и 9Т=0 уравнение (1) принимает вид:

где -оператор Лапласа.

Решения уравнения (3) наиб. просты для одномерных задач. Так, для симметричной задачи при равномерном тепловыделении в теле плоской формы распределение температуры в поперечном направлении оказывается параболическим:

где R-полутолщина плоской стенки.

При q_V = О распределение температуры поперек плоской стенки описывается линейной зависимостью:

где t_тп1, t_тп2 и a₁, a₂ -т-ры сред и коэф. теплоотдачи по обе стороны стенки; l и d-коэф. теплопроводности и толщина стенки; l/a₁ и 1/a₂-т. наз. термич. сопротивления переносу теплоты со стороны одной и другой сред; d/l-термич. сопротивление стенки. Плотность теплового потока через стенку:

Знаменатели в уравнениях (5) и (6) определяют общее термич. сопротивление теплообмена

Для цилиндрич. и сферич. стенок распределение температуры подчиняется соотв. логарифмич. и гиперболич. законам. Получены решения для тел иных форм, встречающихся в пром. практике. Найдены некоторые решения для случаев l = var, например для плотности теплового потока поперек плоской стенки:

где Т_F1 и T_F2-т-ры поверхностей F стенки; среднее значение коэф. теплопроводности

Более сложные задачи стационарной теплопроводности, в т.ч. для неодномерных тел, м.б. решены численными методами.

Нестационарная теплопроводность связана с определением скоростей изменения температурных профилей внутри нагреваемых (охлаждаемых) тел. При постоянстве коэф. температуропроводности а = l/(Cr) (м²/с), определяющего теплоинерционные свойства вещества по отношению к скорости изменения в нем температурного поля, уравнение для нахождения нестационарных профилей температуры тел, внутри которых отсутствуют конвективный и лучистый теплообмен, имеет вид:

При q_V = const в условиях, например, симметричной конвективной теплоотдачи (см. ниже) от тела шаровой формы решением уравнения (8) является выражение:

где x_i-корни трансцендентного уравнения; tgx = x|(1 - Bi); Bi = aR/l-число Био (см. Подобия теория); Ро = q_VR²/ /[l(t_тп — Т₀)]; Т₀-равномерная начальная температура тела радиусом R; т и r-текущее время процесса и радиус внутр. шара. Средняя по его объему температура вычисляется интегрированием:

Стационарное распределение температуры получается из решения (9) при т : ,. При q_V = 0 из уравнения (9) следует решение задачи о нагреве (охлаждении) шара без внутр. источника (стока) теплоты.

Известны многочисл. решения задач нестационарной теплопроводности для тел разл. формы при переменных внеш. условиях, с продвижением границы фазового перехода и т. д. Если аналит. методы не приводят к результату, используют численные расчеты, в которых м. б. учтены переменные тепло-физ. свойства веществ; однако численные решения не обладают общностью и компактностью аналит. методов.

Конвективная теплоотдача (конвективный теплообмен). Согласно осн. уравнению конвективной теплоотдачи, плотность теплового потока между стенкой и осн. массой теплоносителя записывается в виде: q = a (T_F — t_m). По физ. смыслу a-величина, обратная термич. сопротивлению теплоотдачи, и сложным образом зависит от гидродинамич. обстановки вблизи стенки, размеров и формы ее поверхности, теплофиз. свойств теплоносителя и т.п. Значит. доля исследований в области теплообмена посвящена определению a для разл. случаев теплоотдачи. При этом широко используют безразмерную запись a в форме критерия (числа) Нуссельта: Nu = a//l_гп, где l-характерный размер для потока теплоносителя и l_гп-коэф. его теплопроводности.

Различают теплоотдачу: при вынужденном движении теплоносителя с известной или легко вычисляемой скоростью; при естественной (свободной) конвекции, происходящей за счет разности плотностей нагретых и холодных слоев теплоносителя в поле силы тяжести, когда скорость движения теплоносителя является ф-цией процесса; при конденсации паров на охлаждаемой поверхности и при кипении жидкого теплоносителя на обогреваемой поверхности.

