TEHNOLOŠKE OPERACIJE
Predavanje 9
RAZMENA TOPLOTE
Prenos
toplote
Provođenje
(kondukcija)
Strujanje
(konvekcija)
Zračenje
(radijacija)
RAZMENJIVAČI TOPLOTE
Količina toplote moţe da preĎe sa jednog tela na drugo samo ako postoji temperaturna razlika ∆T
U razmenjivaču toplote (RT) hladniji medijum se greje, a topliji hladi
U prehrambenoj i hemijsko-preraĎivačkoj industriji najveću primenu imaju pločasti RT, RT sa cevnim snopom i dvocevni RT
Označavanje:
- temperatura toplijeg medijuma indeks 1
- temperatura hladnijeg medijuma indeks 2
RAZMENJIVAČI TOPLOTE
Kategorizacija i podela razmenjivača toplote vrši se prema:
1. Konstrukciji
2. Vrsti fluida
3. Broju prolaza
4. Smerovima tokova
5. Ulazu i izlazu fluida
6. Upotrebljenim materijalima za izradu itd.
Pločasti RT
RT sa cevnim snopom
Dvocevni RT
Kategorizacija i podela razmenjivača toplote prema konstrukciji:
Fluidi koji se primenjuju su:
− vazduh, voda ili ulje (najčešće)
− azot, vodonik, gasovite smeše, korsantin, specijalna tehnološka ulja itd. (u posebnim slučajevima, prema tehnološkim zahtevima)
Kategorizacija i podela razmenjivača toplote prema vrsti fluida:
U zavisnosti od izbora fluida, moguće su kombinacije u RT:
− voda-voda
− vazduh-voda
− vazduh-ulje
− voda-ulje
− azot-voda
− voda-vodonik itd.
Po broju prolaza mogu biti:
− sa jednim, dva ili više (do osam) prolaza kroz cevi
− i do četiri prolaza fluida kroz meĎucevni prostor
Kategorizacija i podela razmenjivača toplote prema broju prolaza:
U zavisnosti od smera prenosa toplote razmenjivači mogu biti:
- jednosmerni (istosmerni) - suprotnosmerni - unakrsni (pod uglom od 90°)
Kategorizacija i podela razmenjivača toplote prema smerovima toka:
Jednosmerni (istosmerni) RT
t1u - temperatura toplijeg fluida na ulazu u RT
t1i - temperatura toplijeg fluida na izlazu iz RT
t2u - temperatura hladnijeg fluida na ulazu u RT
t2i - temperatura hladnijeg fluida na izlazu iz RT
t1u t1i
t2u t2i
t2i > t2u
uuu ttt 21
iii ttt 21
U istosmernom RT temperatura hladnijeg medijuma na izlazu t2i niţa je od temperature toplijeg medijuma na ulazu t1u i temperature toplijeg medijuma na izlazu iz RT t1i
t2i < t1i < t1u
t1u - temperatura toplijeg fluida na ulazu u RT
t1i - temperatura toplijeg fluida na izlazu iz RT
t2u - temperatura hladnijeg fluida na ulazu u RT
t2i - temperatura hladnijeg fluida na izlazu iz RT
Suprotnosmerni RT
t1u t1i
t2i t2u
t2i > t1i
U suprotosmernom RT temperatura hladnijeg medijuma na izlazu t2i moţe biti veća od temperature toplijeg medijuma na izlazu t1i zbog čega se suprotnosmerno strujanje više koristi.
