Закон Ньютона теплової конвекції

Конвекція — процес розповсюдження теплоти в рідині або газі від поверхні твердого тіла або навпаки. Процес передачі теплоти одночасно конвекцією і теплопровідністю називають тепловіддачею.

При тепловіддачі теплота передається від стінки через тонкий приграничний шар теплопровідністю, а потім в потік (ядро) рідини конвекцією.

Основним законом тепловіддачі є закон Ньютона, згідно якому кількість теплоти , передане конвекцією від поверхні до навколишнього середовища (або навпаки), пропорційно поверхні теплообміну dF, різниці температур поверхні і навколишнього середовища t_f і часу проведення процесу:

 

(11.1)

 

Коефіцієнт пропорційності , називається коефіцієнтом тепловіддачі і показує, яка кількість теплоти передається від теплообмінної поверхні 1 м² в навколишнє середовище або навпаки на протязі 1 с при різниці температур теплообмінної поверхні і навколишнього середовища 1 К.

Коефіцієнт тепловіддачі не є постійною величиною для даного середовища і залежить в першу чергу від гідродинамічних умов перебігу рідини уздовж теплопередавальної поверхні, а також густини, в'язкості, питомої теплоємності і інших параметрів теплоносія.

Далі приведені орієнтовні значення коефіцієнтів тепловіддачі для типових процесів.

Коефіцієнт тепловіддачі

Нагрівання і охолоджування газів.................................. 1,0...60

Нагрівання і охолоджування води................................... 200...10 000

Кипіння води............................................................... 2000...24000

Конденсація водяної пари........................................ 4000... 15000

Конденсація пари органічних рідин............ 500... 2000

 

11.2 Теплова подібність

 

Оскільки аналітичне визначення значення коефіцієнта тепловіддачі α є достатньо складною проблемою, для цієї мети вдаються до експериментальних досліджень з використанням теорії подібності. Одержані в цьому випадку результати можуть бути з високою мірою достовірності поширені на широкий діапазон подібних процесів.

Аналіз диференціальних рівнянь, що описують процес конвективного перенесення теплоти з позицій теорії подібності, дозволив одержати критерії, приведені в табл. 5.1

Слід звернути увагу, що критерій Пекле являється добутком критеріїв Рейнольдса і Прандтля , тому при описі теплових процесів замість нього частіше використовують добуток критеріїв гідромеханічного Re і теплової Рr подібності

Одержані критерії подібності дозволяють записати загальне критерійне рівняння конвективного перенесення теплоти

 

(11.2)

 

Таблиця 11.1 Основні критерії теплової подібності

 

Критерій	Позначення	Фізичне значення
Нуссельта		Характеризує інтенсивність теплообміну на межі розділу фаз
Пекле		Характеризує співвідношення кількостей теплоти, поширюваних в потоці рідини конвекцією і теплопровідністю
Прандтля		Характеризує поле теплофізичних величин потоку рідини
Фур’є		Характеризує зв'язок між швидкістю зміни температурного поля, розмірами і фізичними характеристиками середовища в нестаціонарних теплових процесах
Грасгофа		Характеризує співвідношення між термічною підйомною силою і силою тертя в умовах природної конвекції

Примітка. коефіцієнт температуропровідності, м²/с ; —

коефіцієнт об'ємного температурного розширення, К^-1.

Визначуваним критерієм, який не можна визначити з умов однозначності, є критерій Nu, що містить шуканий коефіцієнт тепловіддачі. Решта критеріїв є визначаючими:

 

(11.3)

 

Рівняння (11.3) залежно від умов проведення процесу теплообміну може бути спрощене. Так, якщо процес є стаціонарним, з нього випадає критерій Fo. Оскільки критерії Re і Gr характеризують різні гідродинамічні режими (вимушеної і природної конвекції), найчастіше для конкретних умов використовується тільки один з них.

Таким чином, для стаціонарних процесів теплообміну при вимушеній конвекції рівняння (11.3) запишеться

 

(11.4)

 

а для природної

 

(11.5)

 

У виразах (11.4) і (11.5) J, п, т — експериментальні коефіцієнти, визначувані для конкретних систем і умов тепловіддачі.

Як приклад розглянемо ряд експериментальних критерійних рівнянь, що описують різні випадки конвективної тепловіддачі.

