Жылу алмасу процесі

      Кез келген аппарат жылуды тасымалдау үшін қолданылса (өте ыстық мекенде немесе суықта) онда ол жылу алмасу аппараты деп аталады. Өзінің қолданылуына қарай жылу алмасу аппараты мұздатқыш, конденсатты, қайнатқыш болып бөлінеді. Бірақ тәжірибеде жылу алмасу аппараттары жылуды регенерациялау басқалардан ажырату үшін (жылытқыштардан, мұздатқыштардан, буландырғыштардан және т.б.) ажырату үшін арналған. Орнатылған өтпелі жылу ағынының регенерациясы әрқашан экономикалық тиімді бола бермейді.

      Сұрақтарды  шешу кезінде жылу ағының регенерациясын таңдау құралдары, техникалық процеске қатысты дайындалған мұнай, газ, өндірісте санасу қажет экономикалық және технологиялық орнатылған шегі, жылу регенерациясын пайдасы, жылу алмасу орындарының төбесін өзара бөлу. Сондай-ақ төмендегі келесі заттар есте болуы қажет:

1. Ағынның регенерация дәрежесі үлкейген сайын пайдаланылған объекттегі шығынның жақстаруы және жалпы процесте қатысушы  (жанармай шығыны азаюы, ошақтың көлемі кемуі, мұздатқыштың суық өндіретін қуаты азаюы). Бірақ әркезде жанармай бағасына қарай экономикалық санақ жүргізіліп, су электр энергиясы және басқа да көрсеткіштерге қарай есеп жасалады.
2. Жылу (немесе суық) регенерациясының жылу алмасу дәрежесі үлкейген сайын, жылудың мөлшері прогрессивтітүрде өседі. Бұл ортаңғы температураның напорын төмендеуін шақырады, ал басқа кездерде де жылу тасымалдау коэффициентін төмендетеді. Температураның және ағынның мөлшері жеткілікті үлкен кезде жылу сұйығының ағынын қолдану қолайлы болады.
3. Жылу алмасудың төбесіндегі 1м²  бағасы, қызған ошақтың  1м² төбесінен 7-9 есе кем болады. Жылу алмасудың төбесіндегі 1м² орнатылған 1 сағ. 1700-2400 ккал (ортаңғы жылу қуатының ошағы 15000-17000 ккал/ м²  сағ жылуды орнату тиімді  болады). Мысалы, мына берілгендерконструктивті шешімдерге бөлінуі мүмкін, т.б. (қуаттың бір көлемге көбеюі, ауданға және қолданылатын аппараттың жасалуына қарай).
4. Мақсатты түрде жылу буын әсіресе конденсатты салыстырмалы жоғары температурада қолдану қажет. Бұл аппараттың осы будың әсерінен тез тотығуы мүмкін екенін еске алу қажет.
5. Бөлшекті өлшенген жылу бу өнімдерін қолдану қолайсыз болып келеді.

      Бұл жағдайларда қолайсыздықты анықтау  үшін жылу алмасу технологиялық процесте бауды енгізу көптеген инженерлік және экономикалық факторларға байланысты болып келеді.

      Жұмысшылардың мекені салыстырмалы көп диапазондағы  температурада және қысымда және әртүрлі жылу алмасу параметрлерінде  мінезделген.

1. Берілген мөлшерде жылуды бірінші мекеннен екінші мекенге тасымалдау жылу алмасудың жоғары температурасында қамтамасыз етіледі.
2. Жұмысқа қабілетті және жеткілік сенімді аппараттар берілген термодинамикалық параметрлі жұмысшы мекені (қысым, температура, көлем) фазалық жағдайына байланысты болмайды.
3. Тұрақты жұмыс аппараты процесс кезінде жұмыс мекенінің физикалық құрамы жылу алмасу кезінде өзгеруі (тұтқырлық, тығыздық, жылу өткізгіш, фазалық жағдайы, т.б.) мүмкін.
4. Жылу алмасудың төбесі химиялық тұрақтылығы жеткілікті кезде және жұмыс мекеніне басқа да аппараттар элементтері құрылыста әсер етуі мүмкін.
5. Жылу алмасудың төбесін көру мүмкіндігі жылу алмасу процесі кезінде тұрып қалудан тазартудың оңайлығы.
6. Жеткілікті артық тығыздық, жұмыс орнында қысымның өзгеруінен және жылу алмасу температурасының кейбір жерлерде деформациялануынан қауіпсіздікті қамтамасыз етеді.
7. Негізгі кіші көлемде металл ыдысты аппарат жылуға ауыртпалық түскенге арналған.
8. Жылу алмасу үлкен коэффициентті үлкен жылдамдық кезінде гидравликалықта кішігірім жоғалтады.

