Достоинства высокочастотного диэлектрического нагрева
К достоинства высокочастотного диэлектрического нагрева следует отнести:
а) равномерное прогревание материала; б) высокая скорость процесса; в) легкость регулировки.
Недостатки
К недостаткам высокочастотного диэлектрического нагрева относятся:
а) сложность и громоздкость оборудования; б) требуется ток высокой частоты.
- Электродуговой нагрев
Электрическая дуга позволяет сконцентрировать большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. Преимуществом электродугового является возможность получения самой высокой температуры нагрева (до 3 000 °С).
К недостаткам электродугового нагрева следует отнести:
а) очень узкая локальная область нагрева; б) неравномерность нагрева и трудность регулирования температуры нагрева; в) необходим ток высокой частоты.
ХЛАДАГЕНТЫ
По фазовому состоянию хладагенты можно разделить на жидкие и газообразные. Газообразные хладагенты в химической технологии представлены в основном воздухом. Несмотря на все недостатки воздуха как хладагента (низкая плотность и теплоѐмкость, низкий коэффициент теплоотдачи), он находит широкое применение благодаря доступности. Из жидких хладагентов наиболее широко в химической технологии применяется вода, которая является вторым после воздуха по доступности хладагентом. Воздух и вода, обладая каждый своими достоинствами и недостатками, полностью обеспечивают потребности химических производств в хладагентах, когда требуется охлаждение до 30 °С. При этом «источником холода» служит окружающая среда, что существенно снижает стоимость процесса охлаждения.
|
|
|
Охлаждение до более низких температур требует уже специальных источников холода – холодильных машин. Здесь в качестве хладагента, обеспечивающего «доставку холода» от холодильной машины к потребляющему аппарату, также может служить вода, однако еѐ применение ограничено температурой замерзания. Чтобы предотвратить замерзание переохлаждѐнной воды, в неѐ добавляют различные соли, например, хлорид кальция. Водные растворы солей называют холодильными рассолами, они играют роль промежуточных теплоносителей, получая холод от рабочего тела холодильной машины (источник холода) и доставляя его к охлаждаемой среде (потребитель холода).
Рабочим телом холодильных машин служат вещества, пары которых легко конденсируются при повышении давления в компрессоре холодильной машины. К их числу относятся жидкий аммиак, фреоны (хладоны), диоксид углерода. Циркулируя в холодильной машине, они забирают теплоту у промежуточного теплоносителя при своѐм испарении или адиабатическом расширении и отдают ее в окружающую среду при конденсации под давлением. В ряде случаев можно обойтись без промежуточного теплоносителя (холодильного рассола) и использовать в качестве хладагента непосредственно рабочее тело холодильной машины. Таким образом, фреоны, аммиак и углекислый газ также являются хладагентами, и вместе с холодильными рассолами составляют класс низкотемпературных жидких хладагентов, обеспечивающих охлаждение в интервале температур от –120 °С до 30 °С (рис. 15.5).
|
|
|
Охлаждение до температур ниже –120 °С обеспечивают криоагенты, представляющие собой сжиженные газы: этан, метан, кислород, азот, аргон и гелий.
Воздух
Получаемый из окружающей среды воздух обычно не требует никакой дополнительной обработки и подготовки и может быть сразу использован как хладагент. В редких случаях требуется очистка воздуха от пыли или влаги перед его использованием, но, даже с учѐтом этого, воздух остаѐтся наиболее дешѐвым хладагентом. Однако малая плотность воздуха и его низкая теплоѐмкость приводят к тому, что через аппарат требуется прокачивать значительные объѐмы воздуха, а это требует большого рабочего сечения. Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху приводит к значительным размерам необходимой площади теплообменной поверхности, для повышения которой применяют оребрение со стороны воздуха. Наиболее распространѐнными теплообменными аппаратами, применяемыми для охлаждения воды воздухом при непосредственном их контакте (смешении), являются градирни (рис.15.6). Охлаждение воды в градирнях происходит как за счѐт поглощения теплоты воздухом, так, в большей степени, и за счѐт частичного испарения воды.
|
|
|
Достоинства воздуха как хладагента:
1) Доступность (чаще всего, не требуется предварительной очистки и подготовки).
2) Дешевизна (воздух получают непосредственно из окружающей среды).
3) Воздух не загрязняет поверхности аппаратов.
Недостатки воздуха как хладагента:
1) Низкая плотность воздуха (1,29 кг/м3 при нормальных условиях) и низкая изобарная удельная теплоѐмкость (1,006 кДж/(кг·К) при н.у.) приводят к необходимости прокачивать через теплообменные аппараты значительные объѐмы охлаждающего воздуха.
2) Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху (около 10÷15 Вт/(м2·К) при разнице температур между воздухом и стенкой аппарата менее 100 К) требует увеличения поверхности теплоотдачи.
|
|
|
3) Для повышения коэффициента теплоотдачи зачастую необходимо обеспечить принудительную циркуляцию воздуха (дополнительные затраты).
