Ako funguje prenos tepla?

Prenos tepla má v tradičnom priemysle dva účely:

Po prvé, na podporu prenosu tepla, ako sú vykurovacie alebo chladiace materiály, účelom je zvýšiť prenos tepla, zlepšiť účinnosť prenosu tepla zariadenia, znížiť veľkosť zariadenia a znížiť náklady na zariadenie;
Po druhé, na oslabenie prenosu tepla a zníženie tepelných strát, ako je izolácia vysokoteplotných zariadení, nízkoteplotných zariadení a potrubí na prepravu tekutín, čím nižšia je rýchlosť prenosu tepla, tým lepšie.

V dôsledku rôznych účelov výmeny tepla a výrobných podmienok sú spôsoby výmeny tepla tiež odlišné. Bežne používané metódy výmeny tepla v procesoch priemyselnej výroby možno rozdeliť do troch typov, a to: medzivrstvová výmena tepla, priama zmiešaná výmena tepla a výmena tepla akumuláciou tepla.

(1) Výmena tepla medzi vrstvami

V medzivrstvovom výmenníku tepla sú studená a horúca tekutina na oboch stranách steny výmenníka tepla a horúca tekutina prenáša teplo do studenej tekutiny cez medzivrstvu. Rozdeľovacia výmena tepla je široko používaná v chemickej výrobe. Medzi výmenníky tepla patriace do tejto kategórie patria: plášťové výmenníky tepla, hadovité výmenníky tepla, rúrkové výmenníky tepla, rúrkové výmenníky tepla a doskové výmenníky tepla.

(2) Priama zmiešavacia výmena tepla

Priama výmena tepla pri miešaní znamená priamy kontakt horúcej tekutiny so studenou tekutinou a výmenu tepla počas procesu miešania tekutín. Táto forma výmeny tepla sa používa hlavne na chladenie plynu a kondenzáciu pary. Napríklad v chladiacej veži v chemickom závode sa horúca voda a vzduch priamo miešajú na výmenu tepla. Vzduch absorbuje teplo z vyparovania vody a znižuje teplotu vody.

(3) Tepelná akumulačná výmena tepla

Tepelná akumulačná výmena tepla spočíva v inštalácii akumulačného telesa (tuhej výplne) do výmenníka tepla a využívaní akumulačného telesa na akumuláciu a uvoľňovanie tepla na dosiahnutie účelu výmeny tepla medzi studenými a horúcimi kvapalinami. Počas prevádzky sa najprv nechá horúca tekutina prejsť cez tepelné akumulačné teleso, aby akumulovalo teplo na tepelnom akumulačnom telese, a potom sa nechá studená tekutina pretiecť cez tepelne akumulačné teleso a tepelne akumulačné teleso odovzdá teplo chladu. tekutina.

Teplotný rozdiel medzi horúcou a studenou kvapalinou je nevyhnutnou podmienkou pre samovoľný prenos tepla. Prenos tepla sa môže uskutočniť len vtedy, keď je rozdiel teplôt na oboch stranách steny výmenníka tepla. Teplotný rozdiel v každej polohe výmenníka tepla nie je nevyhnutne stabilný. Či je teplotný rozdiel stabilný, závisí od stability výrobného procesu.

1) Stabilný prenos tepla

V systéme výmenníka tepla, ak sa teplota každej polohy prenosu tepla s časom nemení, prenos tepla systému sa nazýva stabilný prenos tepla. V stabilnom procese prenosu tepla sa rýchlosť prenosu tepla každého horúceho bodu s časom nemení. Tento typ procesu prenosu tepla sa vyskytuje v kontinuálnom výrobnom procese. Napríklad: v kontinuálnom a stabilnom štádiu výrobného procesu sú dodávky surovín alebo regenerácia produktov stabilné, potom možno teplotu na každej pozícii v procese výmeny tepla považovať za konštantnú, čo patrí k stabilnému teplu. prevod.

2) Nestabilný prenos tepla

V systéme výmenníka tepla, ak sa teplota každej polohy prenosu tepla mení s časom, prenos tepla v systéme sa nazýva nestabilný prenos tepla. V procese nestabilného prenosu tepla sa rýchlosť prenosu tepla každého horúceho bodu mení s časom. Tento typ procesu prenosu tepla sa vyskytuje v etapách spúšťania a vypínania prerušovaných výrobných procesov alebo kontinuálnej výroby. Napríklad: počas nábehu alebo odstavenia výrobného procesu sa teplota v každej polohe procesu výmeny tepla postupne zvyšuje alebo znižuje v dôsledku postupného zvyšovania alebo znižovania zaťaženia výroby, čo je nestabilný proces prenosu tepla.