Теоретич. анализ конвективной теплоотдачи затруднителен вследствие необходимости совместного решения дифференц. уравнений гидродинамики и теплообмена; исключение составляет лишь ограниченное число приближенных аналнт. решений для некоторых простых течений. Основа получения данных об интенсивности теплоотдачи-эксперим. исследования. Их результаты обычно представляют в обобщенных переменных, имеющих смысл критериев подобия. Структура отдельных критериев, их физ. сущность и необходимый набор определяются методами теории подобия из уравнений, описывающих конкретный вид теплоотдачи.

Для ламинарного потока внутри труб, т.е. закрытых каналов (число Re < 2,3•10³), критериальная зависимость может иметь вид:

где Nii = a'd_экв/l_тп; Re = wd_экв/v; Pr=v/а и Pr_F = (v/a)_F-число Прандтля при средней температуре потока и температуре поверхности T_F; Gr = gd_эквbDt/v² - число Грасгофа, учитывающее влияние естеств. конвекции; w- скорость вынужденного движения; v, b-коэф. кинематич. вязкости и объем термич. расширения теплоносителя; Dt = T_F — t_тп; a'-коэф. теплоотдачи, усред-ненный по всей поверхности канала длиной L и эквивалентным диаметром d_экв = 4П/S; П и S-периметр и поперечное сечение канала; h_l-коэф., учитывающий влияние входного, нестабилизир. участка канала (при L/d_экв > 50 коэф. h_l ! 1, при L/d_экв<50 коэф. h_l возрастает до 1,9); g-ускорение свободного падения. Точность корреляц. соотношений типа (10) обычно не превышает b 15%, что свидетельствует о трудностях учета всех факторов, влияющих на теплоотдачу.

Для широко распространенных случаев турбулентного режима течения теплоносителей (Re > 10⁴) можно использовать аппроксимацию:

Nu = 0,021Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_F)^0,25h_l,

в которой пренебрегают влиянием естеств. конвекции.

При конденсации насыщ. пара интенсивность теплоотдачи зависит от толщины и теплопроводности пленки конденсата, стекающего по охлаждаемой поверхности под действием силы тяжести. Для ламинарного режима движения конденсата справедливо соотношение:

Nu= 1,13 (Ga Pr K)^0,25,

где Ga = gL³Dr/(rv²)-число Галилея; К = r_к/(С_кDt)-критерий фазового превращения; L-вертикальный размер поверхности; Dr- разность плотностей конденсата и пара; r_к-уд. теплота конденсации; С_к- теплоемкость конденсата; Dt-разность температур насыщ. пара и теплообменной поверхности.

При чисто естеств. конвекции из критериальных соотношений для Nu исключается число Re, в которое входит скорость w:

Nu = A(GrPr)ⁿ,

где корреляц. коэф. А и n = от 1/8 до 1/3 зависят от диапазона изменения GrPr.

Кипение жидкостей сопровождается образованием на поверхности Т. большого числа паровых пузырей, их послед. ростом, отрывом и вертикальным всплыванием через слой кипящей жидкости; это интенсифицирует теплоотдачу, если пузыри не успевают сливаться около поверхности в сплошную паровую пленку. На практике в пленочном режиме не работают, т. к. при этом значения a уменьшаются в 20-30 раз по сравнению с развитым пузырьковым режимом кипения; для последнего имеются корреляц. соотношения, которые учитывают разл. факторы, определяющие интенсивность теплоотдачи. Такие соотношения показывают влияние на a значений q от греющей стенки и давления р; от физ. свойств жидкости и ее паров зависит коэф. А в степенной аппроксимации вида:

a=Ap^mqⁿ,

где для воды и некоторых др. жидкостей m = 0,4 и n = 0,7.

Лучистый теплообмен становится сравнимым (по величине) с конвективным и теплопроводностью обычно при температурах выше 600-650 °С. Поверхности твердых и жидких тел обладают непрерывными спектрами излучения во всем диапазоне длин волн; газы и пары излучают всем объемом отдельные полосы спектра разной ширины.

Согласно закону Стефана-Больцмана, полная лучеиспускательная способность черного тела (поглощает все падающее на него излучение), или интегральный лучистый поток от него (Вт/м²), пропорционален четвертой степени абс. температуры тела:

E₀=5,67•10^-8 T⁴.

Серое тело излучает (и поглощает) в e раз меньшее кол-во лучистой энергии, при этом e = 0-1, наз. степенью черноты тела, различна для конкретных материалов.