Тепловіддача при вільному русі рідини характеризується рівнянням (11.5), яке в цьому випадку приймає вигляд

 

(11.6)

 

де с і п — константи, чисельні значення яких вибирають залежно від добутку GrPr (табл. 11.2).

Фізичні параметри, що входять у формулу (11.6), визначаються при середній температурі

Тепловіддача при вимушеному русі рідини залежить від характеру цього руху (розвинена турбулентна течія, нестійка турбулентна течія, ламінарна течія).Таблиця 11.2

Визначення констант с і п в залежності від GrPr

GrPr	С	п	GrPr	С	п
<	0,45			0,54	1/4
	1,18	1/8	> 2 • 10^7	0,135	1/3

Розвинена турбулентна течія (Re > 10⁴). Тепловіддача в цьому випадку залежить від характеру руху і фізичних властивостей рідини:

 

(11.7)

 

Тут визначальна температура — середня температура рідини, а для критерію Pr_cт всі фізичні величини беруться при температурі стінки.

Коефіцієнт тепловіддачі в коротких трубах і каналах дещо більше, що враховується поправочним коефіцієнтом (табл. 5.3).

Нестійку турбулентну течію в перехідній області (2,3 • 10² < Re < 10⁴) можна описати або наближеною формулою

 

(11.8)

 

Ламінарний режим течії характеризується тим, що унаслідок різниці температур біля стінки і в ядрі потоку на основний рух рідини накладається природна конвекція. Інтенсивність тепловіддачі при цьому посилюється, а в рівняння додатково входить критерій Грасгофа:

 

(11.9)

 

Тепловіддача в апаратах з мішалкою. Для підвищення інтенсивності теплообміну в апаратах із змійовиками і оболонками використовують мішалки. В цьому випадку значення коефіцієнтів тепловіддачі залежать від конструкції апарату і мішалки, а також фізичних властивостей перемішуваного середовища. Для розрахунку можна скористатися спрощеними рівняннями:

• при теплообміні із стінками посудини

(11.10)

Таблиця 11.3

Значення коефіцієнта для коротких труб і каналів

Значення Re	Значення при l/d
	1,65	1,50	1,34	1,23	1,17	1,13	1,07	1,03	1,0
	1,51	1,40	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,02	1,0
	1,34	1,27	1,18	1,13	1,10	1,08	1,04	1,02	1,0
	1,28	1,22	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,02	1,0
	1,14	1.11	1,08	1,05	1,04	1,03	1,02	1,01	1,0

 

• при теплообміні із змійовиком

 

(11.11)

 

 

Лекція 12

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

12.1 Механізм теплопередачі через стінку

Теплопередача - процес передачі теплоти від більш нагрітого середовища до менш нагрітого середовища через стінку.

Механізм теплопередачі складається з трьох стадій (рис. 12.1):

конвекції від першого середовища до плоскої стінки:

 

(12.1)

 

теплопровідності

(12.2)

 

конвекції від плоскої стінки до другого середовища:

 

(12.3)

 

В результаті сумісного рішення рівнянь (12.1) —(12.3) одержимо

(12.4)

 

 

 

Рис. 12.1. Схема для розрахунку процесу теплопередачі через плоску стінку:

— товщина стінки; — теплопровідність матеріалу стінки; — температури на межах плоскої стінки; Q — кількість теплоти, що проходить

через стінку; і α₂,t2— коефіцієнти тепловіддачі і температури першого і другого середовищ

 

Рис. 12.2. Схема для розрахунку процесу теплопередачі через циліндрову стінку:

— товщина стінки; L — висота циліндра; — температури на внутрішній і зовнішній поверхнях циліндрової стінки; і t₁,t₂ — коефіцієнти тепловіддачі і температури першого і другого середовищ

 

 

де — коефіцієнт теплопередачі, а сума в

знаменнику — загальний термічний опір процесу теплопередачі.

12.2 Коефіцієнт теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі , показує, яка кількість теплоти переходить в одиницю часу від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія через розділяючу їх стінку з площею поверхні 1 м² при різниці температур між теплоносіями один градус.

