Kā darbojas siltuma pārnese?

Tradicionālajā rūpniecībā siltuma pārnesei ir divi mērķi:

Pirmkārt, lai veicinātu siltuma pārnesi, piemēram, apkures vai dzesēšanas materiālus, mērķis ir uzlabot siltuma pārnesi, uzlabot iekārtu siltuma pārneses efektivitāti, samazināt aprīkojuma izmēru un samazināt aprīkojuma izmaksas;
Otrkārt, lai vājinātu siltuma pārnesi un samazinātu siltuma zudumus, piemēram, augstas temperatūras iekārtu, zemas temperatūras iekārtu un šķidruma transportēšanas cauruļvadu izolāciju, jo zemāks ir siltuma pārneses ātrums, jo labāk.

Dažādu siltuma apmaiņas mērķu un ražošanas apstākļu dēļ atšķiras arī siltuma apmaiņas metodes. Rūpnieciskās ražošanas procesos plaši izmantotās siltumapmaiņas metodes var iedalīt trīs veidos, proti: starpslāņu siltumapmaiņa, tiešā jauktā siltuma apmaiņa un siltuma uzglabāšanas siltuma apmaiņa.

(1) Starpslāņu siltuma apmaiņa

Starpslāņu siltummainī aukstais un karstais šķidrums atrodas abās siltummaiņa sienas pusēs, un karstais šķidrums nodod siltumu aukstajam šķidrumam caur starpslāni. Starpsienas siltuma apmaiņa tiek plaši izmantota ķīmiskajā ražošanā. Šai kategorijai piederošie siltummaiņi ir: apvalkoti siltummaiņi, serpentīna siltummaiņi, apvalka un cauruļu siltummaiņi, apvalka un cauruļu siltummaiņi un plākšņu siltummaiņi.

(2) Tiešā sajaukšanas siltuma apmaiņa

Tiešā sajaukšanas siltuma apmaiņa ir tieša saskarsme ar karsto šķidrumu ar auksto šķidrumu un siltuma apmaiņa šķidrumu sajaukšanas procesā. Šo siltuma apmaiņas veidu galvenokārt izmanto gāzes dzesēšanai un tvaika kondensācijai. Piemēram, ķīmiskās rūpnīcas dzesēšanas tornī karstais ūdens un gaiss tiek tieši sajaukti siltuma apmaiņai. Gaiss absorbē ūdens iztvaikošanas siltumu un samazina ūdens temperatūru.

(3) Termiskā uzglabāšanas siltuma apmaiņa

Termiskās uzglabāšanas siltuma apmaiņa ir siltuma uzglabāšanas korpusa (cietā pildvielas) uzstādīšana siltummainī un siltuma uzkrāšanas korpusa izmantošana siltuma uzkrāšanai un izdalīšanai, lai sasniegtu siltuma apmaiņas mērķi starp aukstiem un karstiem šķidrumiem. Darbības laikā karstajam šķidrumam vispirms ļauj iziet cauri siltuma uzglabāšanas korpusam, lai uzglabātu siltumu uz termoakumulācijas korpusa, un pēc tam aukstajam šķidrumam ļauj plūst cauri siltuma uzglabāšanas korpusam, un siltuma uzglabāšanas korpuss nodod siltumu aukstajam. šķidrums.

Temperatūras starpība starp karsto un auksto šķidrumu ir nepieciešams nosacījums spontānai siltuma pārnesei. Siltuma pārnesi var veikt tikai tad, ja abās siltummaiņa siltuma pārneses sienas pusēs ir temperatūras starpība. Temperatūras starpība katrā siltummaiņa pozīcijā ne vienmēr ir stabila. Tas, vai temperatūras starpība ir stabila, ir atkarīgs no ražošanas procesa stabilitātes.

1) Stabila siltuma pārnese

Siltummaiņa sistēmā, ja katras siltuma pārneses pozīcijas temperatūra laika gaitā nemainās, sistēmas siltuma pārnesi sauc par stabilu siltuma pārnesi. Stabilā siltuma pārneses procesā katra karstā punkta siltuma pārneses ātrums nemainās laika gaitā. Šāda veida siltuma pārneses process notiek nepārtrauktā ražošanas procesā. Piemēram: nepārtrauktā un stabilā ražošanas procesa posmā izejvielu padeve vai produktu atgūšana ir stabila, tad temperatūru katrā siltuma apmaiņas procesa pozīcijā var uzskatīt par nemainīgu, kas pieder pie stabila siltuma nodošana.