Излучение элемента поверхности по направлению нормали Е_n в p раз меньше излучения, передаваемого поверхностью во всю видимую полусферу: E₀ = pE_n. Поверхность тела излучает в пространство как собственное (e E₀), так и отраженное ею излучение: E = eE₀ + Е_отр.

Осн. сложность расчета лучистого теплообмена состоит в необходимости учета взаимного расположения всех излучающих, поглощающих и отражающих поверхностей. Для наиб. простого случая двух параллельных, бесконечно протяженных поверхностей результирующий уд. лучистый поток между ними составляет (Вт/м²):

где e₁, e₂ и T₁, Т₂-коэф. черноты и абс. температуры поверхностей. При произвольном расположении в пространстве двух поверхностей F₁ и F₂ лучистый поток между ними имеет вид (Вт):

где f₁, f₂-углы между нормалями к поверхностям и линией, соединяющей центры поверхностей; r-расстояние между элементарными участками поверхностей (рис. 1).

Теплообмен в химико-технологических процессах часто определяет осн. характеристики работы аппаратуры. Так, температурная зависимость константы скорости k хим. реакции (см. Аррениуса уравнение): k = = k₀ exp(— E_a/RT), где k₀ - предэкспо-ненциальный множитель, Е_a- энергия активации реакции, Т-абс. температура, R-газовая постоянная, определяет существ. влияние Т. на устанавливающуюся в ходе технол. процесса температуру и, следовательно, на степень завершенности реакции.

Рис. 1. Лучистый теплообмен между произвольно расположенными поверхностями.

При работе пром. реакторов химических стационарный процесс теплообмена может протекать в ряде случаев только при некоторых определенных температурах. Напр., для реактора непрерывного действия с интенсивным перемешиванием реакц. массы и внеш. отводом теплоты, в котором происходит необратимая экзотермическая реакция первого порядка по концентрации с осн. компонента, уравнение теплового баланса имеет вид:

Левая часть соотношения (11) соответствует теплоте, поступающей в реактор с массовым потоком М₁ исходных компонентов (M₁ С₁ T₁) и тепловыделению в результате реакции (h-уд. теплота реакции, V-объем аппарата). В правой части уравнения (11) первое слагаемое-теплота, отводимая с продуктами реакции (М₂ С₂ Т₂), и теплота, передаваемая через теплообменную поверхность F хладагенту с температурой T_x. Коэф. теплопередачи К [Вт/(м² • К)] представляет собой величину, обратную термич. сопротивлению пути, по которому теплота отводится через поверхность F; значения К зависят от толщины (d) и теплопроводности (l) стенки и от коэф. теплоотдачи от реакц. массы к теплообменной поверхности (a₁) и от нее к хладагенту (a₂):

Коэф. a₁ и a₂ рассчитывают по критериальным соотношениям конвективного Т. Концентрацию с в зоне реакции определяют из материального баланса по осн. компоненту:

где c₁-концентрация на входе в аппарат.

Решение системы трансцендентных уравнений (11)-(13) относительно температуры Т реакц. массы показывает наличие трех возможных режимов: низко-, высокотемпературного и промежуточного. При первых двух режимах процесс м. б. стационарным, причем во втором случае скорость реакции и степень хим. превращения будут высокими. При промежуточном значении температуры процесс неустойчив и самопроизвольно переходит в область устойчивых температурных режимов. После нахождения T по уравнению (13) определяют с.

Аналогично анализируют иные варианты работы реакторов [р-ции порядка выше первого, эндотермические, адиабатические (К = 0), изотермические (К : ,), вытеснения и др. аппараты]. В наиб. сложных случаях для анализа вариантов используют вычислит. технику.

Перемешивание жидких сред с помощью мех. мешалок применяют для выравнивания температур и концентраций в объеме реакц. массы и для интенсификации Т. со стенками аппаратов. Опытные данные о средних коэф. теплоотдачи представляют в виде:

где число Рейнольдса для перемешивания Re_п = nd² r/m; n и d-частота вращения и диаметр мешалки; m и m_F-коэф. динамич. вязкости перемешиваемой среды при температурах среды и поверхности Т.; Г₁, Г₂, ... -геом. симплексы, включающие осн. размеры аппарата и перемешивающего устройства: В, а₁, а₂, ...-параметры, которые зависят от типов мешалки и аппарата. Для пленочных аппаратов интенсивность теплообмена между стекающей турбулентной пленкой жидкости и теплообменной поверхностью определяется корреляц. соотношением:

(a/l)(v²/g)^1/3 = 0,047 Re^0,23 Рr^1/3,

где Re = 4Г/v; G- объемная плотность орошения на единицу ширины поверхности [м³/(м•с)]; v-кинематич. вязкость жидкости; для иных условий и режимов течения пленок коэф. и показатели степеней уравнения м. б. другими.