У разі розгляду процесу передачі теплоти через стінку циліндрової форми (рис. 12.3) механізм теплопередачі залишається попереднім, а кількість теплоти, передаваної на кожній стадії, можна записати:

для першої стадії

 

(12.5)

 

для другої стадії

(12.6)

 

для третьої стадії

 

(12.7)

 

Сумісне рішення рівняння (5.19) —(5.21) дозволяє одержати вираз

 

(12.8)

Тут коефіцієнт теплопередачі для циліндрової стінки має розмірність іншу, ніж для плоскої стінки

Орієнтовні значення коефіцієнтів теплопередачі приведені в табл. 11.4

Таблиця 11.4 Орієнтовні значення коефіцієнтів теплопередачі

Вид теплообміну	Коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м^2·К), при
вільному русі	вимушеному русі
Від газу до газу (при невисокому тиску)	4...12	10...40
Від газу до рідини (газові холодильники)	6...20	10...60
Від конденсуючої пари до газу (повітронагрівачі)	6...12	10...60
Від рідини до рідини (вода)	140...340	800...1700
Від рідини до рідини (вуглеводні, мастила)	30...60	120...270
Від конденсуючої пари до води (конденсатори, підігрівачі)	300...1200	800...3500
Від конденсуючої пари до органічних рідин (підігрівачі)	60...170	120...340
Від конденсуючої пари органічних речовин до води (конденсатори)	230...460	300...800
Від конденсуючої пари до киплячої рідини (випарники)	300...2500	—

 

 

Рушійна сила теплопередачі

Як випливає з аналізу рівнянь (12.4) і (12.8) рушійною силою процесу теплопередачі є різниця температур між гарячим і холодним теплоносієм.

Проте температури теплоносіїв в процесі теплопередачі найчастіше міняються уздовж поверхні теплообміну (за винятком випадку зміни агрегатного стану теплоносія), тому при розрахунках в рівняння (5.1) підставляють середню різницю температур .

Визначення здійснюється таким чином.

Якщо і ∆t_min- більша і менша різниці температур між теплоносіями на початку і кінці процесу теплопередачі і / ≤ 2, то середня різниця температур визначається як середньоарифметичне

 

(12.9)

 

У разі ∆t_max/∆t_min>2 визначення здійснюється по середньо-логарифмічній залежності

 

(12.10)

 

Теплопередача при змінних температурах залежить від взаємного напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки.

При прямотоці теплоносії рухаються в одному напрямі. Протитечія характеризується рухом теплоносія в протилежних напрямах.

При перехресному тоці теплоносії рухаються перпендикулярно один одному, при змішаному тоці один з теплоносіїв рухається в одному напрямі, а інший — як прямотоком, так і протитечією до першого.

Найпоширенішими видами руху є прямотік і протитечія. Проте застосування протитечії більш економічне, ніж прямотоку.

Це витікає з того, що середня різниця температур при протитечії більше, ніж при прямотоці, а витрата теплоносіїв однакова (при однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв).

Зіставлення температурних режимів роботи теплообмінних апаратів при прямотоці і протитечії переконує, що при прямотоці максимальний температурний напір має місце біля входу в теплообмінник. Потім цей напір зменшується, досягаючи мінімального значення на виході з апарату. При протитечії теплове навантаження більш рівномірне, а кінцева температура нагріваючого середовища може бути вище кінцевої температури охолоджуючого середовища.

При розрахунку теплообмінних апаратів, а також апаратів, що працюють з середовищами, температура яких відрізняється від температури навколишнього середовища, необхідно знати температури на зовнішній і внутрішній поверхнях стінок.

Так з рівнянь (12.1) і (12.3)

 

(12.11)

 

Підставивши в (5.15) значення теплового навантаження з рівняння (5.1), одержимо вираз для визначення температури поверхонь стінки

(12.12)

 

Теплові втрати. Якщо одна з поверхонь теплопередавальної стінки контактує з навколишнім середовищем, то тепловий потік, що проходить через неї від оброблюваної речовини з протилежної сторони, втрачається безповоротно. Тому метою розробника технологічної апаратури найчастіше є зменшення таких втрат.

Віддача теплоти від поверхні апарату в навколишнє середовище відбувається в загальному випадку шляхом конвекції і випромінювання, тому при розрахунку втрат теплоти слід користуватися рівнянням (5.14)[1].

При розрахунку задаються температурою зовнішньої поверхні апарату (t_ст), а потім перевіряють її.

Для зменшення втрат теплоти апарати покривають шаром теплової ізоляції, тобто шаром матеріалу з низькою теплопровідністю. При нанесенні теплової ізоляції збільшується тепловий опір стінки і зменшується температура зовнішньої поверхні апарату. Цим досягається зниження втрат теплоти, поліпшуються умови праці обслуговуючого персоналу.

