- Теплообменники — взгляд в прошлое, картина настоящего
- История развития теплообменных аппаратов
- Получение веществ, изменяющих сознание
- Змеевиковый теплообменник
- Почему в старину использовался змеевиковый, а сегодня пластинчатый теплообменник?
- Молекула сахара, вещества, изменившего судьбы народов
- Принцип когенерации
- Современные теплообменники для пищевой промышленности
- Уничтожение себе подобных (производство пороха)
- Обеспечение пищевой безопасности
- Теплообменник пастеризатор
- Обеспечение бытового комфорта
- Парокомпрессионные холодильные установки
- Абсорбционная холодильная машина
- Развитие транспортных средств
- Из истории паровых машин
- Лошадиная сила…
- Производство энергии
- Теплообменники из оребренных трубок
- Производство того, что позволяет казаться моложе и красивее
- Скребковые теплообменники
Теплообменники - взгляд в прошлое, картина настоящего
История развития теплообменных аппаратов
«В действительности всё не так, как на самом деле».
«Всё на свете функционально, а особенно то, что решительно ничему не служит».
Ежи Лец
Зафиксированная в первоисточниках и компилированная в учебниках история народов планеты, равно как история науки и технологий, едва ли может претендовать на роль истины в последней инстанции. Герой этой статьи «ТЕПЛООБМЕННИК», которому «повезло», так как даже название отчасти раскрывает функции во многих европейских языках: heat exchanger, scambiatore di calore (итальянский); lämmönvaihdin (финский).
Теплообмен как явление сразу был привлечён на службу мастеровым людом по всей планете. Огонь и его тепло – бесценные дары Прометея человечеству, которое с того момента делало и продолжает технологические шаги по пути:
- Обеспечение пищевой безопасности (изготовление сыра, сохранение пищевых продуктов с помощью копчения, вяления, сушения и проч.)
- Уничтожение себе подобных (производство пороха)
- Получение веществ, изменяющих сознание (крепкий алкоголь, сахар, вытяжки из растений)
- Обеспечение бытового комфорта (горячее водоснабжение и отопление, охлаждение воздуха — кондиционирование)
- Производство энергии практически на всех стадиях её переходов и превращений
- Развитие транспортных средств с использованием тепловых машин (двигателей паровых, внутреннего сгорания и даже … реактивных ракетных двигателей)
- Производство того, что позволяет казаться моложе и красивее (косметика и парфюмерия) и того, что предотвращает на время, увы, но неизбежную встречу со смертью — медицинские препараты).
Начнём с третьего пункта:
Получение веществ, изменяющих сознание
Алкоголь от арабского الكحل , он же Spiritus Vini (дух/суть вина) в нашем языке у этого продукта тоже есть разные названия, кстати слово ЭЛИКСИР арабск.الإكسير (камень мудрых). Давним и безымянным эмпирикам хотелось из всего извлечь суть, вино было достойным объектом, так как производило тот же эффект, что и ныне. Именно дистилляция «духа вина» посредством охлаждаемого змеевикового теплообменника позволила получить достаточное количество крепкого алкоголя для его массового вливания в общество.
Змеевиковый теплообменник
Пусть все содеянное обществом под воздействием Spiritus Vini останется на его совести, однако, если исключить змеевиковый теплообменник из схемы дистилляции — конечного продукта просто не получилось бы.
Вполне возможно изменилась бы история морских переходов и развитие цивилизации, поскольку просто питьевую воду сохранить практически невозможно — джин и ром из змеевика были первыми средствами дезинфекции.
Сегодня технология сбраживания и дистилляции\ ректификации хоть и обросла множеством дополнений, но сама суть «Конденсация за счёт теплообмена» осталась неизменной.
