Низкотемпературные теплоносители

К низкотемпературным теплоносителям относятся вода и водяной пар, рабочая температура которых не превышает 120...130 °С. К ним также воздух. Данные вещества, обладая требуемыми теплофизическими свойствами, являются общедоступными и дешевыми, полностью удовлетворяющими потребности в низкотемпературных теплоносителях. В зависимости от агрегатного состояния теплоносители подразделяются на однофазные и двухфазные.

Однофазные промежуточные теплоносители.

К однофазным низкотемпературным теплоносителям относятся вода, находящаяся в жидком состоянии, а также воздух.

Вода. Как теплоноситель вода в жидком состоянии характеризуется следующими положительными свойствами:

o является энергоемким веществом, теплоемкость которого при 20°С равна 4187 Дж/(кг-К);

o стабильное вещество, многократный циклический нагрев которого существенно не влияет на основные теплофизические константы;

o имеет незначительную коррозийную активность (при условии отсутствия каких-либо примесей);

o абсолютно безвредна для человека, доступна и дешева.

Стабильность, безопасность, коррозийная пассивность, доступность и дешевизна жидкой Н₂О делают ее основным низкотемпературным теплоносителем.

К недостаткам, сдерживающим и усложняющим эксплуатацию воды как теплоносителя, относятся следующие из ее свойств.

В природе Н₂О крайне редко является химически чистой (ближе всего к ней - дождевая вода), практически всегда она представляет собой раствор тех или иных веществ. Чаще всего в природной воде растворены соли (Са, Мg и др.), которые придают ей жесткость. В результате кипячения воды часть солей, определяющих временную жесткость, удаляется из раствора, а другая остается. Последние определяют постоянную жесткость воды и могут быть удалены в результате дистилляции (иногда многократной).

Выделение солей из воды при нагреве происходит, как правило, на греющих поверхностях теплообменников. В результате на них образу­ется слой накипи, являющийся дополнительным тепловым сопротивлением. В любом случае этот слой ухудшает теплообмен между источником теплоты и теплоносителем либо между теплоносителем и нагреваемой стенкой рабочей камеры. Образующаяся накипь приводит к перегреву источника теплоты (в электрических - к перегреву спирали) или к уменьшению теплового потока, что эквивалентно соответствующему уменьшению поверхности теплообмена.

По этой причине рекомендуется в качестве теплоносителя приме­нять дистиллированную воду, иногда допускается применение кипяченой воды.

Во всех случаях при использовании жидкой Н₂О предусматривается периодическая очистка поверхностей теплообмена от накипи.

Кроме того, применяют различные способы умягчения воды, к которым относятся: использование химических добавок; применение для предварительной обработки ионообменных смол; дистилляция; магнитная обработка воды.

Использование химических добавок для умягчения воды, как правило, не допускается, особенно при возможном контакте Н₂О с пищевыми продуктами.

Обработка воды в ионообменных колонках дает хорошие результаты, но довольно трудоемка и дорога. По этой причине данный способ оказывается экономически целесообразным в том случае, когда расход потребляемой воды значителен, например, при подготовке воды для подпитки системы пароснабжения.

Дистилляция применяется довольно часто, но в тех случаях, когда количество воды незначительно. Сам процесс приготовления дистиллята связан с необходимостью использования специального оборудования.

Магнитный метод умягчения заключается в пропускании потока воды через чередующиеся зоны сильного воздействия постоянного магнитного поля. При этом в результате структурных изменений ионов солей, находящихся в растворе, происходит их выпадение из раствора при температурах более низких, чем обычно, и в результате соли накапливаются в отстойниках теплообменников в виде шлама и не оказывают существенного влияния на работу теплообменника. Необходимо отметить, что хотя и зафиксирован определенный положительный эффект воздействия магнитного поля на воду с целью ее умягчения, но механизм действия хорошо не изучен и проявляется не во всех случаях одинаково. Эффективность этого метода во многом зависит от свойств обрабатываемой воды.

Как правило, процесс нагрева теплоносителя изобарный и происходит при атмосферном или сравнительно небольшом избыточном давлении до 300 кПа (2 ати).