2) Nestabila siltuma pārnese

Siltummaiņu sistēmā, ja katras siltuma pārneses pozīcijas temperatūra laika gaitā mainās, sistēmas siltuma pārnesi sauc par nestabilu siltuma pārnesi. Nestabilā siltuma pārneses procesā katra karstā punkta siltuma pārneses ātrums mainās ar laiku. Šāda veida siltuma pārneses process notiek periodisku ražošanas procesu vai nepārtrauktas ražošanas palaišanas un izslēgšanas stadijās. Piemēram: ražošanas procesa palaišanas vai apturēšanas laikā temperatūra katrā siltuma apmaiņas procesa pozīcijā pakāpeniski palielinās vai pazeminās, pakāpeniski palielinot vai samazinot ražošanas slodzi, kas ir nestabils siltuma pārneses process.

Saskaņā ar otro termodinamikas likumu siltums vienmēr tiek automātiski pārnests no augstākas temperatūras objekta uz zemākas temperatūras objektu. Tikai ar nosacījumu, ka tiek patērēts mehānisks darbs, siltumu var pārnest no zemas temperatūras objekta uz augstas temperatūras objektu.
Siltuma pārneses pamatmetodes ir siltuma vadīšana, siltuma konvekcija un siltuma starojums. Siltuma pārneses process bieži vien nepastāv atsevišķi noteiktā siltuma pārneses metodē, bet gan divu vai trīs siltuma pārneses metožu kombinācija. Siltuma pārneses metode ir atšķirīga, ja siltummaiņas vides struktūra un termiskās kustības stāvoklis atšķiras.

1) Siltuma vadītspēja

Siltuma vadīšana ir siltuma pārnešana no objekta augstākās temperatūras daļas uz zemākas temperatūras daļu vielas molekulu, atomu vai brīvo elektronu kustības dēļ. Siltuma vadīšana ir siltuma pārneses metode stacionārā objektā, ko raksturo makroskopisku pārvietošanās trūkums starp vielām. Visi objekti, neatkarīgi no tā, vai tajos ir daļiņu relatīvā pārvietošanās, neizbēgami tiks pakļauti siltuma vadīšanai, kamēr pastāvēs šī temperatūras starpība. No mikroskopiskā viedokļa siltuma vadītspēja ir siltuma pārneses parādība, ko izraisa mikroskopisku daļiņu, piemēram, molekulu, atomu un vielas brīvo elektronu, termiskā kustība. Gāzē vai šķidrumā molekulu kinētiskā enerģija augstas temperatūras zonā ir lielāka nekā molekulām zemas temperatūras zonā. Molekulas ar dažādu kinētisko enerģiju saduras viena ar otru, izraisot siltuma plūsmu no augstas temperatūras zonas uz zemas temperatūras zonu. Nemetāliskās cietās vielās siltums galvenokārt tiek pārnests termiskās vibrācijas un blakus esošo molekulu sadursmes rezultātā; metālos siltuma vadītspēju galvenokārt panāk brīvo elektronu kustība.

2) Termiskā konvekcija

Termiskā konvekcija attiecas uz siltuma pārnesi, ko izraisa daļiņu relatīvā pārvietošanās katrā šķidruma daļā. Konvekcijas procesu bieži pavada siltuma vadīšana. Ķīmiskajā ražošanā siltuma pārnesi starp šķidrumu un cieto sienu parasti sauc par konvekcijas siltuma pārnesi. Konvekcijas siltuma pārnesi iedala piespiedu konvekcijā un dabiskajā konvekcijā. Ja šķidruma kustību izraisa ārējs spēks, to sauc par piespiedu konvekciju, piemēram: izmantojot sūkņus, ventilatorus, maisot utt., lai izraisītu šķidruma konvekciju un siltuma pārnesi. Ja šķidruma kustību izraisa atšķirīgais aukstās un karstās daļas blīvums šķidruma iekšpusē, to sauc par dabisko konvekciju. Piespiedu konvekcijas siltuma pārnese ir labāka nekā dabiskā konvekcija.

(3) Termiskais starojums

Termiskais starojums attiecas uz procesu, kurā objekts siltuma ietekmē ģenerē elektromagnētiskos viļņus un nodod enerģiju ārpasaulei. Jebkurš objekts, ja vien tā temperatūra ir augstāka par termodinamisko nulles temperatūru, nepārtraukti izstaros enerģiju uz ārpasauli bez jebkādas vides nepieciešamības. Tajā pašā laikā tas nepārtraukti absorbē starojuma enerģiju no citiem objektiem ārējā pasaulē un pārvērš to siltumenerģijā. Tāpēc starojuma siltuma pārnese ir ne tikai enerģijas pārneses process, bet arī to pavada enerģijas pārveide. Jo augstāka objekta temperatūra, jo vairāk enerģijas tiek nodots starojuma veidā.

Rūpnieciskajā ražošanā siltumapmaiņas procesā bieži izmanto siltuma apmaiņu starp diviem procesa šķidrumiem. Turklāt, lai piedalītos siltuma apmaiņā, lai piegādātu vai noņemtu siltumu, ir nepieciešams cits sildīšanas līdzeklis (sildīšanas līdzeklis) vai dzesēšanas šķidrums (dzesēšanas vide).