Пластинчатый теплообменник Alfalaval Widegap
Средневековая винокурня
Читатель, привыкший смотреть картинки, в первую очередь озаботится вопросом, почему в старину использовался змеевиковый, а сегодня пластинчатый теплообменник? Ответ на поверхности — у старых мастеров не было технологий штамповки листа пластинчатого теплообменника, но имелись медные трубки. Расчёт теплообменных аппаратов до 19-го века был занятием учёных мужей, которым редко раздавали гранты, пытливый ум, наблюдательность, готовность получать и применять знания «на результат» были их главной движущей силой.
Молекула сахара, вещества, изменившего судьбы народов
Сахар сегодня привычный «белый яд», «самый дешёвый антидепрессант» массово употребляется человечеством сравнительно недавно, хотя само его название корнями из архаичного языка санскрит. Слову «sarkara» обязаны появлением «сахар» в русском языке, «zucchero» в итальянском, seker на турецком, zucker на немецком, sugar на английском, sucre на французском. В большинстве европейских языков есть устоявшиеся выражения «сладенький, ты мой», “My sweet heart” и т.д. Почему? Потому что глюкоза есть основной компонент питания мозга.
Бесспорно, если есть слово, то и существует феномен, который слово описывает.
Сахарный тростник родом из Индии и первый сахар производился там, однако массовое производство при готовности всех и вся к потреблению, есть в основном порождение Европы. Работорговля, изменение этнического состава континентов, войны между государствами и много чего другого произошли из безудержного желания части европейцев сладко есть, пить и …возможности платить за это. Применялись ли теплообменники в древнеиндийских технологиях производства сахара неизвестно, но во всех странах «сладкого пояса» — Куба, Ямайка, побережье Флориды, от Мексики до Сан Хуана и Чили, а также в Венесуэле, Колумбии, Эквадоре, Перу и Парагвае — были сахарные мануфактуры, что описал в 1620 году Антонио Васкез де Эспиноза.
Эскиз сахарного завода
Товарное производство сахара требовало эффективных технологий, в которых теплообменник — испаритель (стадия упаривания тростникового сока до сиропа) и сушка кристаллов сахара происходили чётко стадия за стадией. Производителям сахара нельзя отказать в изобретательности, поскольку внедряя паровые машины в производственный процесс, принцип когенерации применялся практически. Паровая машина вращала механизмы, остаточная теплота пара через теплообменник нагревала воздух для сушки. Добавим к тому, что топливом служили отходы производства — жмых сахарного тростника.
Теплообменник «сосуд в сосуде» (водяная баня по-русски)
Реконструированный теплообменник-испаритель
Теплообменник кожухотрубный
Современные теплообменники для пищевой промышленности вне всяких сомнений на порядок эффективней своих предшественников, однако следует разглядеть и оборотную сторону «рекордных показателей» — высокая тепловая нагрузка на единицу площади теплообмена, сложное техническое обслуживание (промывка теплообменников) предполагают высокие требования к чистоте нагреваемой и нагревающей сред.
Впрочем если владелец бизнеса, инженер-технолог, оператор (работник) ясно видят картину производственного цикла, то своевременно производят плановый ремонт и обслуживание теплообменников. Химическая промывка теплообменника является при этом обязательной регламентной процедурой. Теплообменник кожухотрубный, теплообменник пластинчатый, теплообменник спиральный, любой иной теплообменный аппарат будут трудиться на благо бизнеса, подтверждая непреложность законов термодинамики и … здравого смысла, подтверждённого расчётами теплообменников.
Производство предметов массового потребления требовало сырьевой базы (территорий, рабочих рук), средств доставки и обеспечения сохранности того, что произведено и подлежит реализации. Остановимся на другой субстанции, также изменившей мир в огромной степени.