Рис.15.5. Интервалы рабочих температур хладагентов
Вода
Вода, как и воздух, может являться прямым источником холода в том случае, если поступает из окружающей среды. Температура такой воды будет зависеть от еѐ источника: речная, прудовая и озѐрная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4÷25 °С, артезианская вода – температуру 8÷12 °С. При проектировании теплообменного оборудования начальную температуру охлаждающей воды следует принимать исходя из наиболее неблагоприятных – летних условий, что обеспечит надѐжную работу в течении всего года.
Таким образом, для воды как хладагента не следует рассчитывать на охлаждение ниже 30 °С.
Очень важным является вопрос о конечной температуре охлаждающей воды. Чем она окажется выше, тем меньше будут затраты воды. Однако высокая температура воды усугубляет проблему отложения загрязнений на стенках аппарата. Прежде всего, это отложение солей жѐсткости - растворѐнных в воде гидрокарбонатов кальция и магния при переходе их в нерастворимые карбонаты. Поэтому рекомендуется обеспечить такой режим охлаждения, при котором температура охлаждающей воды на выходе из теплообменника будет составлять 40÷50°С.
Для снижения содержания в воде солей жѐсткости, образующих слой накипи на стенках теплообменных аппаратов, а также для удаления других примесей, загрязняющих аппараты, проводится очистка воды. На крупных химических предприятиях очисткой воды занимается цех водоподготовки.
Если вода на химическом предприятии используется только в качестве хладагента, то требования к еѐ качеству несколько ниже, чем для воды, которая служит сырьѐм в тех или иных химических процессах или подаѐтся в котлы для получения пара. Для охлаждающей воды достаточно первых двух стадий водоподготовки: осветления и умягчения. На рис.15.6 представлена упрощѐнная схема водоподготовки, включающая эти две стадии. Осветление воды проводят обычно путѐм фильтрования через слой кварцевого песка 4, предварительно обработав еѐ коагулянтом (например, сульфатом железа) в отстойнике-коагуляторе 3. Умягчение воды проводят в ионообменных колоннах 5, заполненных натрий-катионитом (например, сульфоуглѐм), где происходит ионообменная реакция – ионы магния и кальция, содержащиеся в воде, замещаются на ионы натрия. Впоследствии ионообменную смолу регенерируют, обрабатывая раствором солей натрия. Очищенная и умягчѐнная вода поступает в сборник холодной воды 6.
Поскольку стоимость воды, прошедшей водоподготовку, довольно высока, возникает необходимость повторно использовать отработанную тѐплую воду, вместо того чтобы проводить очистку новой порции холодной воды. Кроме того, сброс отработанной тѐплой воды приводит к тепловому загрязнению водоѐмов. Поэтому на химическом предприятии охлаждающая вода циркулирует по замкнутому контуру, называемому водооборотным циклом (рис.15.6).
Рис.15.6. Схема водоподготовки и водооборотного цикла химического предприятия:
1 – водоѐм; 2 – насос водозабора; 3 – отстойник-коагулятор; 4 – фильтр со слоем кварцевого песка; 5 – ионообменные колонны; 6 – сборник холодной воды; 7 – насос холодной воды; 8 – теплообменники; 9 – сборник отработанной (тѐплой) воды; 10 – насос тѐплой воды; 11 – градирня
Холодная вода из сборника 6 поступает для охлаждения различного теплообменного оборудования (на рисунке теплообменное оборудование представлено кожухотрубчатым и пластинчатым теплообменниками 8). Отработанная вода не сбрасывается в канализацию, а собирается в сборник тѐплой воды 9, откуда насосами подаѐтся на градирни 11. В градирнях вода охлаждается за счѐт теплообмена с воздухом и своего частичного испарения и самотѐком поступает в сборник холодной воды 6, где для компенсации потерь пополняется новой порцией воды, прошедшей водоподготовку.
Температура воды после градирни составляет приблизительно 30 °С (в худших - летних условиях). Для охлаждения воды от 50 до 30 °С необходимо, чтобы в градирне испарилось менее 4 % от общего количества воды. Таким образом, использование водооборотного цикла снизит затраты на водоподготовку примерно в двадцать пять раз.
Достоинства воды как хладагента:
1) Невысокая стоимость воды (дороже воздуха, но дешевле, чем все другие хладагенты).
2) Самая высокая среди хладагентов теплоѐмкость (4,18 кДж/(кг·К)).
3) Высокий коэффициент теплоотдачи от стенки к воде (1 000÷6 000 Вт/(м2·К)).
4) Безопасность воды (нетоксична, экологически безопасна, взрыво- и пожаробезопасна).
5) Вода – один из прямых источников холода, либо может быть охлаждена воздухом в градирнях.
Недостатки воды как хладагента:
1) Коррозионная активность воды (невысокая, но создающая определѐнные трудности при эксплуатации трубопроводов и аппаратов из обычной стали, особенно когда в трубопроводы с водой попадает воздух).
2) Содержащиеся в воде соли жѐсткости загрязняют теплообменные поверхности аппаратов. Требуется либо существенное ограничение температурного режима, либо тщательная очистка (умягчение) воды.