Podľa druhého termodynamického zákona sa teplo vždy automaticky prenáša z objektu s vyššou teplotou na objekt s nižšou teplotou. Teplo sa môže prenášať z objektu s nízkou teplotou na objekt s vysokou teplotou iba za podmienky spotrebovanej mechanickej práce.
Základné spôsoby prenosu tepla sú vedenie tepla, prúdenie tepla a sálanie tepla. Proces prenosu tepla často pri určitom spôsobe prenosu tepla neexistuje samostatne, ale ide o kombináciu dvoch alebo troch spôsobov prenosu tepla. Metóda prenosu tepla je odlišná, ak sú štruktúra a stav tepelného pohybu teplovýmenného média rozdielne.

1) Vedenie tepla

Vedenie tepla je proces prenosu tepla z časti objektu s vyššou teplotou do časti s nižšou teplotou v dôsledku pohybu molekúl, atómov alebo voľných elektrónov látky. Vedenie tepla je spôsob prenosu tepla v stacionárnom objekte, ktorý sa vyznačuje absenciou makroskopického posunu medzi látkami. Všetky predmety, bez ohľadu na to, či je v nich relatívny posun častíc, budú nevyhnutne podliehať vedeniu tepla, pokiaľ existuje tento teplotný rozdiel. Z mikroskopického hľadiska je vedenie tepla fenomén prenosu tepla spôsobený tepelným pohybom mikroskopických častíc, ako sú molekuly, atómy a voľné elektróny látky. V plyne alebo kvapaline je kinetická energia molekúl v zóne vysokej teploty väčšia ako kinetická energia molekúl v zóne nízkej teploty. Molekuly s rôznymi kinetickými energiami sa navzájom zrážajú, čo spôsobuje, že teplo prúdi z vysokoteplotnej zóny do nízkoteplotnej zóny. V nekovových tuhých látkach sa teplo prenáša hlavne tepelnou vibráciou a zrážkou susedných molekúl; v kovoch sa vedenie tepla dosahuje najmä pohybom voľných elektrónov.

2) Tepelná konvekcia

Tepelná konvekcia sa vzťahuje na prenos tepla spôsobený relatívnym posunom častíc v každej časti tekutiny. Konvekčný proces je často sprevádzaný vedením tepla. Pri chemickej výrobe sa prenos tepla medzi tekutinou a pevnou stenou zvyčajne nazýva prenos tepla konvekciou. Prenos tepla konvekciou sa delí na nútenú konvekciu a prirodzenú konvekciu. Ak je pohyb tekutiny spôsobený vonkajšou silou, nazýva sa to nútená konvekcia, ako napríklad: použitie čerpadiel, ventilátorov, miešania atď., aby sa spôsobilo prúdenie tekutiny a prenos tepla. Ak je pohyb tekutiny spôsobený rozdielnou hustotou studenej a horúcej časti vo vnútri tekutiny, nazýva sa to prirodzená konvekcia. Prenos tepla nútenou konvekciou je lepší ako prirodzená konvekcia.

(3) Tepelné žiarenie

Tepelné žiarenie označuje proces, pri ktorom objekt generuje elektromagnetické vlny v dôsledku tepla a prenáša energiu do vonkajšieho sveta. Akýkoľvek objekt, pokiaľ je jeho teplota vyššia ako nulová termodynamická teplota, bude nepretržite vyžarovať energiu do vonkajšieho sveta bez potreby akéhokoľvek média. Zároveň nepretržite absorbuje energiu žiarenia z iných objektov vo vonkajšom svete a premieňa ju na tepelnú energiu. Prenos tepla sálaním preto nie je len procesom prenosu energie, ale je sprevádzaný aj premenou energie. Čím vyššia je teplota objektu, tým viac energie sa prenáša vo forme žiarenia.