Уничтожение себе подобных (производство пороха)
ПОРОХ. Не вдаваясь в уже многократно описанные подробности про древний Китай, европейских королей с их победами и поражениями, необходимо заострить внимание на первой технологии и свойстве пороха как такового. Технология — перетирание в ступке селитры, серы и древесного угля. Свойство №1 (преимущество) полученной смеси — мгновенное сгорание с выделением большого количества газов. Свойство №2 (недостаток) — гигроскопичность. Первый порох впитывал влагу откуда мог, становясь бесполезным. Напутствие военным «Держи порох сухим!» понималось буквально. Гранулирование пороха для придания ему гидрофобных свойств стало тем технологическим прорывом, который позволил воплотить принцип “Citius Altius Fortiuus”- «Дальше, Выше, Сильнее». Суть технологии сводилась к тому, что порошок, составленный из ингридиентов, смачивался водой и протирался сквозь сито.
Логично возникает вопрос «Как сушить?»
Машина для гранулирования пороха
Теплообменник для сушки пороховых гранул
Теплообменник с вентилятором для сушки пороха
Благодаря теплообменникам человечество уходило от примитивного и очень опасного использования открытого огня не только в пороховом деле. Теплообменники с разными греющими средами пар и вода успешно справились с той задачей, где недопустимо «работать с огоньком».
Обеспечение пищевой безопасности
Как вам на вкус пригоревшее молоко? Ваше отношение к кишечным инфекциям? Дилемма, да и только! На открытом огне молоко легко пригорит, а без кипячения оно быстро испортится, а то и вызовет диарею. Луи Пастер, чье имя носит институт, в чью честь назван процесс «ПАСТЕРИЗАЦИЯ» и соответственно аппарат, этот процесс осуществляющий — ПАСТЕРИЗАТОР.
Теплообменник пастеризатор
Теплообменник пастеризатор – классический пример парового кожухотрубного теплообменника.
Именно пастеризатор – теплообменник, нагревающий жидкий продукт (молоко, пиво, соки) не более 70 ̊С, позволяет этим продуктам занять своё место на прилавках магазинов и столах потребителей. Главное проверять срок годности на упаковке!
Теплообменники, используемые на пищевом производстве, подлежат очистке после каждого производственного цикла и как правило оборудованы CIP- станциями (Clean in place «очистка на месте»).
Заморозка пищевых продуктов предполагает использование холодильников или парокомпрессионных машин.
Обеспечение бытового комфорта
Простой пример. Если случалось пролить на руку бензин, растворитель или иную легко летучую жидкость, то ощущение холода на кожном покрове подтверждает два физических постулата:
1) Тепло передаётся от более нагретому к менее нагретому (Второй закон термодинамики)
2) Испарение с поверхности (фазовый переход) охлаждает эту поверхность.
Однако если в этот процесс внести изменения и дополнения? Канистра с бензином стояла на солнечной стороне при + 45 ̊С в тени и соответственно нагрелась до +50 ̊С, шофер, наливая бензин, облил руку, бензин испарился и руке стало холодно Прим. Шофер здоров и температура его тела точно не выше 37 ̊С. Что здесь не так или руке «показалось»? Рука здорова и шофер в порядке! Налицо явление испарения или фазового перехода жидкость-газ. Испарение всегда происходит с поглощением тепла. Бензин в жидком состоянии , имеющий температуру +50 ̊С, испаряясь с руки, «снял» с неё часть температуры и передал атмосфере. Назвать такой способ теплообмена практически применимым нельзя. Однако если легко летучую жидкость заставить испаряться в одном герметичном объёме (теплообменник-испаритель, , где происходит поглощение теплоты=охлаждение), затем перемещать пары в другой объём, где сжимать а, вернее конденсировать их (в этом случае тепло будет уже выделяться через теплообменник-конденсатор), перемещением и сжатием паров занят компрессор.
Большая часть холодильных машин вокруг нас (холодильники, кондиционеры, льдогенераторы, осушители и т.д.) — это два теплообменника, связанные между собой компрессором, системой трубопроводов и арматуры.
Продолжим наши рассуждения про теплообмен, уже зная нечто про конденсацию с испарением, взглянув на это под другим углом — можно ли с помощью тепла, употреблённого на испарение чего-либо, получить холод? ОТВЕТ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ!
