Kuinka lämmönsiirto toimii?

Lämmönsiirrolla on kaksi tarkoitusta perinteisessä teollisuudessa:

Ensinnäkin lämmönsiirron, kuten lämmitys- tai jäähdytysmateriaalien, edistämiseksi tarkoituksena on parantaa lämmönsiirtoa, parantaa laitteiden lämmönsiirtotehokkuutta, pienentää laitteen kokoa ja vähentää laitekustannuksia;
Toiseksi lämmönsiirron heikentämiseksi ja lämpöhäviön vähentämiseksi, kuten korkean lämpötilan laitteiden, matalan lämpötilan laitteiden ja nesteen kuljetusputkien eristys, mitä pienempi lämmönsiirtonopeus, sitä parempi.

Erilaisista lämmönvaihtotarkoituksista ja tuotantoolosuhteista johtuen myös lämmönvaihtotavat ovat erilaisia. Teollisissa tuotantoprosesseissa yleisesti käytetyt lämmönvaihtomenetelmät voidaan jakaa kolmeen tyyppiin, nimittäin: välikerroslämmönvaihto, suora sekalämmönvaihto ja lämmön varastointilämmönvaihto.

(1) Kerrosten välinen lämmönvaihto

Kerrostenvälisessä lämmönvaihtimessa kylmä ja kuuma neste ovat lämmönvaihtimen seinämän molemmilla puolilla, ja kuuma neste siirtää lämpöä kylmään nesteeseen välikerroksen kautta. Osituslämmönvaihtoa käytetään laajalti kemikaalien tuotannossa. Tähän luokkaan kuuluvia lämmönvaihtimia ovat: vaipalliset lämmönvaihtimet, serpentiinilämmönvaihtimet, vaippa-putkilämmönvaihtimet, vaippa-putkilämmönvaihtimet ja levylämmönvaihtimet.

(2) Suora sekoituslämmönvaihto

Suoran sekoituslämmönvaihdon tarkoituksena on saada kuuma neste suoraan kosketukseen kylmän nesteen kanssa ja vaihtaa lämpöä nesteiden sekoitusprosessin aikana. Tätä lämmönvaihtomuotoa käytetään pääasiassa kaasun jäähdyttämiseen ja höyryn kondensaatioon. Esimerkiksi kemiantehtaan jäähdytystornissa kuumaa vettä ja ilmaa sekoitetaan suoraan lämmönvaihtoa varten. Ilma imee itseensä veden höyrystymislämmön ja alentaa veden lämpötilaa.

(3) Lämpövarastoinnin lämmönvaihto

Lämpövarastointilämmönvaihdon tarkoituksena on asentaa lämpövarastokappale (kiinteä täyteaine) lämmönvaihtimeen ja käyttää lämpövarastokappaletta lämmön keräämiseen ja vapauttamiseen kylmien ja kuumien nesteiden välisen lämmönvaihdon tarkoituksen saavuttamiseksi. Käytön aikana kuuman nesteen annetaan ensin kulkea lämpövarastokappaleen läpi lämmön varastoimiseksi lämpövarastokappaleeseen, ja sitten kylmän nesteen annetaan virrata lämpövarastokappaleen läpi, ja lämpövarastokappale siirtää lämpöä kylmään. nestettä.

Kuumien ja kylmien nesteiden välinen lämpötilaero on välttämätön edellytys spontaanille lämmönsiirrolle. Lämmönsiirto voidaan suorittaa vain, kun lämmönvaihtimen lämmönsiirtoseinän molemmilla puolilla on lämpötilaero. Lämpötilaero lämmönvaihtimen kussakin asennossa ei välttämättä ole vakaa. Se, onko lämpötilaero vakaa, riippuu tuotantoprosessin stabiilisuudesta.

1) Vakaa lämmönsiirto

Lämmönvaihdinjärjestelmässä, jos kunkin lämmönsiirtokohdan lämpötila ei muutu ajan myötä, järjestelmän lämmönsiirtoa kutsutaan stabiiliksi lämmönsiirroksi. Vakaassa lämmönsiirtoprosessissa kunkin kuuman pisteen lämmönsiirtonopeus ei muutu ajan myötä. Tämän tyyppinen lämmönsiirtoprosessi tapahtuu jatkuvassa tuotantoprosessissa. Esimerkiksi: tuotantoprosessin jatkuvassa ja vakaassa vaiheessa raaka-aineiden saanti tai tuotteiden talteenotto on stabiilia, jolloin lämpötilaa lämmönvaihtoprosessin kussakin kohdassa voidaan pitää vakiona, mikä kuuluu stabiiliin lämpöön. siirtää.