gde je:
dQ - elementarno toplotno opterećenje (W)
m1 i m2 - maseni protoci toplijeg i hladnijeg medijuma (kg/s)
c1 i c2 - specifične toplote toplijeg i hladnijeg medijuma (J/kg·K)
T1 i T2 - temperature toplijeg i hladnijeg medijuma (K)
Jednačina bilansa toplote:
)( 222111 WdTcmdTcmdQ
RAZMENJIVAČI TOPLOTE
)( WTAKQ sr
Jednačina prolaza toplote za RT:
gde je:
Q - elementarno toplotno opterećenje (W)
K - koeficijent prolaza toplote (W/m2·K)
ΔTsr - srednja logaritamska razlika temperatura (K)
Srednja logaritamska razlika temperatura
)(
lnlog3,2
K
T
T
TT
T
T
TTT
i
u
iu
i
u
iusr
)( lnln
WTT
TTAKQ
iu
iu
Potrebna površina razmenjivača toplote:
)( 2mTK
QA
sr
Ako je jedan od medijuma suvozasićena para, čija se temperatura ne menja tokom razmene toplote, uzajamni smer strujanja nema značaja
Ako je jedan od medijuma pregrejana para ili suvozasićena para, čiji se kondenzat hladi tokom razmene toplote, uzajamni smer strujanja ima značaj
Bilans toplote:
)( 2222 WQQQTTcmQ pkhlui
gde su:
Qhl, Qk i Qp (W) - toplota hlaĎenja pregrejane pare do temperature zasićenja, toplota kondenzacije i toplota pothlaĎivanja kondenzata, pri čemu je:
)( '111 WTTcmQ iuphl
)( 1'
111 WTTcmQ ikp
c1p i c1k (J/kg·K) - specifična toplota pregrejane pare i kondenzata
T’ (K) - temperatura zasićene pare
)( 1'
111 WTTcmQ ikk
Potrebna površina razmene toplote:
)( 2mAAAA pkhl
)( 2mTK
QA
hlshl
hlhl
)( 2mTK
QA
ksk
kk
)( 2mTK
QA
psp
pp
gde su:
Srednje logaritamske razlike temperatura:
)(
ln
K
T
T
TTT
hli
hlu
hlihluhls
)(
ln
K
T
T
TTT
ki
ku
kikuks
)(
ln
K
T
T
TTT
pi
pu
pipups
IZVORI I NOSIOCI TOPLOTE
Grejanje je jedna od najčešćih operacija. Koristi se za:
Ubrzanje hemijskih reakcija
Uparavanje
Destilaciju
Sušenje ...
Kriterijumi za izbor grejnog medijuma su:
Temperatura grejanja
Mogućnost podešavanja temperature medijuma
Toplotna postojanost
Zapaljivost i otrovnost grejnog medijuma
Grejanje neposrednim izvorima toplote:
Sagorevni gasovi
Električna struja
Grejanje posrednim grejnim medijumima:
Posebni grejni medijumi
Organski grejni medijumi
Rastvor soli
Ţiva i tečni metali
Topla voda
Pregrejana voda
Vodena para
Mineralna ulja
Rashladne sole
Sagorevni gasovi
Moţe se postići temperatura grejanja > 1000 °C
Ne moţe se brzo podešavati temperatura grejanja
Moguće je pregrevanje tečnosti
Postoji opasnost kada se zagrevaju zapaljive i eksplozivne tečnosti
Temperatura sagorevnih gasova se podešava tako što se na izlazu iz loţišta meša sa hladnim vazduhom. UvoĎenjem vazduha povećava se udeo kiseonika, što ima za posledicu oksidisanje metalnih površina aparature
Električna struja
Moţe se postići temperatura grejanja do 3200 °C
Stepen iskorišćavanja je visok: 0,95
Cena je visoka
Posebni grejni medijumi
Organski grejni medijumi, ţiva, smeše soli
Rastvor soli
Koristi se smeša npr. NaNO2, NaNO3, KNO3
Mineralna ulja
Mineralna ulja imaju mali koeficijent prelaza toplote a. Postiţu
se temperature do 250 °C
Ţiva
Ţiva nije zapaljiva, ima visoku temperaturu ključanja. Zbog opasnosti ţivinih para sistem mora biti dobro zaptiven u kome mora vladati podpritisak
Rashladne sole
To su fluidi koji nisu čista voda. Obično su mešavine nekog tipa glikola i vode (u koncentraciji 20-40%). Često se koristi propilen-glikol zbog manje toksičnosti, nego npr. etilen-glikol