При виборі товщини ізоляції слід виходити з допустимих втрат теплоти, які не повинні перевищувати 3...5% від загального теплового навантаження, а також допустимої температури стінки, яка на робочих місцях і в проходах щоб уникнути опіків, повинна бути менше 45 °С.

Далі приведені коефіцієнти теплопровідності деяких теплоізоляційних матеріалів.

Теплоізоляційний матеріал Коефіцієнт теплопровідності Вт/(м •К)

Азбест............................................................................ 0,151

Повсть шерстяна............................................................0,163

Ізоляційна цегла.......................................................0,116...0,209

Пінопласт........................................................................0,047

Скляна вата..............................................................0,035...0,070

Шлакова вата...................................................................0,076

Контрольні питання

1. Що є рушійною силою теплових процесів?

2. Які механізми передачі теплоти існують?

3. Від чого залежить коефіцієнт теплопровідності?

4. У чому полягають відмінності між природною і вимушеною конвекцією?

5. Від яких параметрів найістотніше залежить коефіцієнт тепловіддачі?

6. Які критерії відносяться до критеріїв теплової подібності і яке їх фізичне значення?

7. На чому ґрунтується механізм передачі теплоти випромінюванням?

8. У чому полягає суть процесу теплопередачі?

9. Як визначається середня рушійна сила процесу теплопередачі?

10. Які теплоізоляційні матеріали застосовуються в промисловості?

 

Лекція 13

ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ. ТЕПЛОНОСІЇ

13.1 Джерела енергії

Основними видами джерел енергії є горючі копалини (вугілля, нафта, природний газ, торф, сланці) і продукти їх переробки; енергія води (гідроенергія); біомаса (деревина і інша рослинна сировина); атомна енергія. Частково використовується енергія вітру, а також морських приливів і відливів.

Джерела енергії традиційно розділяють на паливні (вугілля, нафта, природний газ, сланці, бітумінозні піски, торф, біомаса) і непаливні (гідроенергія, енергія вітру, промениста енергія Сонця, глибинна теплота Землі і ін.); відновлювані і невідновлювані; первинні і вторинні.

Всі відновлювані джерела енергії є в тій чи іншій мірі похідними від енергії Сонця і класифіковані по наступних категоріях: сонячна енергія (пряма радіація); гідроенергетичні ресурси (випарювально-конденсаційний цикл); енергія вітру і хвиль; біомаса (рослинного і тваринного походження).

До практично невичерпних відносять геотермальні і термоядерні джерела енергії. У геотермальні джерела енергії включається глибинна теплота Землі, яка може бути використана як для теплопостачання, так і для вироблення електроенергії.

До невідновлюваних джерел енергії відносяться ті, запаси яких у міру їх здобичі необоротно зменшуються. До них відносяться вугілля, сланці, нафта, бітумінозні піски і природний газ.

Всі розглянуті види джерел енергії відносяться до первинних.

Вторинними джерелами енергії є відходи, побічні і проміжні продукти, що утворюються в технологічних агрегатах. Енергетичний потенціал цих відходів не використовується в самому агрегаті, але може бути частково або повністю використаний для енергопостачання інших пристроїв.

Найбільші теплові вторинні джерела енергії мають в своєму розпорядженні підприємства хімічної, нафтопереробної і нафтохімічної промисловості, чорної і кольорової металургії, промисловості будівельних матеріалів, газової промисловості, важкого машинобудування і ряду інших галузей.

Залежно від агрегатного стану паливо підрозділяють на тверде, рідке і газоподібне. До твердих палив відносяться буре і кам'яне вугілля, антрацити, торф, сланці і дрова, а також продукти їх переробки (кокс, напівкокс, торф'яні і вугільні брикети, термоантрацит, деревне вугілля); до рідких — нафта, газовий конденсат і продукти їх переробки (бензин, гас, дизельне паливо, мазут, смоли і т.п.); до газоподібних — природний, нафтопромисловий (попутний) і шахтний гази, а також зріджений нафтозаводський, коксівний, напівкоксівний, генераторний, водяний, доменний і вагранковий гази, водень і гази процесів бродіння.