2) Epävakaa lämmönsiirto

Lämmönvaihdinjärjestelmässä, jos kunkin lämmönsiirtokohdan lämpötila muuttuu ajan myötä, järjestelmän lämmönsiirtoa kutsutaan epävakaaksi lämmönsiirroksi. Epävakaassa lämmönsiirtoprosessissa kunkin kuuman pisteen lämmönsiirtonopeus muuttuu ajan myötä. Tämän tyyppinen lämmönsiirtoprosessi tapahtuu jaksoittaisten tuotantoprosessien tai jatkuvan tuotannon käynnistys- ja pysäytysvaiheissa. Esimerkiksi: tuotantoprosessin käynnistyksen tai pysäytyksen aikana lämpötila lämmönvaihtoprosessin kussakin kohdassa asteittain nousee tai laskee tuotantokuormituksen asteittaisen lisääntymisen tai pienenemisen vuoksi, mikä on epävakaa lämmönsiirtoprosessi.

Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan lämpö siirtyy aina automaattisesti korkeamman lämpötilan kohteesta alhaisemman lämpötilan esineeseen. Vain mekaanisen työn vaatiessa lämpöä voidaan siirtää matalan lämpötilan esineestä korkean lämpötilan esineeseen.
Lämmönsiirron perusmenetelmät ovat lämmönjohtaminen, lämmön konvektio ja lämmönsäteily. Lämmönsiirtoprosessi ei useinkaan ole yksin tietyssä lämmönsiirtomenetelmässä, vaan kahden tai kolmen lämmönsiirtomenetelmän yhdistelmä. Lämmönsiirtomenetelmä on erilainen, jos lämmönvaihtoväliaineen rakenne ja lämpöliiketila ovat erilaiset.

1) Lämmönjohtavuus

Lämmönjohtavuus on prosessi, jossa lämpöä siirretään esineen korkeamman lämpötilan osasta alhaisemman lämpötilan osaan aineen molekyylien, atomien tai vapaiden elektronien liikkeen vuoksi. Lämmönjohtavuus on lämmönsiirtomenetelmä paikallaan olevassa esineessä, jolle on ominaista makroskooppisen siirtymän puuttuminen aineiden välillä. Kaikki esineet, riippumatta siitä, onko niiden sisällä hiukkasten suhteellista siirtymää, joutuvat väistämättä läpi lämpöä niin kauan kuin lämpötilaero on olemassa. Mikroskooppisesta näkökulmasta lämmönjohtavuus on lämmönsiirtoilmiö, jonka aiheuttaa mikroskooppisten hiukkasten, kuten aineen molekyylien, atomien ja vapaiden elektronien lämpöliike. Kaasussa tai nesteessä korkean lämpötilan vyöhykkeellä olevien molekyylien kineettinen energia on suurempi kuin alhaisen lämpötilan vyöhykkeen molekyylien. Molekyylit, joilla on eri kineettinen energia, törmäävät toisiinsa, jolloin lämpöä virtaa korkean lämpötilan vyöhykkeeltä matalan lämpötilan vyöhykkeelle. Ei-metallisissa kiinteissä aineissa lämpöä siirtyy pääasiassa lämpövärähtely ja vierekkäisten molekyylien törmäys; metalleissa lämmönjohtavuus saavutetaan pääasiassa vapaiden elektronien liikkeellä.

2) Terminen konvektio

Lämpökonvektiolla tarkoitetaan lämmönsiirtoa, joka aiheutuu hiukkasten suhteellisesta siirtymisestä nesteen kussakin osassa. Konvektioprosessiin liittyy usein lämmönjohtavuutta. Kemian tuotannossa lämmönsiirtoa nesteen ja kiinteän seinän välillä kutsutaan yleensä konvektiolämmönsiirroksi. Konvektiolämmönsiirto jaetaan pakotettuun konvektioon ja luonnolliseen konvektioon. Jos nesteen liike johtuu ulkoisesta voimasta, sitä kutsutaan pakotetuksi konvektioksi, kuten: käyttämällä pumppuja, puhaltimia, sekoittaen jne. nesteen konvektioimiseksi ja lämmön siirtämiseksi. Jos nesteen liike johtuu nesteen sisällä olevien kylmien ja kuumien osien eri tiheydistä, sitä kutsutaan luonnolliseksi konvektioksi. Pakotettu konvektio lämmönsiirto on parempi kuin luonnollinen konvektio.

(3) Lämpösäteily

Lämpösäteilyllä tarkoitetaan prosessia, jossa esine tuottaa sähkömagneettisia aaltoja lämmön vaikutuksesta ja siirtää energiaa ulkomaailmaan. Mikä tahansa esine, niin kauan kuin sen lämpötila on korkeampi kuin termodynaaminen lämpötila nolla, säteilee jatkuvasti energiaa ulkomaailmaan ilman väliaineen tarvetta. Samalla se imee jatkuvasti säteilyenergiaa muista ulkomaailman esineistä ja muuntaa sen lämpöenergiaksi. Siksi säteilylämmönsiirto ei ole vain energiansiirtoprosessi, vaan siihen liittyy myös energian muunnos. Mitä korkeampi kohteen lämpötila on, sitä enemmän energiaa siirtyy säteilyn muodossa.