В ряде процессов, например каталитических в неподвижном слое дисперсного катализатора, важную роль играет интенсивность отвода (подвода) теплоты хим. превращения от внутр. участков слоя к его периферии, теплоотвода от слоя к теплообменной поверхности реактора и Т. между фильтрующимися через слой потоком реагентов и поверхностью частиц. При незначит. скорости фильтрации коэффициенты эффективной (реальной) продольной и поперечной теплопроводности слоя l_э приблизительно одинаковы. По мере увеличения скорости фильтрации сплошной фазы теплопроводность в направлении движения возрастает значительно быстрее и может превысить l_э в поперечном направлении в неск. раз. Значения l_э находят опытным путем, как и коэф. теплоотдачи от всей массы слоя к теплообменным поверхностям (стенкам аппарата). Интенсивность межфазного теплообмена в неподвижном слое м. б. определена по соотношениям типа (10) с др. значениями коэффициентов. Аналогичные процессы теплообмена происходят в аппаратах с движущимися слоями материалов, предназначенных для непрерывного контакта фильтрующегося потока с дисперсным материалом.

Некоторые хим.-технол. процессы (нагревание, прокаливание, сушка, кристаллизация, растворение) осуществляются в потоке сплошной фазы (газ, пар или капельная жидкость), несущем с собой мелкие твердые частицы. Относит. скорость фаз в вертикальных аппаратах, в которых проводятся указанные процессы, может существенно изменяться (от скорости сплошной фазы до скорости осаждения частиц). В таких условиях коэф. межфазного теплообмена можно определить, например, по соотношению:

Nu = 0,0061 Re⁰•⁸ с_тв^-0,43,

где с_тв - объемная концентрация твердой фазы, а в критерий Re входит относит. скорость сплошного потока и частиц, рассчитываемая по уравнениям гидродинамики.

В условиях псевдоожиженного слоя (см. Псевдоожижение) внутр. эффективная теплопроводность слоя значительна, что приводит практически к изотермичности его объема. Макс. значение коэф. теплоотдачи a_м от слоя к погруженной в него поверхности (или к стенке аппарата) м.б. вычислено из равенства:

Nu_м = 0,85 Аr^0,19 + 0,006 Аr0,5 Рr^1/3,

в котором Nu_м = a_мd/l_пс; Аr = gd³(r_r - r_пс )/(m_r v²); d и р_r-диаметр и плотность частиц; r_пс и l_пс - плотность и теплопроводность псевдоожижающего агента. Интенсивность межфазного теплообмена может быть найдена из выражений:

Nu = 0,016(Re/x)^1/3 Рr^1/3 для Re/x < 200, Nu = 0,40(Re/x)²/³ Рr^1/3 для Re/x > 200,

где x-порозность, или доля своб. объема, слоя; в выражение для числа Re входит скорость потока в расчете на полное сечение аппарата. Определение температур дисперсной и сплошной фаз должно базироваться на дифференц. уравнениях тепловых балансов обеих фаз и уравнениях гидродинамики с использованием приведенных корреляций для а.

