Жылу алмасу процесі

1. Табиғи жағдай немесе еркін жағдай, мұнда сұйық немесе газ күйінің әртүрлі нүктелеріндегі тығыздықтардың айырмашылықтары бойынша жүреді. Бұл осы нүктедегі температуралардың айырмашылығы бойынша жүреді.

2)Еріксіз конверция бұл сұйық немесе газдың бүкіл көлемдерінің күшпенен қозғалу нәтижесінде орын алады. Мұнда араластырғыштарды пайдалану осылайша жүреді. Жылу конвенция арқылы ауысқанда жылу беру коэффициенті шекаралық ламинарлық қабаттың кедергісімен және жылу тасығыштың негізгі массасы мен және шекаралық қабат арасындағы кедергілер бойынша анықталады.

     Жылу  беру коэффициентінің мәндері мына шамаларда болады:

Жылу  беру коэффициентінің шамасын анықтаушы  негізгі факторларға мыналар жатады.

1. Жылу тасығыш қозғалысының сипаты және оның жылдамдығы. Жылу тасығыштың жылдамдығы ұлғайған сайын шекаралық қабаттағы ламинарлық қабаттың қалыңдығы төмендейді. Осыған байланысты оның жылу кедергісі азаяды, ал жылу беру коэффициенті ұлғаяды.
2. Жылу тасығыштың физикалық қасиеті, яғни оның тұтқырлығы, жылу өткізгіштігі, тығыздығы, меншікті жылу сиымдылығы. Әдетте жылу беру коэффициенті тұтқырлықтың азаюымен және жылу өткізгіштің ұлғаюымен жылу беру коэффициенті ұлғаяды және сол сияқты оның тығыздығы мен оның меншікті жылу сиымдылығы ұлғайған сайын ол да  ұлғаяды. Жылу тасығыштың физикалық қасиеті температураға байланысты өзгеретіндіктен жылу беру коэффициенті де осы температураға байланысты болады.
3. Жылу алмасу бетінің аумағы мен турі

Сонымен жылу беру коэффициентінің шамасы гидродинамикалық,

физикалық және оның геометриялық факторларымен  анықталады.

      Сондықтан жылу беру коэффициентінің осы факторларымен  байланысы өте күрделі болады және ол теориялық жолмен анықтала алмайды. Сондықтан жылу беру коэффициентін анықтау үшін эксперименттік  мәліметтер алынады. Олар ұқсастық теориясы көмегімен өңделеді. Осының нәтижесінде критерилік теңдеулер шығарылады. Ұқсастық теориясының жылу берілістің конвенциялық түріне қолданылуы мынадай критерийлермен анықталады.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Қыздыру, суыту  және конденсация

      Қыздыру химиялық технологияда көп қолданылатын амалдардың бірі болып табылады. Қыздырудың нәтижесінде химиялық және масса алмасу процестері жақсы жүреді. Температуралық және басқа жағдайларға байланысты қыздыру процесін жүргізу үшін мынадай әдістер қолданылады:

1. су буымен қыздыру;
2. газ түтінімен қыздыру;
3. аралық жылу тасығыштарды пайдалану;
4. электр ағынын пайдалану.

      Су  буы арқылы қыздыру әдісімен көбінесе қаныққан су буымен қыздыру қолданылады. Бұның су буының қысымы 1-1,72 МПа. Су буының температурасы    ≤ 190˚С аспайды. Аппаратты қыздыру кезінде қаныққан бу конденсацияға түседі. Мұндағы бөлінетін жылу мөлшері сұйықтың булану жылуына тең болады.

      Жетістіктері:

1. Бу конденсациясы кезінде бөлінетін жылудың үлкен мөлшері
2. Конденсацияға түсуші будың қабырғаға беретін жылу берудің жоғарғы коэффициенті. 5000-180000 Вт/м² сек
3. Жылудың бір тегіс берілуі.

      «Өткір» бумен қыздыру. Бұл әдісте су буы  тікелей қыушы сұйыққа беріледі. Бу конденсацияға түсіп суыққа жылуын береді, ал конденсат ол сұйықпен бірге араласады. Сұйыққа буды беру үшін барбатер пайдаланылады.