Теплоносії

Основною технологічною характеристикою палива є теплота згорання (теплотворення) — теплота реакції горіння палива, тобто кількість теплоти, яка виділяється при повному згоранні 1 кг твердого або рідкого палива (кДж/кг) або 1 м² газоподібного палива (кДж/м³) і при охолоджуванні продуктів горіння до початкової температури процесу. Розрізняють нижчу і вищу теплоту згорання палива. Нижчою теплотою згорання називається кількість теплоти, що виділяється при згоранні 1 кг водню з утворенням водяної пари, вищою теплотою — кількість теплоти, що виділяється при згоранні 1 кг водню з утворенням води. У практичних розрахунках звичайно користуються величиною . Далі приведені орієнтовні теплоти згорання деяких природних палив.

Паливо Теплота згорання, кДж/кг

Торф............................................................................. 18 800...23 300

Буре вугілля................................................................. 25700...27 600

Кам'яне вугілля.......................................................... 27000...32 000

Антрацит...................................................................... 33 500...36 000

Горючі сланці.......................................................... 30 100...32 700

Нафта........................................................................... 41 800...62 700

Природний газ............................................................ 35 000...45 800

Важливими умовами розвитку промислового виробництва є підвищення ефективності використовування і економія сировинних і паливно-енергетичних ресурсів.

До основних заходів, направлених на рішення цих задач, можна віднести:

• раціональне і комплексне використовування природних сировинних ресурсів, скорочення їх споживання шляхом заміни хімічними матеріалами (полімерами, синтетичними волокнами і т.д.);

• розробку і упровадження ефективного генеруючого і енерговикористовуючого устаткування, технологічних процесів, установок і машин, що забезпечують високий технічний рівень виробництва при мінімальних витратах сировинних і енергетичних ресурсів;

• створення систем централізованого теплопостачання в результаті будівництва і використовування атомних станцій і крупних котельних, економії енергії шляхом підвищення якості теплової ізоляції;

• модернізацію діючого і заміну застарілого енергетичного і енерговикористовуючого устаткування, машин і механізмів, оптимізацію режимів роботи енергетичних і технологічних установок;

• широке використовування сучасних засобів автоматизації для обліку, контролю і оптимізації витрати палива, теплоти і електричної енергії в котельних установках, теплових і електричних мережах;

• підвищення рівня використовування вторинних матеріальних і паливно-енергетичних ресурсів, максимальне застосування рекуперації теплоти в технологічних агрегатах, а також за рахунок утилізації інших видів низькопотенційної теплоти за допомогою теплових насосів і холодильних машин абсорбції;

• широке використовування нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, зокрема сонячної енергії, глибинної теплоти Землі, вітрової і приливної енергії, а також біомаси.

13.3 Робочі процеси теплообміну

 

Основним робочим процесом, реалізовуваним в теплообмінній апаратурі, є теплообмін між теплоносіями.

При виборі теплоносіїв керуються наступними вимогами: первинна температура теплоносія повинна бути достатньою для створення рушійної сили протягом всього процесу теплообміну; він повинен бути економічний і безпечний при використовуванні, забезпечувати високі коефіцієнти тепловіддачі, не надавати негативної дії на матеріал теплообмінного апарату.

Залежно від виробничих процесів як теплоносії можуть застосовуватися різні газоподібні, рідкі і тверді тіла.

 

Нагрівання

 

Нагріваннясередовищ до необхідних температур в промисловості здійснюють за допомогою гріючих теплоносіїв.

Водяна пара (особливо насичена) як гріючий теплоносій набула велике поширення в теплообмінних апаратах різних конструкцій завдяки ряду позитивних якостей. Вона може транспортуватися по трубопроводах на значні відстані (сотні метрів). При його конденсації виділяється значна кількість теплоти (близько 2·10⁶ Дж/кг), що супроводжується високими коефіцієнтами тепловіддачі (порядку 10⁴ Вт/(м² К). Постійність температури конденсації при певному тиску забезпечує підтримку незмінного теплового режиму, рівномірності обігріву і легкості регулювання процесу теплообміну. Водяна пара доступна, дешева, нетоксична і пожежобезпечна.

Недоліком застосування насиченої водяної пари є необхідність збільшення її тиску з метою збільшення температури, що вимагає підвищення міцнісних характеристик, а отже, і матеріаломісткості теплообмінних апаратів, в яких вона використовується. Так при температурах насиченої водяної пари 140... 180 °С її абсолютний тиск складає 0,37... 1,02 МПа.

У промисловості застосовують нагрів гострою і глухою водяною парою.