Для изобарного процесса количества теплоты, требуемой для нагрева 1 кг вещества, определяется как разность энтальпий:

(4.151)

где q_p – удельная теплота, выделившаяся в изобарном процессе, Дж/кг;

i ₁, i ₂ – удельные энтальпии соответственно в начальном и конечном состоянии Дж/кг;

с_р – изобарная теплоемкость, Дж/(кг∙К);

t _2,, t ₁ – соответствующие температуры, °С.

Как видно из данного соотношения, всякий процесс подвода теплоты к жидкости или отвода от нее связан с изменением ее температуры. По этой причине жидкая вода не является идеальным промежуточным теплоносителем, так как нельзя обеспечить абсолютно изотермическое поле на стенке обогреваемой рабочей камеры.

Ограничителем температуры нагрева стенки рабочей камеры служит температура кипения (насыщения) воды.

Естественно, что, обладая большой удельной теплоемкостью и большой плотностью, вода требует и значительного дополнительного количества теплоты для собственного разогрева. Это неизбежно приводит к снижению КПД, увеличению продолжительности разогрева и, как следствие, к возрастанию тепловой инерции аппарата, что затрудняет управление процессом нагрева.

Обычно вода в большинстве случаев используется в негерметизированных объемах, что значительно упрощает изготовление и эксплуатацию оборудования.

Воздух. В качестве теплоносителя воздух применяется для термостатирования пищи или для сушки пищевых продуктов с целью их консервирования.

Воздух представляет собой смесь различных газов, главными из которых являются: азот N2, на долю которого приходится 78 % объема, кислород - 20,9 % объема, водяные пары (Н₂О).

Воздух при низких температурах (до 400 °С) по своим термодинамическим свойствам близок к идеальным газам и подчиняется закону Клапейрона-Менделеева:

(4.152)

где p — абсолютное давление воздуха, Па;

v — удельный объем, м³/кг;

R — универсальная газовая постоянная, для воздуха в среднем составляет 280 Дж/(кг∙К);

Т - абсолютная температура, К.

Теплоемкость сухого воздуха с_p при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С составляет 1000 Дж/(кг∙К).

Существенное влияние на термодинамические свойства воздуха оказывает влага, содержащаяся в его составе. Как правило, Н₂О находится в воздухе в виде сухого насыщенного пара, но при опреде­ленных значениях давления и температуры она способна переходить как в состояние перегретого пара, так и в состояние влажного насы­щенного пара. Причем это состояние однозначно определяется пар­циальным давлением водяных паров в воздухе и его температурой.

Расчеты теплообменных и массообменных процессов, происхо­дящих при использовании воздуха как теплоносителя, производят при помощи i-d диаграммы.

Двухфазные низкотемпературные теплоносители.

Существенным преимуществом двухфазных теплоносителей перед однофазными является сравнительно малая плотность водяных паров и, как следствие, низкая тепловая инерция тепловых аппаратов при их использовании.

Основным низкотемпературным теплоносителем, работающим в двухфазном состоянии, является влажный водяной пар.

Влажный водяной пар образуется при кипении воды и характери­зуется одновременным существованием двух фаз Н₂О: кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Степенью влажности влажного насыщенного пара называется массовая доля в нем кипящей жидкости:

(4.153)

Массовая доля сухого насыщенного пара в этой смеси, т. е. во влажном насыщенном паре, называется степенью сухости:

(4.154)

где m' - масса кипящей жидкости во влажном паре, кг;

m'' — масса сухого насыщенного пара, содержащегося во влажном, кг.

Очевидно, что или влажность пара может быть выражена через его степень сухости

(4.155)

(4.156)

Физически влажный насыщенный пар обычно образует следующие системы:

· в нижней части емкости находится кипящая жидкость, а над ее поверхностью - сухой насыщенный пар. Такое распределение фаз обычно имеет место в транспортной зоне, где нет теплообмена с окру­жающей средой;

· то же, но внутри слоя кипящей жидкости образуются и движутся пузыри сухого насыщенного пара. Этот случай характерен для зоны нагрева теплоносителя;

· в среде сухого насыщенного пара распределены мельчайшие капельки конденсата (кипящей жидкости), т. е. туман. Этот случай возникает при нагреве газов сухим насыщенным паром;

· в среде сухого насыщенного пара в зоне контакта с холодной поверхностью имеется конденсатная пленка или образуются капли конденсата. Такое распределение фаз во влажном насыщенном паре имеет место в зоне теплопередающей поверхности теплообменника, разделяющей греющий пар и нагреваемую среду.