V priemyselnej výrobe sa v procese výmeny tepla často využíva výmena tepla medzi dvoma procesnými kvapalinami. Okrem toho je potrebné ďalšie vykurovacie činidlo (vykurovacie médium) alebo chladivo (chladiace médium), ktoré sa podieľa na výmene tepla na dodávku alebo odvod tepla.

1. Bežne používané vykurovacie činidlá
Medzi bežne používané vykurovacie činidlá v priemysle patrí nasýtená a vodná para, horúca voda, minerálny olej, bifenylová zmes, roztavená soľ a spaliny. Ak je teplota ohrevu veľmi vysoká, je možné použiť elektrický ohrev.

1) Nasýtená vodná para

Nasýtená vodná para je najpoužívanejším vykurovacím činidlom. Pretože koeficient konvekčného prenosu tepla nasýtenej vodnej pary je pri kondenzácii veľmi vysoký, tlak pary možno meniť, aby sa presne nastavila teplota ohrevu. Keď však teplota nasýtenej vodnej pary prekročí 180 stupňov, je potrebný veľmi vysoký tlak. Preto sa ohrev nasýtenou parou vo všeobecnosti používa iba v prípadoch, keď je teplota ohrevu medzi 100 a 180 stupňami.

2) Spaliny

Spaliny získané spaľovaním paliva majú veľmi vysokú teplotu, ktorá môže dosiahnuť 500 až 1000 stupňov. Je vhodný na vykurovanie vyžadujúce vyššiu teplotu. Nevýhodou vykurovania spalinami je nízka merná tepelná kapacita, obtiažnosť regulácie a nízky súčiniteľ prestupu tepla konvekciou.

3) Horúca voda

Ako vykurovacie činidlo sa používa horúca voda. Jeho použiteľný teplotný rozsah je 40 až 100 stupňov. Horúca voda pochádza z kondenzovanej vody vodnej pary alebo odpadového tepla odpadovej teplej vody.

(4) Minerálny olej

Minerálny olej je vhodný pre vykurovacie procesy pod 250 stupňov. Jeho nevýhodou je vysoká viskozita, nízky koeficient prestupu tepla konvekciou a ľahký rozklad a spaľovanie nad 250 stupňov.

5) Roztavená soľ

Zloženie roztavenej soli je 7% NaNO3, 40% NaNO2, 53% KNO3. Jeho použiteľný teplotný rozsah je 142-530 stupňov, teplota zahrievania je vysoká a zahrievanie je rovnomerné.

6) Zmes bifenylu

Použiteľný teplotný rozsah kvapalnej zmesi bifenylu je 15-255 stupňov a jeho pary sú použiteľné v rozsahu 255-3800 stupňov . Použiteľný rozsah teplôt je široký a teplota sa dá ľahko nastaviť, keď sa zahrieva jeho para.

2. Bežne používané chladiace kvapaliny
Bežne používané chladivá v priemysle zahŕňajú vodu, vzduch a rôzne chladivá.

1) Voda

Voda je najčastejšie používaná chladiaca kvapalina. Môže pochádzať z prírody a nepotrebuje špeciálne spracovanie. Bežne používaný rozsah teplôt je 10-35 stupeň . Voda má vysokú mernú tepelnú kapacitu a vysoký koeficient prestupu tepla konvekciou. Má dobrý chladiaci účinok a ľahko sa nastavuje. Aby sa zabránilo usadzovaniu vodného kameňa, teplota by nemala prekročiť 35 stupňov.

2) Vzduch

V oblastiach, kde sú zdroje vody vzácne, môže byť ako chladivo použitý vzduch. Súčiniteľ prestupu tepla prúdením vzduchu je malý a výkon prenosu tepla je slabý. Je vhodný na výmenu tepla pri chladiacej teplote 0-35 stupňov .

3) Mrazená soľanka

Ak je potrebné ochladiť teplotu kvapaliny na nižšiu teplotu, musí sa použiť chladiaca kvapalina s nízkou teplotou. Bežne používané nízkoteplotné chladivá zahŕňajú mrazenú soľanku (CaCl₂, roztok NaCl), ktorý dokáže ochladiť materiál na teplotu mínus desať stupňov Celzia alebo až mínus desiatky stupňov Celzia. Bežne používaný teplotný rozsah je {{0}} až 0 stupňov . Ak je potrebné hlboké chladenie, možno na dosiahnutie účelu použiť odparovanie určitých kvapalín s nízkou teplotou varu.