Теплообменные процессы, широко используемые при различ­ных способах утилизации отходов, реализуются с помощью аппа­ратов, выполняющих функции нагревателей, охладителей, кипя­тильников, испарителей, конденсаторов и т. п. Теплообменные про­цессы лежат в основе работы ректификационных, сорбционно-де - сорбционных, выпарных, экстракционных, сушильных и других установок.

Теплообменом называется самопроизвольный перенос тепла между телами, имеющими различную температуру; тепло может передаваться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излуче­нием. Теплообменные процессы осуществляются с помощью теп­лоносителей, которые аккумулируют тепло источника и отдают его в теплообменных аппаратах. Теплоносители имеют ограничен­ные температурные диапазоны применения. При выборе теплоно­сителей учитывают их стоимость, возможность безопасной работы, интенсивность теплообмена, который они обеспечивают, коррози­онную стойкость и другие факторы. Основными теплоносителями являются вода, водяной пар и топочные газы; в ряде случаев для этих целей используют высококипящие жидкости, расплавы солей,
металлов и другие вещества. Некоторые процессы осуществляются с использованием электронагрева.

Горячую воду используют для нагрева до 100 °С. Перегретый пар легко обеспечивает нагрев до 200 °С и выше, однако такая температура достигается при давлении пара около 0,2 МПа. Высо - кокипящие жидкости можно использовать при необходимости на­грева до 400 °С. Еще больший нагрев (до 550 °С) обеспечивают расплавы солей, но их применение требует высокой герметичности оборудования и защиты последнего инертным газом. Расплавы ме­таллов и сплавов могут использоваться при температурах 300 - 800 °С. В качестве теплоносителей применяют литий, натрий, ка­лий, ртуть, свинец и ряд сплавов. Использование расплавов метал­лов, так же как и расплавов солей, требует специального защи­щенного инертным газом и тщательно герметизированного обору­дования. Они находят применение в теплообменных аппаратах, ра­ботающих на атомных электростанциях.

Одним из наиболее распространенных теплоносителей при пе­реработке отходов являются топочные газы, с помощью которых возможен нагрев до температуры около 1100 °С.

Помимо нагревания при переработке отходов часто использует­ся охлаждение. Наиболее распространены в качестве охлаждающих агентов вода и воздух. Вода позволяет охлаждать до температуры не ниже 4 °С (артезианская вода), а лед - до 0 °С. Более низкую температуру обеспечивают смеси льда с солями. Однако для созда­ния низких температур в промышленности используют холодиль­ные установки, работающие с применением различных хладонов. Более глубокое криогенное охлаждение реализуется с помощью жидких газов, в частности, жидкий азот позволяет охлаждать до температуры -193 °С.

К теплообменным аппаратам относятся любые установки, в ко­торых происходит теплообмен между двумя и более средами: подо­греватели, испарители, конденсаторы, паровые котлы, кипятильни­ки, скрубберы, и др. По принципу работы различают поверхност­ные, смесительные и регенеративные теплообменные аппараты.

Наибольшее распространение получили поверхностные тепло­обменники, в которых теплота передается через стенку аппарата. К ним относятся кожухотрубчатые, оросительные, погружные зме - евиковые, пластинчатые, спиральные, оребренные, блоковые, шне - ковые теплообменные аппараты, а также теплообменники с рубаш­кой.

На рис. 6.53 показано устройство кожухотрубчатого теплооб­менника. Модель аппарата, его производительность и размеры вы­бираются на основе технического проекта из каталога.

На рис. 6.54 приведена конструкция барабанной контактной сушилки со специальной трубчатой рубашкой обогрева. Такие ап­параты применяются для сушки материалов, контакт которых с

При выборе теплообменных аппаратов учитывают тепловую нагрузку, температуру процесса, физико-химические свойства ра­бочих сред, условия теплообмена, материалы, из которых они из­готовлены, стоимость аппарата и эксплуатационные расходы, про­стоту конструкции, возможность ремонта и другие факторы.

При организации теплообменных процессов целесообразно ис­пользовать вторичные энергоресурсы, образующиеся в технологи­ческих процессах. Рациональное использование вторичных энерго­ресурсов снижает эксплуатационные затраты на топливо и умень­шает загрязнение окружающей среды.

Задача создания теплообменной системы сводится к определе­нию структуры технологических связей между теплообменными аппаратами, а также размеров поверхностей теплообмена каждого аппарата системы, которые обеспечивают рекуперативный тепло­обмен между горячими и холодными технологическими потоками. В качестве критерия эффективности могут быть использованы при­веденные затраты на создание и эксплуатацию теплообменной сис­темы. Задача оптимизации теплового процесса сводится к обеспе­чению минимальных затрат (капитальных и эксплуатационных) на его проведение. Критерий оптимальности Я (руб.) для теплооб­менников определяется из уравнения:

П = 3JTH + Рэ = min, (6.37)

Где Зк - капитальные затраты, руб.; Тн - нормативный срок окупа­емости, лет; Рэ - эксплуатационные расходы, руб/год.

При расчете теплообменных систем исходят из уравнения теп­лового баланса, предполагающего, что количество тепла, отдавае­мого теплоносителем Qi, равно количеству тепла, полученного на­греваемой средой Q2:

Q і = Q2 (6.38)

И, пренебрегая теплопотерями,

GiCi(0i„ - Єї*) = С2С2(в2К - 02н), (6.39)

Где G и G2 ~ количество теплоносителя и теплопотребителя; С и С2 — теплоемкость теплоносителя И теплопотребителя; 01н И - начальная и конечная температура теплоносителя; в2н и в2уі — на­чальная и конечная температура теплопотребителя.

Поверхность теплообмена рассчитывают по уравнению:

F = mrP> (6-40)

Где F — поверхность теплообменника, м ; Q — тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт; д - толщина стенки теплообменни­ка, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Д0ср - сред­няя разность температур поверхностей стенки, К.

В общем случае теплообменная система может состоять из со­вокупности внутренней и внешней подсистем. Внутреннюю подси­стему образуют рекуперативные теплообменники, в которых про­исходит взаимный теплообмен между исходными и промежуточны­ми потоками. Внешнюю подсистему образуют вспомогательные теплообменники, в которых идет теплообмен исходных и результи­рующих потоков с потоками хладагентов.