1. Parasti izmantotie sildīšanas līdzekļi
Rūpniecībā plaši izmantotie sildītāji ir piesātinātie un ūdens tvaiki, karstais ūdens, minerāleļļa, bifenila maisījums, izkausētais sāls un dūmgāzes. Ja apkures temperatūra ir ļoti augsta, var izmantot elektrisko apkuri.

1) Piesātināts ūdens tvaiks

Piesātinātie ūdens tvaiki ir visplašāk izmantotais sildītājs. Tā kā piesātināto ūdens tvaiku konvekcijas siltuma pārneses koeficients kondensācijas laikā ir ļoti augsts, tvaika spiedienu var mainīt, lai precīzi pielāgotu sildīšanas temperatūru. Tomēr, ja piesātināta ūdens tvaika temperatūra pārsniedz 180 grādus, ir nepieciešams ļoti augsts spiediens. Tāpēc piesātināta tvaika sildīšanu parasti izmanto tikai gadījumos, kad sildīšanas temperatūra ir no 100 līdz 180 grādiem.

2) Dūmgāzes

Dūmgāzēm, kas iegūtas, sadedzinot degvielu, ir ļoti augsta temperatūra, kas var sasniegt 500 līdz 1000 grādus. Tas ir piemērots apkurei, kurai nepieciešama augstāka temperatūra. Apkures ar dūmgāzēm trūkumi ir tā zemā īpatnējā siltumietilpība, kontroles grūtības un zemais konvekcijas siltuma pārneses koeficients.

3) Karsts ūdens

Karstais ūdens tiek izmantots kā sildītājs. Tās piemērojamais temperatūras diapazons ir no 40 līdz 100 grādiem. Karstais ūdens nāk no ūdens tvaiku kondensētā ūdens vai karstā ūdens atkritumu siltuma.

(4) Minerāleļļa

Minerāleļļa ir piemērota karsēšanas procesiem zem 250 grādiem. Tā trūkumi ir augsta viskozitāte, zems konvekcijas siltuma pārneses koeficients un viegla sadalīšanās un sadegšana virs 250 grādiem.

5) Izkausēta sāls

Izkausētā sāls sastāvs ir 7% NaNO3, 40% NaNO2, 53% KNO3. Tā piemērojamais temperatūras diapazons ir 142-530 grādi, sildīšanas temperatūra ir augsta un sildīšana ir vienmērīga.

6) Bifenila maisījums

Piemērojamais bifenila maisījuma šķidruma temperatūras diapazons ir 15-255 grādi, un tā tvaiki ir piemērojami diapazonā 255-3800 grādi. Piemērojamais temperatūras diapazons ir plašs, un temperatūru ir viegli regulēt, sildot ar tā tvaikiem.

2. Bieži lietotie dzesēšanas šķidrumi
Rūpniecībā plaši izmantotie dzesēšanas šķidrumi ir ūdens, gaiss un dažādi aukstumnesēji.

1) Ūdens

Ūdens ir visbiežāk izmantotais dzesēšanas šķidrums. Tas var nākt no dabas, un tam nav nepieciešama īpaša apstrāde. Parasti izmantotais piemērojamais temperatūras diapazons ir 10-35 grādi. Ūdenim ir augsta īpatnējā siltumietilpība un augsts konvekcijas siltuma pārneses koeficients. Tam ir labs dzesēšanas efekts, un to ir viegli pielāgot. Lai novērstu katlakmens veidošanos, temperatūra nedrīkst pārsniegt 35 grādus.

2) Gaiss

Vietās, kur ūdens resursi ir ierobežoti, gaisu var izmantot kā dzesēšanas šķidrumu. Gaisa konvektīvās siltuma pārneses koeficients ir mazs, un siltuma pārneses veiktspēja ir slikta. Tas ir piemērots siltuma apmaiņai pie dzesēšanas temperatūras 0-35 grādiem.

3) Saldēts sālījums

Ja šķidruma temperatūra ir jāatdzesē līdz zemākai temperatūrai, jāizmanto zemas temperatūras dzesēšanas šķidrums. Parasti izmanto zemas temperatūras dzesēšanas šķidrumus, piemēram, saldētu sālījumu (CaCl₂, NaCl šķīdums), kas var atdzesēt materiālu līdz mīnus desmit grādiem pēc Celsija vai pat mīnus desmitiem grādu pēc Celsija. Parasti izmantotais temperatūras diapazons ir no {{0}} līdz 0 grādiem. Ja nepieciešama dziļa dzesēšana, mērķa sasniegšanai var izmantot noteiktu šķidrumu ar zemu viršanas temperatūru iztvaikošanu.