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