Передачу тепла от горячих теплоносителей к более холодным осуществляют в теплообменниках. Различают теплообменники непосредственного смешения теплоносителей и поверхностные теплообменники, в которых тепло передается через глухую разделительную стенку. В последних теплопередача может протекать без изменения агрегатного состояния теплоносителей (нагреватели, холодильники) и с изменением агрегатного состояния (испарители, конденсаторы). Нагревание продуктов проводят также в трубчатых печах топочными газами.
Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании постоянства температуры Тсм суммарного потока на выходе. Входными величинами теплообменника являются расходы жидкостей на входе (F1 и F2) и их температуры (T1и Т2). Если T2>Tсм>Т1 а также если удельные теплоемкости и плотности жидкостей обеих потоков одинаковы, то зависимость Тсмот входных величин находится из уравнения теплового баланса (потерями пренебрегаем):
Tсм = T1+ (1)
Температуру Тсмобычно стабилизируют посредством изменения расхода одного из входных потоков. Схема регулирования теплообменника смешения показана на рис. 13. Теплообменники смешения обладают малым запаздыванием и значительным самовыравниванием.
Регулирование поверхностных теплообменни-ков, заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, температуры Тх2(рис. 14).
Рис. 14. Схема противоточного поверхностного теплообменника (а) и график изменения температуры теплоносителей (б).
Температура Тх2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку; в свою очередь эта температура определяется движущей силой процесса или средним температурным напором DТср. Величина DТср представляет собой логарифмическую разность температур (обозначения см. на рис. 14).
DТср = (2)
Величина DТср зависит от значений температур теплоносителей на входе и выходе теплообменника и, в частности, от температуры Тх2. С возрастанием Тх2 движущая сила процесса уменьшается и наоборот. Это свидетельствует о том, что поверхностные теплообменники обладают свойством самовыравнивания.
Если отношение <4, то движущую силу процесса при инженерных расчетах можно определять по среднеарифметической разности температур
DТср = (3)
Погрешность такой замены не превышает 10%. Основное уравнение теплообменника q = КА DТср
в этом случае принимает вид
q = КА ( 4)
где К — коэффициент теплопередачи стенки; А — поверхность теплообмена.
Установим зависимость между температурой холодного теплоносителя на выходе Тх2 и массовыми расходами теплоносителей Fмг и Fмхв случае, когда обменивающиеся теплом жидкости не изменяют своего агрегатного состояния.
Тепловой поток q через стенку выразим двумя следующими балансовыми уравнениями:
q = cГFМГ (ТГ1 – ТГ2) (5)
q = cХFМХ (ТГ1 – ТГ2) (6)
где сг и сх — удельные теплоемкости теплоносителей; FМГи FМХ — их массовые расходы.
Из этих уравнений найдем температуры ТХ2и ТГ2 и подставим в уравнение (4)
q =
Из последнего равенства определим тепловой поток
q = (7)
Рис. 15. Зависимость температуры на выходе из теплообменника от массовых расходов холодного (х) и горячего (г) теплоносителей.
Разделив равенство (6) на (7), получим зависимость искомой относительной температуры от других величин процесса (8)
Полученная зависимость в виде семейства кривых приведена на рис. 15, где показано влияние массовых расходов теплоносителей на температуру ТХ2.
Из этих зависимостей следует, что температура ТХ2 зависит от расходов FMXи FМГ. Поскольку поток нагреваемого продукта представляет собой нагрузку объекта, для поддержания постоянства температуры ТХ2может быть рекомендована схема регулирования, приведенная на рис.16, а, по которой температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путем воздействия на расход другого теплоносителя FМГ. Однако из зависимостей, приведенных на рис. 15 следует, что температура ТХ2 более чувствительна к нагрузке холодного теплоносителя, чем к расходу горячего теплоносителя. В связи с этим затрудняется качественное регулирование теплообменников в широком интервале изменения расходов теплоносителей и требуются регуляторы с дифференциальной составляющей.
Если по условиям технологии не допускается изменение потоков теплоносителей, то температуру продукта на выходе из теплообменника регулируют путем байпасирования части продукта и изменения его расхода. При этом регулирующий клапан устанавливают на байпасной линии (рис. 16 б). Такие схемы применяют, например, при использовании тепла горячих промежуточных или конечных продуктов для нагрева исходного сырья. Отметим, что байпасирование одного из теплоносителей требует некоторого увеличения поверхности теплообмена и большего расхода греющего агента (для переохлаждения или перегрева продукта) чем при дросселировании. Однако при этом улучшаются динамические характеристики системы регулирования, вследствие исключения теплообменника из контура регулирования и уменьшения времени запаздывания объекта.
Рис.16.Схема регулирования поверхностных теплообменников воздействием на расход горячего теплоносителя (а) и байпасированием холодного теплоносителя (б).
При изменении агрегатного состояния теплоносителей их температура в теплообменнике практически не изменяется и скорость теплопередачи q можно определить по равенству:
q = rFM (9)
Где - r теплота фазового перехода; FМ— массовый расход среды.
Если в качестве греющего агента применяют водяной пар, то температуру технологического продукта обычно регулируют путем изменения подачи пара (рис. 17,а). При значительных колебаниях давления пара применяют каскадную систему регулирования давления пара с корректировкой по температуре нагретого продукта.
Возможно также регулирование скорости теплопередачи путем поддерживания постоянства температуры продукта на выходе из теплообменника клапаном, установленным на линии отвода конденсата (рис. 17 б).
Рис. 17. Схемы регулирования работы теплообменников путем воздействия на расход греющего пара (а) и конденсата (б).
Это приводит к частичному заполнению теплообменника конденсатом, что в свою очередь скажется на суммарной величине коэффициента передачи теплообменника, а следовательно, и скорости теплопередачи. Такая система реагирует более медленно, чем система с клапаном, установленным на линии подачи греющего пара; ее применение рекомендуется только при отсутствии резких возмущений по нагрузке. Но вместе с тем, она позволяет лучше использовать тепло водяного пара, так как значения его давления и температуры более высоки, вследствие отсутствия дополнительных гидравлических сопротивлений на паропроводе, а отводимый конденсат принимает температуру несколько меньшую, чем температура конденсации пара. Это позволяет повысить эффективность работы теплообменника на 5—7%. Кроме того, по размерам клапан, установленный на линии отвода конденсата будет меньше того, который установлен на линии подачи греющего пара.
Процесс конденсации технологического продукта может быть охарактеризован температурой конденсата этого продукта при постоянном давлении или давлением пара продукта. Непосредственное регулирование этих величин с воздействием на расход пара, являющийся нагрузкой конденсатора, не представляется возможным.
а б
Рис.18. Схемы регулирования работы конденсаторов путем воздействия на расходы хладагента (а) и конденсата (б)
В этом случае наиболее широко применяют схемы, предусматривающие поддержание постоянства давления паров технологического продукта (рис.18) с воздействием на расход хладагента или конденсата, так как контуры регулирования давления достаточно динамичны. Регулирование уровня путем отвода конденсата (рис.18 а) обеспечивает соблюдение материального баланса конденсатора. По расходу хладагента можно судить о тепловой нагрузке объекта. Изменение расхода конденсата продукта (рис.18 б) обусловливает изменение теплообменной поверхности, благодаря частичному заполнению конденсатора жидкостью.
Последнее, вследствие того, что при конденсации коэффициенты передачи паров значительно выше, чем при охлаждении конденсата, приводит к изменению скорости теплопередачи. Тепловую нагрузку объекта определяют по текущему значению уровня конденсата.