Многие из ныне живущих застали бесшумные бытовые холодильники. Почему бесшумные? Потому что в них не было компрессоров! Что же передвигало и сжимало пары? Встречный вопрос! Почему в прошедшем времени? «передвигало и сжимало пары?». Ответ — все законы природы по-прежнему работают.
Первая в истории холодильная практически не имела механически движущихся частей, ДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ были ТЕПЛООБМЕН и АБСОРБЦИЯ — способность одного вещества поглощать (буквально впитывать в себя) другое.
Холодильная машина Фердинанда Коре
Холодильный агрегат холодильника «Морозко-ЗМ»:
1 — теплообменник; 2 — сборник раствора;
3 — аккумулятор водорода; 4 — абсорбер;
5 — регенеративный газовый теплообменник;
6 — дефлегматор; 7 — конденсатор;
8 — испаритель; 9 — генератор;
10 — термосифон; 11 — регенератор;
12 — трубки слабого раствора;
13 — пароотводящая трубка;
14 —нагреватель;
15—термоизоляция
Простая на первый взгляд абсорбционная холодильная машина (АБХМ) состоит практически из одних теплообменников.
Главное различие между парокомпрессионной машиной в том, что разряжение, необходимое для испарения хладагента, создаётся компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом — абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента.
- Раствор из аммиака NH3 – хладагент и воды H20 — абсорбент подогревается от внешнего источника. Аммиак хорошо растворяется в воде, но имеет более низкую в сравнении с водой температуру кипения. Довольно схоже с дистилляцией крепкого алкоголя. Источники теплоты могут быть разными (лабораторная спиртовка, горячие выхлопные газы двигателя, сбросное тепло технологических процессов). Устройство, где разделяются пары хладагента и абсорбента, называется десорбер.
- Подогретая жидкость, доведённая до кипения, поднимается по термосифону, в нем происходит отвод тепла в верней части и конденсация паров. Получается это благодаря тому, что её плотность становится меньше плотности второго раствора в термосифоне.
- Как только жидкость выходит из трубки, начинает выделяться водоаммиачный пар.
- Пар через регенератор достигает конденсатора.
- Происходит процесс конденсации.
Уже жидкий газ поступает в испаритель, где он вновь превращается в пар.
«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев вплоть до кипения рабочего тела. При этом вид источника нагрева непринципиален, — это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, — элементы без подвижных частей (термосифоны).
Так инженерная мысль и умелые руки соединили в единую цепочку теплообмен, испарение, конденсацию, сумели не «подчинить» законы природы, но «договориться» с ними.
Значение холодильных машин не подлежит принижению, а назначение теплообменников во всех видах кожухотрубных, пластинчатых, спиральных, оребренных и т.д. становится понятным.
Слово СВОБОДА происходит от местоимения СВОЙ. Свой путь, своя дорога не в переносном, а в прямом смысле слова предполагает движение. Теплообменник — скромный труженик многих устройств и технологий нашёл своё место во всех видах транспорта.
Развитие транспортных средств
Из истории паровых машин
«…Основная идея, отличающая машину Уатта от машины Ньюкомена, заключалась в изолированной камере для конденсации (охлаждения пара)»:
В машине Уатта конденсатор «С» был отделён от рабочего цилиндра «Р», его не нужно было постоянно нагревать и охлаждать, благодаря этому удалось увеличить КПД.
Первые паровые машины использовались для движения воды в нужном направлении, т.е. приводили в движение насосы откачки воды из шахт. Благодаря теплообменнику-конденсатору паровая машина стала работоспособным механизмом, а не просто механическим курьёзом.
Любопытный факт
Лошадиная сила…
Для измерения мощности паровых машин, Уатт ввёл понятие «лошадиная сила», которая в качестве общепринятой единицы мощности используется и по настоящее время.