      «Тұйық» бумен қыздыру. Бұл жағдайда бу сұйыққа тікелей берілмейді. Бу ыдыс қабырғасының сыртына беріледі. Ал ыдыстың бу жүретін қабырғасы сыртынан тағы бір қабат қабырғаменен жабдықталады. Сыртқы қабырғаны «көйлек» деп атайды және сондай-ақ оралма түтіктер орнатылады. Тұйық бу түгеліменен конденсацияға түседі. Сондықтан қыздырушы аппараттың бу күйімен конденсат күйінде шығады. Конденсатты тез сыртқа шығару үшін арнайы құралдар конденсат шығарғыштар пайдаланылады. Конденсат шығарғыштан өздерін жабушы элементтерінің жұмыс істеу принципі бойынша мынадай үш топқа бөлінеді:

1. қалтқы (поплавковый)
2. термостатикалық
3. термодинамикалық.

      Қалтқылық элементтер конденсат деңгейі бойыншажұмыс істейді, яғни конденсат бір деңгейге жеткенде қалтқы жұмыс істейді.

      Термостатикалық элементтер конденсацияланады. Температураның өзгерісі бойынша жұмыс істейді.

Термодинамикалық  элементтерде клапонның ашылуы және жабылуы конденсация шығарғышпен  және қысымдық камера арасындағы қысымдардың  төмендеуі бойынша жұмыс істейді.

      Тұйық буменен қыздыру кезінде аппараттың булық кеңістігінде конденсацияға түспеуші газдар жиналады. Бұлар жылу беру коэффициентін төмендетеді. Сондықтан мынадай газдар мезгіл-мезгіл арнайы вентиль арқылы сыртқа шығарылып тұрады.

      Түтіндік  булармен қыздыру. Бұлайша қыздыру  химия өндірісіндегі  ең ескі әдістердің бірі болып табылады.Бұл жолменен температураны 180-1000˚С ға дейін көтеруге болады. Түтіндік газдар қатты сұйық газдық отындарды арнайы пештерде жаққанда пайда болады. Түтіндік газдарменен қыздырудың ерекшелігі ол қыздыру жағдайының қатал шартының болуы, яғни температураның төмендеуінің едәуір мәні және жылу берілудің төмен коэффициенті 15-35 Вт/м² сек. Осы температуралық төмендеудің арқасында жоғарғы жылулық жүктемені алуға болады. Бұл жетістіктері болып табылады.

Ал кемшілігі:

1. процесті реттеудің қиындығы ждәне қыздырудың әр келкі болуы
2. түтіндік газдар ауаның көп мөлшерімен араластырғанда металдардың тотығуы күшейеді
3. түтіндік газдармен қыздырғанда өрт қауіптіліктің үлкен болуы. Осы әдіс бойынша аппараттарды дайындау үшін көмірлі болаттар пайдаланылады. Олар 420˚С-ға дейін жұмыс істей алады. Ал легирленген болаттар үшін жұмыс істеу 420-520˚С болады.
1. Ал арнайы ыстыққа төзімді болаттарды пайдаланғанда температураны 520-1000˚С-қа дейін көтеруге болады. Түтіндік газдарменен тікелей қыздыру түтіктік пештерде жүргізіледі.
2. Арнайы реакцичлық қазандары бар пештер
3. автоклавтары бар пештер және түтіндік газдарды пайдаланудың тиімділігін арттыру үшін оларды айналмалы жолға түсіру арнайы вентиляторлар (желдеткіштер) пайдаланылады. (циркуляция)

      Көптеген  жағдайларда өнмнің сапасын сақтау үшін және жұмыс істеу қауіпсіздігін  орнату үшін материалдың аса қызған жағдайы болмау тиіс. Ол үшін арнайы аралық жылу тасығыштарды пайдаланамыз. Оларға минералдық май, аса қызған су,  жоғары температуралы органикалық жылу тасығыштар және балқыған тұздар қоспасы және т.б. Мысалы, майлық моншада қыздыру жүргізілгенде температура 200-250˚С аспауы керек. Онда аппараттың сыртында көйлегі болуы тиіс. Көйлек маймен толған болуы керек. Түтіндік газ көйлекті сыртынан қыздырады. Ал көйлек ішіндегі май аппарат ішіндегі затты қыздырады.

      Химиялық  технологияда электр пештерінде электр ағынымен қыздыру кең таралған. Электр энергиясын жылу энергиясына айналдыру кезінде мынадай амалдар қолданылады.

1. кедергілік электр пештері
2. индукциялық электр пештері
3. доғалық электр пештері.

      Кедергілік  электр пештері екіге бөлінеді: тура әсер етуші және жанама әсер етуші  пештері. Тура әсер етуші электр пештерінде қызушы дене тікелей электр тізбекке жалғасады және одан электрлік ағын өткенде ол қызады. Бұл пештердің корпусы 1 электрод қызметін атқарады. Ал басқа электродты апапарат ішіне орналастырады. Осы электродтар арасына сұйықт немесе балқыған қыхушы материал салынады.