Teollisessa tuotannossa lämmönvaihtoprosessissa käytetään usein lämmönvaihtoa kahden prosessinesteen välillä. Lisäksi tarvitaan toinen lämmitysaine (lämmitysväliaine) tai jäähdytysneste (jäähdytysaine) osallistumaan lämmönvaihtoon lämmön syöttämiseksi tai poistamiseksi.

1. Yleisesti käytetyt lämmitysaineet
Teollisuudessa yleisesti käytettyjä lämmitysaineita ovat kyllästetty ja vesihöyry, kuuma vesi, mineraaliöljy, bifenyyliseos, sula suola ja savukaasut. Jos lämmityslämpötila on erittäin korkea, voidaan käyttää sähkölämmitystä.

1) Tyydytetty vesihöyry

Tyydyttynyt vesihöyry on yleisimmin käytetty lämmitysaine. Koska kylläisen vesihöyryn konvektiivinen lämmönsiirtokerroin on erittäin korkea kondensoituessaan, höyryn painetta voidaan muuttaa lämmityslämpötilan säätämiseksi tarkasti. Kuitenkin, kun kylläisen vesihöyryn lämpötila ylittää 180 astetta, vaaditaan erittäin korkea paine. Siksi kyllästettyä höyryä käytetään yleensä vain tilanteissa, joissa lämmityslämpötila on 100-180 astetta.

2) Savukaasut

Polttoainepoltolla saaduilla savukaasuilla on erittäin korkea lämpötila, joka voi olla 500-1000 astetta. Se soveltuu korkeampaa lämpötilaa vaativaan lämmitykseen. Savukaasulämmityksen haittoja ovat sen pieni ominaislämpökapasiteetti, hallittavuus ja alhainen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin.

3) Kuuma vesi

Lämmitysaineena käytetään kuumaa vettä. Sen käyttölämpötila-alue on 40-100 astetta. Kuuma vesi tulee vesihöyryn lauhteesta tai kuuman jäteveden hukkalämmöstä.

(4) Mineraaliöljy

Mineraaliöljy soveltuu alle 250 asteen lämmitysprosesseihin. Sen haittoja ovat korkea viskositeetti, alhainen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin ja helppo hajoaminen ja palaminen yli 250 asteen lämpötilassa.

5) Sula suola

Sulan suolan koostumus on 7 % NaNO3, 40 % NaNO2, 53 % KNO3. Sen käyttölämpötila-alue on 142-530 astetta, lämmityslämpötila on korkea ja lämmitys tasaista.

6) Bifenyyliseos

Bifenyyliseoksen nesteen soveltuva lämpötila-alue on 15-255 astetta ja sen höyryt 255-3800 astetta. Sovellettava lämpötila-alue on laaja, ja lämpötilaa on helppo säätää sen höyryllä lämmitettäessä.

2. Yleisesti käytetyt jäähdytysnesteet
Teollisuudessa yleisesti käytettyjä jäähdytysnesteitä ovat vesi, ilma ja erilaiset kylmäaineet.

1) Vesi

Vesi on yleisimmin käytetty jäähdytysneste. Se voi tulla luonnosta eikä vaadi erityistä käsittelyä. Yleisesti käytetty lämpötila-alue on 10-35 astetta. Vedellä on korkea ominaislämpökapasiteetti ja korkea konvektiivinen lämmönsiirtokerroin. Sillä on hyvä jäähdytysvaikutus ja se on helppo säätää. Lämpötila ei saa ylittää 35 astetta hilseilyn estämiseksi.

2) Ilmaa

Alueilla, joilla vesivarat ovat niukat, ilmaa voidaan käyttää jäähdytysnesteenä. Ilman konvektiivinen lämmönsiirtokerroin on pieni ja lämmönsiirtokyky huono. Se soveltuu lämmönvaihtoon 0-35 asteen jäähdytyslämpötilassa.

3) Pakastettu suolavesi

Jos nesteen lämpötila on jäähdytettävä alempaan lämpötilaan, on käytettävä matalalämpötilaista jäähdytysnestettä. Yleisesti käytettyjä matalalämpöisiä jäähdytysnesteitä ovat jäädytetty suolaliuos (CaCl₂, NaCl-liuos), joka voi jäähdyttää materiaalin miinus kymmenen celsiusasteen tai jopa miinus kymmenien celsiusasteiden lämpötilaan. Yleisesti käytetty lämpötila-alue on {{0}} - 0 astetta. Jos tarvitaan syväjäähdytystä, tiettyjen matalan kiehumispisteen nesteiden haihduttamista voidaan käyttää tarkoituksen saavuttamiseksi.