Как правило, в реальных условиях все указанные выше случаи существуют одновременно, но в большей или меньшей степени, и при анализе условий выделяют преобладающий характер теплообмена.

Использование теплоносителя связано с тремя основными процессами: нагревом теплоносителя с целью передачи ему энергии; транспортированием теплоносителя; передачей теплоносителем теплоты нагреваемой среде и его охлаждением.

Как правило, нагрев, транспортировка и охлаждение теплоносите­ля происходят при постоянном давлении (рис. 4.40). Использование T-s диаграммы состояния Н₂О для анализа теплового эффекта в теплообменнике, оправдано тем, что площадь фигуры, ограниченная линией, характеризующей процесс, равна количеству теплоты.

Если диаграмма составлена для удельных значений энтропии, измеряемой в Дж/(кг·К), а начальной точкой процесса является точка плавления воды (t = 0 °С), то площадь фигуры, ограниченная изобарой численно равна энтальпии воды.

Так, процесс 0-1 или 0-1' (рис. 4.40, а) есть процесс нагрева воды от точки плавления до кипения при давлениях соответственно р₁, и р ₂. Эти процессы характеризуют нагрев жидкости.

Процессы 1-2 (при р = p₁) и 1'-2' (при р = p₂) характеризуют кипение жидкости. Причем в точке 1 (или 1 ') процесс кипения только начинается и, следовательно, Н₂О находится в состоянии кипящей жидкости, сухой насыщенный пар в смеси отсутствует, и, следовательно, степень сухости в этой точке диаграммы равна нулю (х = 0).

При дальнейшем нагреве кипящей воды процесс идет слева направо (1-2 или 1'-2' ), кипящая жидкость постепенно переходит в состояние сухого насыщенного пара (точки 2,2' ).

В любой точке отрезка 1-2 (или 1',2' ) имеет место одновременное сосуществование кипящей жидкости и сухого насыщенного пара; характерно, что температура для любой точки этого состояния строго постоянна, т. е. процесс является на участке 1-2 не только изобарным, но и изотермическим.

Возьмем произвольную точку на изобаре p₁ (рис. 4.40, б) на отрезке 1-2 и обозначим ее через х (так же, как и степень сухости). Обозначим проекцию точки 1 на ось энтропии через s', которая будет характеризовать энтропию кипящей жидкости; проекцию точки 2 - через s" - это энтропия сухого насыщенного пара при давлении p₁, а проекцию точки х - через s_x, которая будет равна энтропии влажного насыщенного пара со степенью сухости х.

Поскольку влажный насыщенный пар в точке х представляет собой смесь сухого насыщенного пара, доля которого в смеси составляет х, и кипящей жидкости с долей (1-х), то энтропия этой смеси будет представлять сумму энтропии кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, с учетом их доли в смеси, т. е.

(4.157)

Если на диаграмме длину отрезка s_x - s' обозначить через a, a длину всего участка 1-2 - через b ,, т. е. геометрический смысл степени сухости заключается в том что х = а/b, то есть в T-s координатах для области влажного насыщенного пара степень сухости равна отношению отрезка от начала кипения до состояния влажного пара к общей длине отрезка, характеризующего нагрев кипящей жидкости до состояния сухого насыщенного пара при постоянном давлении.

(4.158)

Исходя из этого, видно, что в процессе 1-2 при нагреве степень сухости меняется от 0 до 1, а при охлаждении - от 1 до 0.

Количество теплоты, необходимой для перевода 1 кг кипящей воды (х = 0) в состояние сухого насыщенного (х = 1) пара при постоян­ном давлении, называется удельной теплотой парообразования г (Дж/кг).

Площадь прямоугольника (рис. 4.40, в), образованного линиями 1-2-s"-s', равна теплоте парообразования r при давлении р₁. Энталь­пия сухого насыщенного пара i" складывается из энтальпии кипящей жидкости i' и теплоты парообразования r, она равна площади криволинейной трапеции 273- 1-2-s"-0, т. е. i" = i' + r.

Энтальпия влажного насыщенного пара со степенью сухости х при давлении p₁ (рис. 4.40, г) складывается из площади криволинейной трапеции 273-1-s'-0, равной энтальпии кипящей жидкости i', и площади прямоугольника 1-х-s_x-s',равной произведению удельной теплоты парообразования г на степень сухости х, т. е.