Промышленные тепло- и хладоносители. Наиб. дешевыми и высокотемпературными (до 1000°С и выше) теплоносителями являются топочные газы-продукты окисления орг. топлив атм. воздухом; их недостатки: малые а, большой уд. объем, загрязнение теплообменных поверхностей продуктами неполного сгорания топлив. Компактным, энергоемким теплоносителем служит водяной пар (чаще в насыщ. состоянии), обладающий при конденсации высоким a и позволяющий осуществлять нагревание до 150-170°С; его недостаток-значит. возрастание давления с ростом температуры, что требует повыш. мех. прочности аппаратуры. Горячая вода, используемая для нагревания обычно до 100 °С, как теплоноситель существенно уступает водяному пару по энергоемкости, но не требует применения парогенератора. Нагревание до более высоких температур без значит. повышения давления можно осуществлять с помощью жидких (или парообразных с конденсацией) теплоносителей, имеющих низкое давление паров: дифенильная смесь, или даутерм (содержит по массе 26,5% дифенила и 73,5% дифенилоксида),-до 360°С; минеральные масла-до 250-280°С при атм. давлении; расплавы солей, например тройная нитрит-нитратная смесь (40% NaNO₂, 7% NaNO₃, 53% КNО₃),-до 500-530°С; кремнийорг. жидкости (гл. обр. ароматич. эфиры ортокремниевой кислоты)-до 300 °С. Достоинства электрич. нагрева: компактность и простота устройств, удобство регулирования температуры, возможность достижения высоких температур (до 3000 °С при использовании электрич. дуги); недостаток - относительно высокая стоимость.

В качестве охлаждающих сред применяют воду и атм. воздух. При воздушном охлаждении необходимы большие поверхности теплообмена и значит. расход воздуха. Для охлаждения до температуры ниже 15-20°С используют водные растворы солей (NaCl или СаСl₂), предварительно охлаждаемые в холодильных установках до — 70 °С. Для охлаждения до температуры порядка — 180 °С применяют сжиженный воздух (подробнее см. Холодильные процессы).

Теплообменные аппараты, или теплообменники, предназначены для передачи теплоты от одних теплоносителей к другим и подразделяются на рекуперативные, смесительные и регенеративные.

Устройство теплообменников. В рекуперативных аппаратах, наиб. распространенных в хим. технологии, теплоносители проходят по разл. объемам, разделенным твердой (обычно металлической) стенкой, через которую происходит теплообмен. В смесит. аппаратах оба теплоносителя одновременно поступают в один объем и обмениваются теплотой непосредственно через поверхность раздела фаз. В регенеративных аппаратах в единств. рабочий объем сначала поступает горячий теплоноситель, нагревающий массу твердого материала (кирпичную кладку или массу металла), а затем в тот же объем подается нагреваемая среда, которая воспринимает теплоту от нагретого материала.

В зависимости от технол. назначения различают теплообменники: а) нагреватели (охладители), в которых теплоносители не изменяют фазового состояния; б) испарители (кипятильники) и конденсаторы, предназначенные для изменения фазового состояния теплоносителей; в) для осуществления одновременно теплообмена и хим.-технол. процесса (выпарные аппараты, кристаллизаторы, химические реакторы и др.). Кроме того, теплообменники классифицируют: по относительному направлению движения теплоносителей-прямо- и противоточные, смешанного тока (движутся взаимно перпендикулярно), перекрестного тока с частичным прямо- и противотоком; по характеру работы во времени-с установившимся и неустановившимся тепловыми режимами.

Среди рекуперативных теплообменников различают аппараты с теплообменной поверхностью: а) из прямых, витых, гладких или сребренных труб, заключенных в общий кожух (кожухотрубные аппараты); б) в виде прямых труб, орошаемых снаружи жидким теплоносителем, обычно водой (оросительные аппараты), или из труб в форме змеевиков, погружаемых в жидкий теплоноситель; в) из листовых материалов (с рубашкой на наружном корпусе аппарата, пластинчатые, пластинчато-ребристые, спиральные теплообменники); г) из неметаллов (из полимерных материалов или графита, эмалированные аппараты и др.).

В кожухотрубных теплообменниках (рис. 2) теплообмен интенсифицируется увеличением скорости теплоносителей путем установки в межтрубном пространстве поперечных перегородок и создания неск. ходов для теплоносителя, движущегося по внутритрубному пространству. Число труб достигает 3800, поверхность теплообмена - 1800 м , избыточное давление-4 МПа.

Рис. 2. Кожухотрубные одпоходовый (а) и четырехходовый (б)теплообменники: I, II-теплоносители; 1-корпус (кожух); 2-трубные решетки; 3-теплообменные трубы; 4-крышки (распределит. камеры); 5, 6-перегородки соотв. во внутриутробном и межтрубном пространстве.

В оросительных теплообменниках не предусмотрено отдельное рабочее пространство для охлаждающей жидкости и она стекает по теплообменной поверхности в виде пленки, что обеспечивает интенсивный теплообмен.