      Жылу  алмасу әртүрлі сұраныстарға байланысты аппаратына қойылатын келіспеушіліктер: (жылу алмасудың жоғары коэффициенті ағынның үлкен жылдамдығы жоғары гидравликалық кемуі және т.б.) әртүрлі технологиялық процестеріне сұраныстар жылу алмасу аппаратына қойылатын технологиялық өзгешелігі.

      Жылу  алмасу өткізетін фазалық қалпы  жұмыс мекенінде (қыздырғыштар, мұздатқыштар және салқындатықштар өзгеріссіз қалуы).

• Бір уақытта жылу алмасуды технологиялық процесте өткізу (абсорберлер, франкционерлер конденсаторы, изотермиялық процесте салмағы ауысуы және аппарат қолданғанда).

Бұдан бөлек  жылу алмасу ажырату: жұмыс мекеніне қарай (бу және газ сұйығы).

• Мінезіне қарай аппараттыңм режимінің температурасы (режимде орнатылған жылу алмасудың үздіксіз жұмысы, режимде орнатылған жылу, жылу алмасу қозғалысы).
• Құбырлардан жасалған жылу алмасу құрылысының белгісіне қарай мыналардай болып бөлінеді: құбырдан құбырға жылу алмасуы, ауада салқындатылатын, қоршауда жылжымайтын, жүзетін басымен, компенсатор арқылы ұзартылған.

      Мұнай және газ өндірісінде жылу алмасудың  келесі түрі көп таратылған.

1. жылу алмасу кезінде құбырдың қабы қатты түрі, тігінен орындалған және көлденең бір жүретін немесе көп жүретін вариант.
2. жылу алмасудың негізгі осындай жылу алмасудың қатты түрі аппараттың сыртқы құбырына біріктірілген сырттағы және қоршаудағы температураның қысымын болдырмау үшін үлкен температураның айыпмашылығы қолданылып жатқан жылу алмасуда кемітілген айырмашылығы 50˚С температура аралығында болуы керек. Басқа да кемшіліктердің қатарына жоғары құбырдың сыртын тазалауға мүмкін еместігі және т.б. жылу алмасудың қатты түрін тек құбырлардың қабатына былғымайтын мекенде қолдануға болады.

      Кейбір  жағдайларда екі мақсатқа  байланысты процесс жүреді, яғни суық жылу тасығышты  қыздыру үшін және ыстық жылу тасығышты  суыту үшін қолданады. Бұл процестер  жүретін аппараттар жылу алмастырғыштар деп аталады. Жылу алмастырғыш аппараттар жылу беру әдісі бойынша мынадай түрлерге бөлінеді:

1. беттік – мұнда екі жылу тасығыш қабырға арқылы бөлінеді. Жылу сол тасығыш қабырға арқылы беріледі.
2. Регенеративтік – мұнда жылу беру процесі ыстық жылу тасығыштан суық жылу тасығышқа уақытбойынша бөлек жүреді,яғни жылу тасығыш ұңғышақтары алма кезек қыздыру және суыту жүреді.
3. Араластырғыштар – мұнда жылу алмасу екі жылу тасығыштытікелей араластыру арқылы жүреді.

      Жылу  тасығыштардың агрегаттық жағдайына  қарай жылу алмсулар былай бөлінеді:

1. Газдар арасындағы жылу алмасу аппараттары
2. Бу және газ арасындағы жылу алмасу аппараттары
3. Газ және сұйық арасындағы жылу алмасу
4. Бу және сұйық арасындағы жылу алмасу
5. Сұйықтар арасындағы жылу алмасу аппараттары

      Беттік  жылу алмасу мынадай түрлерге бөлінеді:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4 Кожухты трубалы аппарат

      Химиялық  технологияда ең көп тараған кожухты  трубалы кеңістік пен трубааралық  кеңістікті анық айыра білу керек. Трубалы  кеңістікте бір жылу тасығыш жүреді, ал трубаралықта басқа жылу тасығыш  болады. Труба кеңістігі трубааралықтан осы трубалар бекітілген трубалық тормен және трубалар қабырғаларымен бөлінген. Трубалық және трубааралық кеңістіктер бір-бірімен байланыспайды.

