Како функционише пренос топлоте?

Пренос топлоте има две сврхе у традиционалној индустрији:

Прво, да би се промовисао пренос топлоте, као што су материјали за грејање или хлађење, сврха је да се побољша пренос топлоте, побољша ефикасност преноса топлоте опреме, смањи величина опреме и смање трошкови опреме;
Друго, да се ослаби пренос топлоте и смањи губитак топлоте, као што је изолација високотемпературне опреме, нискотемпературне опреме и цевовода за транспорт течности, што је нижа брзина преноса топлоте, то боље.

Због различитих намена размене топлоте и услова производње, методе размене топлоте су такође различите. Најчешће коришћене методе размене топлоте у процесима индустријске производње могу се поделити у три типа, и то: међуслојна размена топлоте, директна мешовита размена топлоте и размена топлоте за складиштење топлоте.

(1) Међуслојна размена топлоте

У међуслојном измењивачу топлоте, хладни и топли флуиди су са обе стране зида измењивача топлоте, а врући флуид преноси топлоту хладном флуиду кроз међуслој. Преградна размена топлоте се широко користи у хемијској производњи. Измењивачи топлоте који припадају овој категорији обухватају: измењиваче топлоте са омотачем, серпентинасте измењиваче топлоте, шкољкасте измењиваче топлоте, шкољкасте измењиваче топлоте и плочасте измењиваче топлоте.

(2) Директна размена топлоте при мешању

Директна размена топлоте при мешању је директан контакт врућег флуида са хладним флуидом и размена топлоте током процеса мешања флуида. Овај облик размене топлоте се углавном користи за хлађење гаса и кондензацију паре. На пример, у расхладном торњу у хемијском постројењу, топла вода и ваздух се директно мешају за размену топлоте. Ваздух апсорбује топлоту испаравања воде и смањује температуру воде.

(3) Измена топлоте за складиштење топлоте

Размена топлоте за складиштење топлоте је уградња тела за складиштење топлоте (чврсто пуњење) у измењивач топлоте и коришћење тела за складиштење топлоте за акумулацију и ослобађање топлоте како би се постигла сврха размене топлоте између хладног и врућег флуида. Током рада, топлом флуиду се прво дозвољава да прође кроз тело за складиштење топлоте како би ускладиштило топлоту на телу за складиштење топлоте, а затим се хладном флуиду дозвољава да тече кроз тело за складиштење топлоте, а тело за складиштење топлоте преноси топлоту на хладно течност.

Температурна разлика између топлих и хладних флуида је неопходан услов за спонтани пренос топлоте. Пренос топлоте се може извршити само када постоји температурна разлика са обе стране зида за пренос топлоте измењивача топлоте. Температурна разлика на свакој позицији измењивача топлоте није нужно стабилна. Да ли је температурна разлика стабилна зависи од стабилности процеса производње.

1) Стабилан пренос топлоте

У систему измењивача топлоте, ако се температура сваке позиције преноса топлоте не мења током времена, пренос топлоте система се назива стабилан пренос топлоте. У стабилном процесу преноса топлоте, брзина преноса топлоте сваке вруће тачке се не мења током времена. Ова врста процеса преноса топлоте се јавља у континуираном процесу производње. На пример: у континуираној и стабилној фази производног процеса, снабдевање сировинама или опоравак производа су стабилни, тада се температура на свакој позицији у процесу размене топлоте може сматрати константном, што припада стабилној топлоти трансфер.

2) Нестабилан пренос топлоте

У систему измењивача топлоте, ако се температура сваког положаја преноса топлоте мења током времена, пренос топлоте система се назива нестабилан пренос топлоте. У нестабилном процесу преноса топлоте, брзина преноса топлоте сваке вруће тачке се мења током времена. Овај тип процеса преноса топлоте се јавља у фазама покретања и гашења повремених производних процеса или континуиране производње. На пример: током покретања или гашења производног процеса, температура на свакој позицији процеса размене топлоте се постепено повећава или смањује услед постепеног повећања или смањења производног оптерећења, што је нестабилан процес преноса топлоте.

Према другом закону термодинамике, топлота се увек аутоматски преноси са објекта више температуре на објекат ниже температуре. Само под условом трошења механичког рада топлота се може пренети са објекта ниске температуре на објекат високе температуре.
Основне методе преноса топлоте су провођење топлоте, топлотна конвекција и топлотно зрачење. Процес преноса топлоте често не постоји сам у одређеном начину преноса топлоте, већ комбинација два или три начина преноса топлоте. Метод преноса топлоте је другачији ако су структура и стање термичког кретања медијума за размену топлоте различити.

1) Провођење топлоте

Провођење топлоте је процес преношења топлоте са вишетемпературног дела предмета на део са нижом температуром услед кретања молекула, атома или слободних електрона неке супстанце. Провођење топлоте је метода преноса топлоте у стационарном објекту, коју карактерише одсуство макроскопског померања између супстанци. Сви објекти, без обзира да ли постоји релативно померање честица унутар њих, неизбежно ће бити подвргнути проводљивости топлоте све док постоји ова температурна разлика. Из микроскопске перспективе, провођење топлоте је феномен преноса топлоте узрокован топлотним кретањем микроскопских честица као што су молекули, атоми и слободни електрони супстанце. У гасу или течности, кинетичка енергија молекула у зони високе температуре већа је од енергије молекула у зони ниске температуре. Молекули са различитим кинетичким енергијама се сударају једни са другима, узрокујући проток топлоте из зоне високе температуре у зону ниске температуре. У неметалним чврстим материјама, топлота се углавном преноси топлотном вибрацијом и сударом суседних молекула; у металима се проводљивост топлоте углавном постиже кретањем слободних електрона.