Вследствие малых значений теплоемкости и теплопроводности газов и перегретых паров интенсивность теплоотдачи между ними и теплообменными поверхностями незначительна, что компенсируют установкой на них ребер. Поверхность теплообмена аппаратов воздушного охлаждения с оребрением достигает 2300 м².

В пластинчатых аппаратах (рис. 3) теплообменная поверхность состоит из металлич. листов, в зазорах между которыми проходят теплоносители. Преимущества теплообменников этого типа перед трубчатыми: малая металлоемкость, компактность, высокая интенсивность теплообмена, простота инженерного оформления разл. схем движения теплоносителей; осн. недостаток-сложность герметизации отдельных элементов. Разборные конструкции пластинчатых теплообменников эксплуатируют при давлении до 2,5 МПа, сварные-до 3 МПа и температуре до 400 °С.

Рис. 3. Пластинчатые теплообменники (типы пакетов пластин): I, II-теплоносители (а-противоток, б-перекрестный ток).

Теплообменники с неметаллич. поверхностями обладают хим. стойкостью к агрессивным теплоносителям, однако термич. сопротивление этих аппаратов выше, а мех. прочность ниже, чем у металлич. теплообменников.

Смесительные теплообменники (рис. 4) используют как конденсаторы водяного пара (см., например, Выпаривание) или охладители воздуха путем смешения их с распиливаемой холодной водой.

Регенеративные теплообменники (рис. 5) имеют меньший рабочий объем, чем рекуперативные, что существенно при теплообмене между газовыми потоками. Эти аппараты применяют в циклич. процессах с периодич. источником горячих газов, где необходим периодич. нагрев холодной среды (напр., коксохим. произ-во).

Расчеты теплообменников производят с целью определения: поверхности F, необходимой для передачи заданного кол-ва теплоты Q при известной разности температур теплоносителей (проектный вариант расчета); конечной температуры нагреваемого (охлаждаемого) теплоносителя или переданного кол-ва теплоты при известной теплообменной поверхности (поверочный расчет).

Рис. 4. Конденсатор смешения: 1-пар; II-холодная вода; III-неконденсирующиеся газы; IV-вода и кон денсат; 1, 2-сегментные полки.

Рис. 5. Регенеративные теплообменники с неподвижной насадкой: I, II - теплоносители; 1, 2-кирпичная кладка камер; 3, 4 и 5, 6-соотв. входные и выходные патрубки.

Основу расчета теплообменников составляет уравнение теплопередачи: Q = KFDt_cp, в котором Dt₁ = (Dt₁ — — Dt₂)/[ln(Dt₁/Dt₂)] —средняя разность температур Dt₁ и Dt₂ теплоносителей на концах аппарата; коэф. теплопередачи К определяется по ф-ле (12).

Проектный расчет теплообменников обычно показывает возможность использования неск. вариантов стандартных аппаратов, которые обеспечивают заданные параметры теплоносителей. Выбор единств. теплообменника из числа возможных осуществляют на основе минимума суммы капитальных и эксплуатац. затрат, при этом определение стоимости эксплуатации связано с вычислением гидравлич. сопротивления, оказываемого теплообменником потокам теплоносителей.

Перспективы исследования теплообмеиных процессов. Совр. тенденции при изучении теплообмена заключаются в дальнейшем уточнении и обобщении данных об интенсивности переноса теплоты для разл. хим.-технол. процессов, в использовании вычислит. техники при расчетах теплообмена и выборе экономически оптимальных теплообменников. Кроме того, совершенствуется техника теплообмена путем создания новой, высокоэффективной и надежной теплообменной аппаратуры, которая позволяет более полно использовать энергетич. ресурсы и уменьшить тепловое загрязнение окружающей среды.

Лит.: Лыков А. В., Теория теплопроводности, М., 1967; Маньковс-кий О.Н., Толчинский А. Р., Александров М. В., Теплообменная аппаратура химических производств. Инженерные методы расчета, Л., 1976; Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, 4 изд., М., 1981; Романков П. Г., Фролов В. Ф., Теплообменные процессы химической технологии, Л., 1982; Себиси Т., Брэдшоу П., Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы, пер. с англ., М., 1987; Kirk-Othmer encyclopedia, 3 ed., v. 12, N. Y., 1980, r. 129-202. © В. F. Фролов.