При нагріві гострою парою вона вводиться безпосередньо в середовище, що обігрівається, і змішується з ним. Використовування даного способу допускається у разі можливості контакту і розбавлення середовища, що нагрівається, конденсатом, що утворюється.

Витрата гострої пари D_ост визначається з рівняння теплового балансу

 

(13.1)

 

Звідси

(13.2)

де G — витрата середовища, що нагрівається;

— питомі теплоємності середовища, що нагрівається, і води (конденсату);

— початкова і кінцева температури середовища, що нагрівається;

^— питома ентальпія пари.

При нагріванні глухою парою теплота передається через стінку — поверхню теплообміну.

Витрата глухої пари визначається по залежності, аналогічній (6.1),

(13.3)

 

— питома ентальпія конденсату.

 

Гаряча вода (при нормальному тиску) як гріючий теплоносій набула велике поширення для нагріву середовищ до температур порядку 100°С, особливо в опалювальних і вентиляційних установках. Приготування гарячої води здійснюється в спеціальних водогрійних котлах і водонагрівальних установках.

Гарячу воду можна транспортувати по трубопроводах на значні відстані (декілька кілометрів). Вона володіє відносно високими коефіцієнтами тепловіддачі. Проте нагрівання гарячою водою супроводжується зниженням її температури уздовж поверхні теплообміну, що погіршує рівномірність обігріву і утрудняє регулювання температури.

Топкові (димові) гази дозволяють нагрівати середовища в інтервалі температур 180... 1000 °С. Утворюються вони при спалюванні твердого, рідкого або газоподібного палива в топках або печах різної конструкції.

При нагріві топковими газами спостерігаються значні перепади температур між гарячим теплоносієм і середовищем, що нагрівається («жорсткі» умови нагріву), дозволяючі досягати високих теплових навантажень. Проте при цьому методі нагрівання важко регулювати процес теплопередачі і уникнути локальних перегрівів через нерівномірність обігріву. Коефіцієнти тепловіддачі від топкових газів до теплообмінних поверхонь значно нижче, ніж у інших середовищ (30...50 Вт/(м² К)). Крім того, обігрів топковими газами є пожежонебезпечним, супроводжується необхідністю регулярного чищення апаратів. Істотним недоліком топкових газів є можливість використовування їх тільки безпосередньо на місці отримання через великі теплові втрати.

Високотемпературні проміжні теплоносії одержують теплоту або від топкових газів, або від електричного струму і передають її матеріалу, що нагрівається.

Перегріта вода (вище 100°С) існує при підвищеному тиску. Так, при температурі біля 370°С і тиску 22,5 МПа перегріта вода дозволяє нагрівати матеріали до 350°С. Проте обігрів перегрітою водою через високий тиск значно здорожує нагрівальну установку.

Мінеральні масла дозволяють нагрівати середовища до температури 300 °С. При нагріві використовуються компресорне, циліндрове масло і інші речовини з високою температурою спалаху. Проте даний спосіб має ряд недоліків: низькі коефіцієнти тепловіддачі; пожежонебезпечність; забруднення теплопередавальної поверхні продуктами окислення і розкладання, знижуючими коефіцієнти теплопередачі.

Високотемпературні органічні теплоносії (ВОТ), вживані як в рідкому, так і в пароподібному стані, дозволяють здійснювати нагрів до температури 400°С. До ВОТ відносяться гліцерин, етиленгліколь, нафталін, а також похідні ароматичних вуглеводнів (діфеніл, діфеніловий ефір, діфенілметан, дітомілметан і ін.), кремнійорганічні рідини і т.п. Більшість ВОТ відрізняються термічною стійкістю, вибухобезпечністю, значними коефіцієнтами тепловіддачі (1500...1700 Вт/(м²·К)) і теплотворною здатністю (до 300 кДж/кг) при нормальному тиску.

Розплави солей (нітріт-нітратні суміші), що складаються з 40% NaNO₂,

7 % NaN0₃, 53 % КNО₃, призначені для нагріву речовин до температури 550 °С. Процесс здійснюється при вимушеній циркуляції суміші.

Нітріт-нітратні суміші є сильними окислювачами, тому по міркуваннях вибухобезпечності недопустимий їх контакт з органічними речовинами.

Розплави металів (літій, натрій, калій, ртуть, свинець і ін.) застосовують для нагріву до температури 800 °С.

