Теплоносители
Многие технологические процессы в химической промышленности и в энергетике требуют подвода или отвода тепловой энергии. Для этого используют теплоносители, которые поглощают или отдают тепловую энергию в теплообменных аппаратах.
Теплагенты
Теплагенты разделяют на три класса:
Диапазоны температур, в которых образуются и используются теплагенты различных химических составов и фазовых состояний, представлены на рисунке ТН-1.
Рисунок ТН-1. Интервалы рабочих температур теплагентов.
Высокотемпературные газообразные
Это отходящие дымовые газы, образующиеся при сжигании углеводородного топлива в печах, топках, камерах сгорания, турбинах. Обладают низкой теплоёмкостью, поэтому могут в процессе теплообмена отдать относительно немного тепловой энергии, менее 300 кДж / кг. Имеют низкий коэффициент теплоотдачи.
Высокая температура отходящих газов побуждает всё же утилизировать их тепловую энергию. Для этого широко используются регенеративные теплообменники, см. раздел сайта Регенеративные теплообменники.
Достоинства и недостатки отработанных и топочных газов
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Водяной пар
Наиболее широко используются установки для получения насыщенного пара, котлы получения перегретого пара для энергетических установок, котлы – утилизаторы, выпарные установки.
Паровые котлы, обеспечивающие получение насыщенного пара, используются на химических предприятиях.
Паровые котлы на тепловых электростанциях снабжают перегретым паром паровые турбины, вращающие роторы электрогенераторов.
Котлы-утилизаторы используют на химических производствах для переработки тепловой энергии, высвобождающейся при экзотермических химических процессах. Так, при сжигании серы при производстве серной кислоты диоксид серы имеет температуру около 1 000 оС. Для дальнейшей переработки температуру необходимо понизить до 320 - 400 оС. Для этого за печью обжига устанавливается котёл – утилизатор.
Выпарные установки, обеспечивающие концентрирование водных растворов солей, в качестве побочного продукта выдают пар невысокого давления. Его можно компримировать, т.е. превратить в пар более высокого давления. Даже с учётом затрат на энергию для компрессора, осуществляющего компримирование, это выгодно. Компримированный пар используется для подогрева самой выпарной установки.
Достоинства и недостатки водяного пара как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Высокотемпературные органические носители
Для нагревания выше 190 оС вместо водяного пара используют высокотемпературные органические жидкости (ВОТ). Такими жидкостями могут быть этиленгликоль, глицерин, нафталин, продукты хлорирования дифенила и полифенолов, их смеси.
Подобрав соответствующий теплагент, можно, например, производить нагрев парами дифенила при атмосферном давлении и температуре теплоносителя 260 оС. Для получения пара такой температуры он должен иметь давление 4,6 МПа.
Достоинства и недостатки ВОТ как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Вода
Горячая вода получается как побочный продукт в котлах, предназначенных для получения водяного пара.
Она может быть получена как конденсат, образующийся при работе выпарных установок.
Она может быть получена специально в водогрейных котлах.
Достоинства и недостатки воды как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Минеральные масла
Минеральные масла – это жидкие смеси высококипящих углеводородов с температурой кипения 300 – 600 оС. Получаются при переработке нефти. Эти среды используются для транспортировки тепла от топочных газов к потребителю достаточно давно, если нельзя организовать транспортировку перегретой водой или паром высокого давления.
Достоинства и недостатки минеральных масел как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Ионные высокотемпературные теплоносители
Ионными высокотемпературными теплагентами являются расплавы солей. Широко используется смесь, состоящая из 40% Na NO2, 7% Na NO3, 53% K NO3. Также применяется смесь 45% Na NO2 и 55% KNO3.
Температура плавления смесей – около 140 оС.
ИВТ используются для транспортировки тепла, получаемого от дымовых газов.
Достоинства и недостатки ИВТ как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Кремнийорганические высокотемпературные теплоносители
Кремнийорганические высокотемпературные теплоносители (КВТ) относятся к группе ионных высокотемпературных органических теплоносителей.
К КВТ относят силиконы, например, тетракрезилоксисилан, тетракселилоксисилан, арил- и алкилполисилоксаны.
Тетракрезилоксисилан является эфиром кремниевой кислоты и крезола. Это жидкость светло – коричневого цвета с температурой плавления – 36 оС, кипит при атмосферном давлении при 440 оС.
КВТ используются как транспорт тепла от дымовых газов.