(4.159)

В реальных условиях сухой насыщенный пар получают в центральных автономных парогенераторах, установленных в котельных и включенных в централизованную систему пароснабжения, или в парогенераторах, встроенных непосредственно в аппараты. При транспортировке пар охлаждается и его степень сухости уменьшается, поэтому в рабочую зону теплообменника поступает, как правило, влажный насыщений пар со степенью сухости х = 0,8...0,95.

В результате контакта с поверхностью теплообменника пар охлаждается и конденсируется. Конденсация редко бывает полной, часть пара не успевает конденсироваться. Такой пар называют "пролетным".

Таким образом, в реальных условиях теплообмена при использовании влажного насыщенного пара реализуется процесс В-А, представленный на рис. 4.40, д. При этом начальное состояние процесса характеризуется точкой В, в которой имеет место влажный насыщенный пар со степенью сухости х₁ а конечное - точкой А, характеризующейся степенью сухости х₂.

Для изобарного процесса результирующая удельная теплота (Дж/кг) равна разности энтальпий (см. ф-лу 4.151).

где из чего следует:

В том случае, если теплообменник проточный, а расход пара в нем составляет D (кг/с), то количество выделившейся за счет конденсации теплоты составит

(4.160)

или

(4.161)

где Q — общее количество выделившейся теплоты, Дж;

- удельные энтальпии влажного насыщенного пара на входе в теплообменник и на выходе из него, Дж/кг;

τ — продолжительность процесса нагрева, с.

Из этой формулы следует, что расход пара (кг/с)

(4.162)

Очевидно, что оптимальными условиями эксплуатации являются условия с минимальным расходом пара. В этом случае уменьшаются сечения трубопроводов, рубашек, размеры теплообменников и т. д.; кроме того, снижаются затраты на теплоноситель.

Условием минимума расхода пара является максимальная величина знаменателя в формуле (4.162). Естественно, что при постоянных r и x этому условию соответствуют значения x₁ = 1 и х₂ = 0.

Для выполнения этих условий в систему пароснабжения включают специальные устройства: пароосушители, отделяющие конденсат и удаляющие его из системы пароснабжения, в результате чего x₁ ≈l, и конденсатоотводчики, обеспечивающие полную конденсацию пара (х₂ ≈0).

Как теплоноситель влажный насыщенный пар характеризуется выским коэффициентом теплоотдачи конвекцией. Значения этого могут достигать 15000 Вт/(м² К).

Интенсивный конвективный теплообмен в этом случае объясняется тем, что при конденсации пара выделяется большое количеством энергии, выделяющейся при агрегатных превращениях. Процесс теплообмена между паром и стенкой протекает практически беспрепятственно, и единственным серьезным термическим сопротивлением является конденсатная пленка, образующаяся на нагреваемой по­верхности.

Величина коэффициента теплоотдачи при конденсации пара влияет на площадь теплопередающей поверхности парового теплообменника. Данный расчет приведен в разеле 6.5.

При обобщении всего вышесказанного, отметим основные положи­тельные свойства влажного насыщенного пара, как основного проме­жуточного теплоносителя:

· изобарный нагрев или охлаждение влажного насыщенного пара характеризуются строгим постоянством температуры, равной темпера­туре насыщения (кипения, конденсации), соответствующей уровню давления;

· плотность влажного насыщения пара (со степенью сухости х =0,8...1) в среднем в 500...1000 раз меньше, чем в жидком состоянии;

· коэффициент теплоотдачи от влажного насыщенного пара нагреваемой поверхности имеет высокие значения.

Постоянство температуры пара обеспечивает абсолютную изотермичность обогреваемых стенок рабочих камер, а поддержание температур на уровне 110...115 °С путем ограничения давления в пределах 150...170 кПа исключает возможность пригорания пищевого продукта. Зависимость температуры сухого насыщенного пара от давления позволяет управлять температурой при помощи манометрических датчиков. Малая плотность пара позволяет создавать малоинерционные тепловые аппараты с косвенным обогревом, а его высокий коэффициент теплоотдачи делает их компактными и малометаллоемкими по сравнению с теми, которые используют однофазные теплоносители.

Дата добавления: 2015-06-30