Теплообмінні установки, наповнені натрієм, повинні бути герметичні і захищені інертним газом. Сплав натрію і калію є вельми небезпечною горючою і вибуховою речовиною. Ртуть застосовується при атмосферному тиску для подачі теплоти тільки при зниженій температурі. Пари її є дуже токсичними.

Ефективним теплоносієм з високим коефіцієнтом тепловіддачі є евтектика Pb + Bі. Цей теплоносій в обігу порівняно безпечний.

В даний час рідкі метали набувають особливого значення при їх застосуванні в теплоустановках атомних електростанцій.

Тверді зернисті теплоносії дозволяють нагрівати різні технологічні гази до температури 1500°С.

Як зернисті теплоносії застосовують жаростійкі тверді матеріали (кварц, алюмосилікати, діабаз, алунд, шамот і ін.) з частинками розміром 0,05...8 мм. Такі зернисті матеріали мають велику питому поверхню — 500... 100 000 м²/м³ залежно від розмірів частинок.

Завдяки цьому в порівняно невеликих апаратах вдається розмістити значні теплообмінні поверхні і здійснити ефективний теплообмін між заповнюючими апарати зернистими матеріалами і газами, що продуваються через них.

Для нагрівання топковими газами застосовують установки з циркулюючим зернистим матеріалом, рухомим суцільним потоком; з циркулюючим зернистим матеріалом, що знаходиться в апаратах в псевдозрідженому стані, а також з нерухомими шарами.

Нагрівання електричним струмом характеризується легкістю і точністю регулювання, рівномірністю обігріву, компактністю нагріваючих пристроїв.

За способом перетворення електричної енергії в теплову розрізняють електричні печі опору, індукційні і дугові. Електричні печі опору діляться на печі прямої дії і печі побічної дії.

У електричних печах опору прямої дії тіло, що нагрівається, включається безпосередньо в електричний ланцюг і нагрівається при проходженні через нього електричного струму.

У електричних печах опору побічної дії теплота виділяється при проходженні електричного струму по нагрівальних елементах. Нагрівальні елементи печей виготовляють з дроту (діаметр 3...5 мм) або із стрічки ніхрому (сплав, що містить 20% Сг, 30...80% Ni і 0,05...50% Fe) або хромозалізоалюмінієвих сплавів (відношення товщини до ширини — 0,05.-.0,2).

Теплота, що виділяється, передається матеріалу випромінюванням, конвекцією і теплопровідністю. Нагрів середовищ в таких печах здійснюється до температур 1000... 1100 °С.

Кількість теплоти, що виділилося при проходженні електричного струму в нагрівальному пристрої (Q_э, необхідне для нагріву речовини від t_н до t_к, визначається з теплового балансу

 

(13.4)

звідки

(13.5)

 

У електричних індукційних печах нагрів здійснюється унаслідок теплових ефектів, що викликаються індукційними струмами, що виникають під впливом змінного електричного струму, або в стінках апарату, або в речовині, що нагрівається.

Діелектричні матеріали, що не проводять електричний струм (пластмаса, скло, дерево і ін.), нагріваються струмами високої частоти (5 • 10⁵... 1 • 10⁸ Гц) при напрузі електричного поля 1000...2000 В/см, які впливають безпосередньо на молекули речовини, що нагрівається. Діелектричне нагрівання відрізняється рядом переваг: безпосереднє виділення теплоти у всій товщині матеріалу, що нагрівається (забезпечуюче рівномірний прогрів оброблюваного матеріалу); велика швидкість нагрівання; можливість нагрівання тільки окремих частин матеріалу; легкість регулювання процесу нагрівання і можливість його повної автоматизації.

У дугових печах тіло, що нагрівається, взаємодіє безпосередньо з електричною дугою, що виникає в газовому середовищі між електродами. Нагрів даним способом дозволяє досягати температур 2500...3000°С, проте відрізняється підвищеною «жорсткістю», нерівномірністю нагріву, а також трудністю регулювання.

 

Охолоджування

Охолоджуваннясередовищ до температур 10...30°С у промисловості здійснюють за допомогою доступних і дешевих теплоносіїв — води і повітря. Проте температури оточуючих нас води і повітря вельми схильні до кліматичних і сезонних коливань. Так температура води з водоймищ (річок, ставків, озер) в середній смузі Росії коливається в межах 10...25°С. З артезі