Достоинства и недостатки КВТ как теплагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Жидкометаллические теплоносители
Для транспортировки тепла дымовых газов могут использоваться расплавы металлов с низкой температурой плавления, таких, как свинец, висмут, кадмий, сурьма, олово.
Нижняя рабочая температура таких теплоносителей определяется температурой плавления металла.
Также жидкометаллические теплоносители нашли широкое применение в атомной энергетике.
Достоинства и недостатки жидкометаллических теплоносителей
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Хладагенты
Хладагенты делятся на жидкие и газообразные, в зависимости от фазового состояния. Фазовое состояние хладагента в ходе теплообмена может изменяться.
Преимущественно в химической промышленности в качестве хладагента используется воздух. Дешевизна и доступность воздуха перевешивает его недостатки как хладагента – низкие плотность и теплоёмкость, низкий коэффициент теплопередачи.
В процессах, связанных с малыми количествами продукции, малотоннажных процессах, используются другие газы, например, элегаз SF6, шестифтористая сера. Плотность элегаза в пять раз больше воздуха, а молярная изобарная теплоёмкость - в три раза.
Высокая стоимость элегаза ограничивает его широкое использование.
Из жидких хладагентов в химической промышленности чаще всего используется вода. Этот хладагент занимает второе место по доступности после воздуха.
Воздух и вода обеспечивают потребности химических производств в хладагентах, если требуется охлаждение до 30 оС.
Отобранное воздухом и водой тепло непосредственно рассеивается в окружающей среде, что существенно снижает стоимость процессов охлаждения.
Охлаждение до более низких температур осуществляется с помощью «посредников» - холодильных машин. Но и они, в конечном итоге, отдают отобранное у объекта охлаждения тепло в окружающую среду.
В качестве хладагента, обеспечивающего доставку холода к объекту охлаждения, может использоваться вода, если рабочие температуры выше температуры ее замерзания. Температуру замерзания можно понизить, добавляя в воду, например, соли, такие, как хлорид кальция. Водные растворы солей называют холодильными рассолами. Они играют роль промежуточного теплоносителя, охлаждаясь при тепловом взаимодействии с рабочим телом холодильной машины (источник холода) и нагреваясь в ходе теплового взаимодействия с охлаждаемой средой, которая является целевым потребителем холода.
Рабочим телом в холодильной машине служат вещества, которые легко конденсируются при повышении давления в компрессоре холодильной машины. Жидкое рабочее тело затем охлаждается, отдавая накопленное тепло окружающей среде в рекуперативном теплообменнике, затем, испаряясь (или адиабатически расширяясь) забирает тепло у промежуточного теплоносителя. В качестве рабочего тела в холодильных машинах используется аммиак, фреоны (хладоны), двуокись углерода (углекислый газ).
В ряде случаев удаётся обойтись без промежуточного теплоносителя, холодильного рассола, и организовать охлаждение целевой среды за счёт её непосредственного теплового взаимодействия с рабочим телом холодильной машины.
Аммиак, фреоны, диоксид углерода и холодильные рассолы составляют класс низкотемпературных жидких хладагентов, обеспечивающих охлаждение в диапазоне температур от – 120 оС до 30 оС,
Для охлаждения в диапазоне от – 120 оС и почти абсолютного нуля по Кельвину используются сжиженные газы, криоагенты – этан, метан, кислород, азот, аргон, гелий.
Интервалы рабочих температур для различных хладагентов представлены на рисунке ТН-2.
Рисунок ТН-2. Интервалы рабочих температур хладагентов.
Воздух
Воздух – прямой источник холода. В большинстве случаев воздух можно сразу использовать как хладагент без предварительной подготовки. Даже если подготовка требуется (снижение влажности и удаление механических взвесей), воздух всё равно остаётся наиболее дешёвым хладагентом.
Теплообменная аппаратура, в которой воздух выступает хладагентом, имеет достаточно высокую стоимость в силу того, что её размеры велики. Низкие плотность воздуха и теплоёмкость приводят к необходимости прокачивать через теплообменник его большие объёмы. Это приводит к большим рабочим сечениям аппаратов. Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху приводит к необходимости увеличивать площадь поверхности теплообмена со стороны воздуха. Для этого применяют оребрение, см. раздел сайта Поверхностные теплообменники.
Недостатки воздуха, как хладагента (низкая плотность, теплоёмкость, коэффициент теплоотдачи) компенсируются, если осуществлять теплообмен не через стенку теплообменника, а при непосредственном взаимодействии агентов в смесительных теплообменниках, см. раздел сайта Смесительные теплообменники.