2) Топлотна конвекција

Топлотна конвекција се односи на пренос топлоте узрокован релативним померањем честица у сваком делу течности. Процес конвекције је често праћен провођењем топлоте. У хемијској производњи, пренос топлоте између флуида и чврстог зида се обично назива конвекцијским преносом топлоте. Конвекцијски пренос топлоте се дели на принудну и природну конвекцију. Ако је кретање течности изазвано спољном силом, то се назива принудна конвекција, као што су: коришћење пумпи, вентилатора, мешање итд. да би се течност конвектовала и пренела топлота. Ако је кретање течности узроковано различитим густинама хладних и врућих делова унутар течности, то се назива природна конвекција. Пренос топлоте принудном конвекцијом је бољи од природне конвекције.

(3) Топлотно зрачење

Топлотно зрачење се односи на процес у коме објекат генерише електромагнетне таласе услед топлоте и преноси енергију у спољашњи свет. Сваки објекат, све док је његова температура виша од термодинамичке температуре од нуле, непрекидно ће зрачити енергију у спољашњи свет без потребе за било којим медијумом. Истовремено, непрекидно апсорбује енергију зрачења других објеката у спољашњем свету и претвара је у топлотну енергију. Дакле, пренос топлоте зрачења није само процес преноса енергије, већ је праћен и конверзијом енергије. Што је температура објекта виша, то се више енергије преноси у облику зрачења.

У индустријској производњи, размена топлоте између два процесна флуида се често користи у процесу размене топлоте. Поред тога, потребно је још једно средство за грејање (медиј за грејање) или расхладно средство (медијум за хлађење) да учествује у размени топлоте за снабдевање или уклањање топлоте.

1. Често коришћена средства за грејање
Обично коришћена средства за грејање у индустрији укључују засићену и водену пару, топлу воду, минерално уље, смешу бифенила, растопљену со и димни гас. Ако је температура грејања веома висока, може се користити електрично грејање.

1) Засићена водена пара

Засићена водена пара је најчешће коришћено средство за грејање. Пошто је коефицијент конвективног преноса топлоте засићене водене паре веома висок када се кондензује, притисак паре се може променити да би се прецизно подесила температура грејања. Међутим, када температура засићене водене паре пређе 180 степени, потребан је веома висок притисак. Због тога се грејање засићеном паром обично користи само у случајевима када је температура грејања између 100 и 180 степени.

2) Димни гас

Димни гас добијен сагоревањем горива има веома високу температуру, која може да достигне 500 до 1000 степени. Погодан је за грејање које захтева вишу температуру. Недостаци грејања на димни гас су мали специфични топлотни капацитет, тешкоћа у регулацији и низак коефицијент конвективног преноса топлоте.

3) Топла вода

Топла вода се користи као средство за грејање. Његов применљив температурни опсег је од 40 до 100 степени. Топла вода долази из кондензоване воде водене паре или отпадне топлоте отпадне топле воде.

(4) Минерално уље

Минерално уље је погодно за процесе грејања испод 250 степени. Његови недостаци су висок вискозитет, низак коефицијент конвективног преноса топлоте и лако разлагање и сагоревање изнад 250 степени.

5) Растопљена со

Састав растопљене соли је 7% НаНО3, 40% НаНО2, 53% КНО3. Његов применљив температурни опсег је 142-530 степени, температура грејања је висока, а грејање је равномерно.

6) Мешавина бифенила

Применљив температурни опсег течности смеше бифенила је 15-255 степен, а њена пара је применљива у опсегу од 255-3800 степена. Применљив температурни опсег је широк, а температуру је лако подесити када се загреје својом паром.

2. Често коришћена расхладна средства
Расхладна средства која се најчешће користе у индустрији укључују воду, ваздух и разна расхладна средства.

1) Вода

Вода је најчешће коришћена расхладна течност. Може доћи из природе и није потребна посебна обрада. Обично коришћени применљиви температурни опсег је 10-35 степен. Вода има висок специфични топлотни капацитет и висок коефицијент конвективног преноса топлоте. Има добар ефекат хлађења и лако се подешава. Да би се спречило стварање каменца, температура не би требало да прелази 35 степени.

2) Ваздух

У областима где су водни ресурси оскудни, ваздух се може користити као расхладно средство. Коефицијент конвективног преноса топлоте ваздуха је мали и перформансе преноса топлоте су лоше. Погодан је за размену топлоте на температури хлађења од 0-35 степени.

3) Замрзнути слани раствор

Ако се температура течности мора охладити на нижу температуру, мора се користити расхладна течност ниске температуре. Уобичајено коришћена расхладна средства на ниским температурама укључују смрзнути слани раствор (ЦаЦл₂, раствор НаЦл), који може охладити материјал на температуру од минус десет степени Целзијуса или чак минус десетине степени Целзијуса. Обично коришћени температурни опсег је {{0}} до 0 степени. Ако је потребно дубоко хлађење, испаравање одређених течности ниске тачке кључања може се користити за постизање сврхе.