3) Несмотря на то что в зимний период вода может иметь температуру около 4 °С, проектирование теплообменного оборудования следует осуществлять исходя из наименее благоприятных – летних условий, принимая возможность охлаждения водой до температур не ниже 30 °С.
Холодильные рассолы
Холодильными рассолами называют водные растворы солей (хлорида кальция, хлорида натрия и др.), применяемые как промежуточные теплоносители для транспортировки холода от холодильной машины к потребляющим аппаратам. Для той же цели может быть использована захоложенная вода, однако еѐ применение ограничено температурой замерзания 0 °С, в то время как растворы солей имеют более низкую температуру замерзания: так, раствор, содержащий 30 % (массовых) хлорида кальция, замерзает при температуре ниже –50 °С. Таким образом, холодильные рассолы являются низкотемпературными хладагентами, обеспечивающими охлаждение в интервале температур от –50 °С до 30 °С, то есть, в области, где невозможно охлаждение водой и воздухом окружающей среды. В этой области с холодильными рассолами конкурируют аммиак и фреоны (хладоны), являющиеся рабочими телами холодильных машин.
Достоинства холодильных рассолов:
1) Невысокая стоимость холодильных рассолов по сравнению с фреонами (использование холодильных рассолов позволяет значительно сэкономить фреон, которого потребовалось бы гораздо больше, если для доставки холода к потребляющим аппаратам использовался непосредственно он).
2) Замерзание части рассола концентрирует оставшуюся часть, препятствуя дальнейшему замерзанию.
3) Высокая теплоѐмкость рассола (при необходимости остановки холодильной машины рассол некоторое время способен поддерживать низкую температуру в системе).
4) Безопасность рассолов (нетоксичны, взрыво- и пожаробезопасны).
5) Рассолы безопасны для экологии (если соблюдать правила утилизации).
Недостатки холодильных рассолов:
1) Высокая коррозионная активность.
2) Наличие двойного перепада температур: в холодильной машине от фреона к рассолу и в аппарате от рассола к охлаждаемой среде. Это влечѐт необходимость создания более глубокого холода в холодильной машине, чем при непосредственном охлаждении фреоном.
3) Высокая вязкость рассолов по сравнению с фреонами.
Аммиак как хладагент
Аммиак в нормальных условиях – бесцветный газ с резким запахом, под избыточным давлением легко сжижается. Температура плавления аммиака –77,7 °С, температура кипения под атмосферным давлением –33,3 °С. Эти свойства позволяют использовать аммиак как рабочее тело холодильных машин (как абсорбционных, так и компрессионных).
До настоящего времени аммиак продолжает оставаться самым распространенным холодильным агентом промышленных холодильных установок, когда нет проблем с обеспечением безопасности их эксплуатации, а использование фреонов слишком дорого из-за необходимости большого количества холодильного агента для заполнения системы.
Достоинства аммиака как хладагента:
1) Являясь рабочим телом холодильной машины и имея невысокую стоимость, аммиак может быть использован для подвода холода непосредственно к охлаждаемой среде (в отличие от фреонов, для экономии которых используют промежуточные хладагенты).
2) Высокая теплоѐмкость жидкого аммиака (близка к теплоѐмкости воды).
3) Низкая вязкость жидкого аммиака (в семь раз ниже вязкости воды).
4) Высокий коэффициент теплоотдачи от стенки к аммиаку. 5) Аммиак имеет оптимальные свойства в наиболее важном для холодильной техники температурном интервале от –50 °С до 10 °С.
6) Не оказывает корродирующего действия на материал трубопроводов и аппаратов.
7) Экологически безопасен
Недостатки аммиака как хладагента:
1) По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия.
2) Пожаро- и взрывоопасен.
Фреоны (хладоны)
Получение и область применения
Фреоны (хладоны) – техническое название группы насыщенных алифатических фторсодержащих углеводородов, применяемых в качестве хладагентов. Известно более 40 различных фреонов. Наиболее широко в качестве хладагентов применяют R12 (дифтордихлорметан) и R22 (хлордифторметан).
Достоинства фреонов:
1) Благодаря своему многообразию фреоны обеспечивают охлаждение в широком температурном интервале от –120 °С до 30 °С.
2) Высокие объѐмные холодопроизводительности значительной части фреонов (не уступающие аммиаку).
3) Фреоны химически инертны, не оказывает корродирующего действия на материал трубопроводов и аппаратов.
4) Фреоны не токсичны и безопасны для человека.
5) Фреоны пожаро- и взрывобезопасны.
6) Фреоны, являясь хорошими растворителями, смывают загрязнения с внутренних поверхностей трубопроводов и аппаратов.
Недостатки фреонов:
1) Пары фреонов, попадая в атмосферу, способствуют разрушению озонового слоя в атмосфере Земли.
2) При нагревании выше 250 °С или под действием открытого пламени образуют ядовитые вещества, в том числе фосген.
3) Более высокая стоимость фреонов по сравнению с аммиаком.
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 293; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!