Охлаждение со смешением применяется в основном для пары вода – воздух. Частичное испарение воды и капельный унос в процессе её охлаждения и связанные с этим безвозвратные потери воды не существенно увеличивают стоимость технологического процесса. Воздействие на окружающую среду увлажнённого воздуха не слишком велико, хотя всё равно должно приниматься в расчёт.
Наиболее распространёнными аппаратами для охлаждения воды воздухом при их смешении являются градирни, см. раздел сайта Смесительные теплообменники. Охлаждение воды в градирнях происходит как за счёт теплообмена воды и воздуха, но, в основном – за счёт частичного испарения воды при противоточном движении воздуха и воды.
Достоинства и недостатки воздуха как хладагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Вода как хладагент
Вода может служить прямым источником холода, как и воздух. В зависимости от времени года в России температура воды – от 4 до 25 и более градусов. Артезианская вода – от 4 до 12 оС. При проектировании водоохлаждающих установок температуру воды принимают, исходя из самых неблагоприятных, с точки зрения охлаждения, условий.
Для воды, как хладагента, не следует рассчитывать на охлаждение ниже 30 оС за счёт теплопередачи в окружающую среду.
Существует проблема при отборе тепла водой при высоких температурах охлаждаемого вещества. Если температура воды после отвода тепла составляет около 80 оС, то в системе её циркуляции могут выпадать нерастворимые осадки, состоящие из нерастворимых карбонатов, образующихся из гидрокарбонатов кальция и магния. Поэтому следует выбирать режим охлаждения, при котором вода не нагревается свыше 50 оС.
Для уменьшения выпадения нерастворимых осадков в трубах циркуляции воды применяют различные виды водоподготовки для её очистки. На больших химических предприятиях и мощных электростанциях для этого функционируют цеха водоподготовки и соответствующие химические лаборатории.
Особенно высокие требования к воде предъявляются, если она используется в химических реакциях или для приготовления пара.
Использование водоподготовки и требования по охране окружающей среды всё больше заставляют производителей переходить на замкнутые системы водоснабжения, внедряя циклы водооборота.
Достоинства и недостатки воды как хладагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Холодильные рассолы
Холодильные рассолы приготовляются из воды и растворимых солей – хлорид кальция, натрия и пр.
Рассолы применяются как транспорт для доставки холода от холодильной машины к потребителю. Например, мощная холодильная машина ледового дворца на хладонах производит холод. Холодильный рассол растекается по трубам, положенным под ледовой ареной и вызывает образование льда из воды, которой была залита арена.
Вода, которая замерзает при 0 оС, для транспортировки холода в этих условиях не пригодна.
Раствор, который по массе содержит 30% хлорида кальция, замерзает при температуре ниже – 50 оС.
Таким образом, холодильные рассолы могут использоваться в температурном диапазоне от – 50 до + 30 оС.
Совместно с холодильными рассолами в этом температурном диапазоне в качестве хладагентов используются аммиак, фреоны (хладоны) и углекислая кислота.
Достоинства и недостатки холодильных рассолов
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Аммиак в роли хладагента
Аммиак, NH3 – в н.у. бесцветный газ с резким запахом. При повышенном давлении легко сжижается. Температура плавления аммиака – 77,7 оС, кипит в н.у. при – 33 оС.
Эти свойства и невысокая стоимость производства позволяют использовать аммиак в абсорбционных и компрессионных холодильных машинах.
До настоящего времени аммиак остаётся самым распространённым холодильным агентом.
По физиологическому действию на организм аммиак относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при вдыхании вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы.
Поэтому при использовании аммиака должны предусматриваться меры безопасности для обслуживающего персонал и лиц, проживающих или работающих возле мощных холодильных машин, использующих аммиак.
Достоинства и недостатки аммиака как хладагента
Преимущества |
Недостатки |
|
|
Фреоны – хладоны
Фреоны (хладоны) – техническое название группы насыщенных алифатических фторсодержащих углеводородов. Используются в качестве хладагентов Фреоны могу содержать хлор и бром. Содержащие атомы хлора фреоны при попадании в атмосферу имеют тенденцию накапливаться в её верхних слоях. Образующийся при их разрушении под действием солнечной радиации свободный хлор губительно действует на озоновый слой атмосферы Земли. Поэтому в настоящее время действует всемирная конвенция, запрещающая использование хлорсодержащих фреонов.
Достоинства и недостатки фреонов
Преимущества |
Недостатки |
|
|