      Жанама  әсер етуші электр пештері көбірек  таралған болып келеді. Бұларда электр ағыны арнайы қыздырушы элементтер арқылы жүреді. Мұнда бөлінетін жылу материалға сәуле шашу жолымен жылу өткізгіштік және конвенция арқылы беріледі. Бұндай пештерде қызу 1000-1100˚С дейін көтеріледі. Бұл пештерде пеш футировкасы жылуға шыдамды кірпіштен қаланған болады. Ал футировка қуыстарына қыздырушы элемент спираль түрінде орналасқан болады. Бұл спиральдарға электр шинасынан кернеу беріледі. Бұл спиральдардан бөлінген жылу қызушы аппаратқа сәуле шашу және конвенция жолыменен беріледі, ал жылулық изоляция (оқшаулағыш) немесе футировка жылудың қоршаған отртаға кеиуін азайтады. Спиральдік сымдар олар михром таспасынан жасалады. Оның құрамында 20% Cr, 30-80% M,  0,5-50% Fe  болады. Мұнда бөлінетін жылуды мнадай жылулық баланс бойынша есептеп шығаруға болады.

      Электрлік индукциялық пеш. Бұл пештерде қыздыру  индукциялық ағындар бойынша  жүргізіледі. Мұнда қызушы аппарат  соленоид сердечник (білекше) болып табылады. Ол соленоид ішінде жоғары төмен қозғалуға мүмкіншілігі бар. Соленоид бойынша айнымалы электр ағыны жіберіледі, нәтижесінде айнымалы магнит өрісі туады. Ол өрісқыздырушы аппараттың қабырғасында эндукциялық электр қозғаушы күш туғызады. Осының нәтижесінде ыдыс қабырғасы қызып ішіндегі заттар қызады. Соленоид Мыс немесе алюминий сым өткізгіштен ждайындалады. Бұл сымдар аз Омдық кедергіге ие. Жоғары жиіліктегі ағындар мен диэлектрлік қыздыру ол диэлектрліктерді қыздыру үшін пайдаланылады (пластмасса, резимна, ағаш және т.б.). Мұнда қызушы дене конденсатор табақшалар арасында орналастырылады. Айнымалы ток электр ағынын жіберсек, онда  диэлектрик молекулалары тербеліске түседі, Бұл тербелістің жылдамдығы электр ағыны өрісінің жылдамдығына тең болады. Нәтижесінде молекулалар арасындағы үйкеліс күшінің әсерінен жылу бөлінеді. Бөлінетін жылу мөлшері кернеу квадраты мен ағын жиілігіне пропорционал болады.Мұнда кернеу жиілігі (0,5-100)*10⁶ Гц. Ал электр өрісіндегі кернеулік 1000-2000 ВТ/см тең. ЖОғары жиіліктегі электр ағыны шандық генераторлар береді. Диэлектрлік қыздыру мынадай жетістіктерге ие.

• қызушы материалдардың барлық қалыңжығының жылулық бөлінуі
• қыздырудың үлкен жылдамдығы
• материалдардың тек бір бөлігін қыздыру мүмкіншілігі
• қыздыру процесін реттеудің жеңілдігі және оны автоматтандырудың толық мүмкіншілігі

      Доғалық пештерде қыздыру электрлік доға бойынша жүргізіледі. Онда температура 1500-1300˚С дейін алуға болады. Электрлік  доға газ тәріздес ортада пайда болады. Доғалық пештерде температуралардың өте жоғары болуына байланысты біркелкі қыздыру жүрмейді. Доғалық пеште металдарды балқыту үшін және CaCO₃ ті алу үшін және фосфор алу үшін қолданыс табады.

      Арнаулы мақсаттарына қарай жылу алмастыру  аппараттары қыздырғыштар және суытқыштар болып бөлінеді. Егер процесс суық жылу тасығышқа жылу беру үшін жүргізілетін болса, онда бұл процеске қатысушы ыстық жылу тасығыш қыздырушы агент деп аталады. Егер процесс жылу тасығыштан жылу алу жағдайында жүрсе, онда сол жылу алушы суық жылу тасығыш, суытушы агент еп аталады. Егер арнаулы мақсаты бойынша бұл екі пропорция қатар жүруі де мүмкін. Онда оған қатысушы аппаратттар жылу алмастырғыштар деп аталады. Суытушы агент есебінде көбінесе, су және ауа пайдаланылады. Алодан да төмен температура алу үшін төменгі температуралы агенттер пайдаланылады.