Одну из машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчёт показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.
Передвижение людей, товаров уходило от использования мускульной тягловой силы. Пароходы и паровозы пришли на смену бурлакам, мулам и парусам.
Производство энергии
Паровые машины становились мощнее и экономичнее опять благодаря теплообменнику-пароперегревателю. Если первые паровозы работали на насыщенном паре, когда получившийся после испарения воды пар сразу поступает в цилиндры, то последующие поколения паровозов работали на перегретом паре — пар дополнительно нагревался в пароперегревателе до температуры свыше 300 °C, а затем поступал в цилиндры паровой машины. Такая схема позволяла получить значительную экономию в паре (до 1/3), а следовательно в топливе и воде, благодаря чему стала применяться на подавляющем большинстве выпускавшихся мощных паровозов.
Теплообменник-пароперегреватель
Пароперегреватель представляет собой систему трубчатых каналов, проходящих через топку, т.е. все тот же теплообменник. Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз.
Сходные паровые двигатели применялись и в самодвижущихся повозках/автомобилях.
XIX век и не малая часть XX века по праву принадлежат паровым машинам, описать хотя бы малую их часть не представляется возможным.
Теплообменник нашёл своё применение в автомобилях — радиатор, печка, кондиционер – это все теплообменники из оребренных трубок.
На рисунках ниже теплообменные аппараты, нашедшие применение на ракетах носителях:
Кожухотрубный теплообменник ракетного двигателя
Пластинчато-ребристый теплообменник жидкотопливного ракетного двигателя
Пластинчато-ребристый теплообменник жидкотопливного ракетного двигателя
На рисунке выше усовершенствованный пластинчато-ребристый теплообменник жидкотопливного ракетного двигателя. Без отвода тепла из сопла космической ракеты, он попросту расплавится.
Эти незаменимые устройства помогли расширить степень человеческой свободы до Космоса.
Тепловой и энергетический комфорт жилища настолько плотно увязаны с теплообменниками, что перечисление всех их функций, как в графах комунальной платежки, просто не войдёт в формат статьи.
Однако остановимся на интересном факте:
Хуго Юнкерс изобрел калориметр (прибор для измерения энергетической ценности горючего газа), газовая колонка получилась из этого прибора теплообменника газ-жидкость по своей сути. Тепло, образующееся при сжигании газа, полностью передавалось непрерывному потоку воды через теплообменные трубки. Инженерная и коммерческая смекалка помогли гениальному инженеру перенести исследовательскую технологию на выпуск газовых колонок- изделий массового спроса. Уже в 1912 году фабрика Юнкерса выпустила стотысячный газовый нагреватель, что говорит об их чрезвычайной популярности. На колонках был заработок, а на самолетах затраты, так часто бывает когда человек жаждет летать.
Калориметр
Производство того, что позволяет казаться моложе и красивее
В старину химия, фармакология, производство крепкого алкоголя и благовоний (косметики и парфюмерии) поначалу входило в круг занятий одних и тех же специалистов. Одни занимались поисками философского камня, другие элексира бессмертия, при этом применялись одни и те же инструменты и схожие технологии.
Античный способ получения ароматических масел. В правом углу теплообменник конденсатор
Теплообменник с охлаждающей рубашкой — ферментёр на производстве антибиотиков
Скребковые теплообменники
Скребковые теплообменники позволяют бережно нагревать масла и гели в парфюмерной промышленности.
Технологии, применяемые в фармакологии и косметологической промышленности, в настоящее время также предполагают использование теплообменных аппаратов, которые отличаются от своих предшественников в первую очередь материалами, из которых изготовлены. Если раньше была керамика, стекло и медь, то сейчас это нержавеющая сталь и сплавы меди в самых экзотических вариантах. Теплообменники стали компактнее, ремонтопригоднее, но искусность людей их использующих едва ли стала выше. Впрочем это другая тема…