      Кожухты жылу алмастырғыштар тік және көлбеу орналасқан болуы мүмкін. Біржүрістің (трубалы және трубааралық кеңістік бойынша) жеңіл нұсқаларының бірі суретте көрсетілген. Жылу тасығыштың үздіксіздігі жылдамдығын арттыру мақсатында, сондай-ақ қысқа трубаларды қолдануда көпжүрісті жылу алмастырғыштар жүреді; екіжүрісті жылу алмастырғыштың сызбасы (трубалы кеңістік бойынша) суретте келтірілген. Қорап пен трубаның температурасының үлкен айырмашылығы олардың температуралық  ұзартуларымен термиялық кернеулерінің пайда болу айырмасы, кезінде көрінеді олар трубалық торлардағы трубалардың бекітілуінің тығыздығының бұзылуына әкеледі. Осы кернеулерді азайту үшін түрлі өтемдеуші жабдықтар қолданады. Бұларға мысал ретінде линзалық компенсаторлар қолданылады. Олар жылу алмастырғыштар қорабында орнатылады: линзалар («гармошка» тәрізді ) кеңейту мен сығуға емес, бұрылыста жұмыс істейді; кернеудлің осы түрі құрылыммен жеңіл жұмыс атқарады. Температуралық кернеулер кормпенсациясының басқа да әдістері бар, сонымен бірге басқа оларға тәуелсіз құрылымдары да бар.  
 
 
 
 

2.5 Есеп

      Мысал VII. 1.     NaCl ерітіндісін қыздырудың жылу алмасу бетін анықтау. Ерітінді  t₁^’ = 15 ˚C тан     t₁^˝ =50˚C қа дейін жылу есебінен қыздырылады, сол ерітіндіге бастапқы температурада t₂^′=90˚C беріледі. Ерітінді таралымы G₁=G₂=5 m/сағ ; NaCl ертінідісінің меншікті жылу сыйымдылығы с=3950дж/(м²*град);  жылу беру коэффициенті  k=400 вm/(м²*град). Жылу алмасу беті есебін жылу тасмалдағыштың ағыны ретінде де, сондай-ақ қарсы ағыны ретінде жүргізуге болады.

      Шешім.  VII. 2 теңдеуін қолданамыз.

Q = k F ∆t_cp

Уақыт бірлігімен берілген жылу мөлшерін  жылу балансынан анықтаймыз.

Q = G₁c (t″₁-t′₁)= 5000/3600 * 3950 (50-15) = 192 000 вт

      Салқындатылған ерітіндінің соңғы температурасын t₂^′  жылу балансынан табамыз.

G₁c(t″₁-t′₁)= G₂c(t₂′-t₂″)

Мұнда  (G₁=G₂)

t₂″ = t₂′ + t₁′ - t₁″ = 90+15-50=55˚C

Жылу  алмастырғыштағы температураның өзгеруі:

      Тіке  ағын                                                              Қарсы ағын

      90→55                                                                    55→90

      15→50                                                                    15→50

∆t₀=90-15=75                                                                 ∆t₀=55-15=40

∆t_F=55-50=5                                                                   ∆t_F=90-50=40

VII. 7 теңдеуі бойынша орташа температуралық арын:

Тіке  ағын үшін

                  ∆t_cp = (90-15-(55-50)) / ln(90-15)/(55-50)= 25.8˚C

Қарсы ағын үшін

                  ∆t_cp′ = 40˚C 

Тіке  ағын кезіндегі жылу алмасу беті

                  F = Q/k ∆t=192 000/ (400*25,8) = 18,6 м²

Қарсы ағын кезіндегі жылу алмасу беті

                  F′ = Q/(k ∆t′)= 192 000/ (400*40) = 12 м² 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ҚОРЫТЫНДЫ

      Температураның  жылу алмасуды бойлай сапалы өзгеруі, жылуды жеткізу бөлімі бойынша болады. Технологиялық есеп қатарында міндетті түрде локальды температура жылу тасығыш Т немесе t жылу алмасудың үстіңгі әртүрлі нүктелерінде болады, басынан айтатын болсақ – мөлшерлі заңдылықтар мен олардың Ғ өзгеруі. Бұл соңғы температура Т және t экплуатациясы. Иллюстрация кірісінің сыйымдылығы олардың қозғалысы алдында өзгеріссіз, агрегаттық күйде болады.