ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Общая характеристика тепловых процессов

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов – теплообменными.

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и частный случай испарения – выпаривание.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем две среды с различными температурами; при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой (называемой теплоносителем) к среде с более низкой температурой (наз. хладоагентом или холодильным агентом). Часто оба тела, участвующие в теплообмене, называют просто теплоносителями, соответственно горячий и холодный теплоноситель.

Одним из важнейших и экономических факторов большинства химических производств является температура. Поддержание в аппаратах требуемой температуры почти всегда сопряжено с необходимостью подвода или отвода тепла – с целью нагревания или охлаждения обрабатываемых веществ.

Нагревание – повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение – понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Конденсация – сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

Испарение – перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла.

Перенос тепла возможен тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Каждый из этих способов омет свой закономерности, составляющие предмет теории теплопередачи.

Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении и имеющими различные температуры. При этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения, их перемещения не происходит. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких слоях жидкостей и газов.

Конвекцией называют процесс переноса тепла вследствие движения или перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловым излучением или лучистым теплообменом называется процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн, сопровождающийся превращением тепловой энергии в лучистую и обратно из лучистой в тепловую. Этот вид теплообмена возможен между телами любого агрегатного состояния как удаленными друг от друга, так и соприкасающимися.

На практике перечисленные способы теплообмена редко встречаются в обособленном виде. Чаще всего приходится иметь дело с сочетанием двух или даже всех трех способов при их последовательном или одновременном действии, т. е. происходит сложный теплообмен.

Условимся в дальнейшем различать два случая теплообмена: теплоотдачу и теплопередачу.

Теплоотдачей называют процесс теплообмена между твердым телом (напр. стенкой аппарата) и соприкасающейся с ней жидкостью или газом.

Теплопередачей наз. теплообмен м/у средами (жидкостями, газами, м/у жидкостью и газом) через разделяющую стенку.

Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени наз. тепловой нагрузкой или тепловым потоком Q.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности от одного тела к другому, наз. удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока.

; .

Основная характеристика любого теплового процесса – количество передаваемого тепла: от этой величины зависят размеры теплообменных аппаратов. Основным размером теплообменного аппарата является теплопередающая поверхность (поверхность теплообмена).

Расчет теплообменной аппаратуры сводится к:

1. определение теплового потока путем составления и решения тепловых балансов.

2. определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. F находят из основного уравнения теплопередачи.

Тепловой баланс

Основные понятия

Температура – это степень нагретости тела. Существует несколько температурных шкал: фаренгейта, Реомюра, Цельсия и Кельвина.

Кипение воды – 212 ⁰F, 80 ⁰R, 100 ⁰С, 373 ⁰К

Таяние льда – 32 ⁰F, 0 ⁰R, 0 ⁰С, 273 ⁰К (- 273 ⁰С, 0 ⁰К)

Температура в ⁰С – t, в ⁰К – T

T = (273 + t) ⁰К.

Разность температур выражается в К.

t₁ = 20 ⁰C; t₂ = 2 ⁰C; ∆t = 20 – 2 = 18 К.

Теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо подвести к 1 кг или 1 кмолю или 1 м³ вещества для нагревания его на 1 ⁰С или 1 К.

В основном пользуются удельной теплоемкостью С.

Теплота физических превращений – (т. е. теплота испарения и конденсации), это количество тепла, которое выдерживается или поглощается 1 кг или 1 кмолем или 1 м³ вещества при изменении агрегатного состояния при данной температуре или данном давлении.

r – удельная теплота парообразования, конденсации или конденсации

Теплосодержание (энтальпия) – это количество тепла, которое содержит в себе 1 кг, 1 кмоль или 1 м³ вещества при данной температуре или данном давлении.

; c, r, i – величины справочные.

При теплообмене происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя.

I. Внешний метод составления теплового баланса

G, g – соот-но количества горячего и хол. т/нос.

I₁, i₁ – начальная энтальпии гор. и хол.

I₂, i₂ – конечные энтальпии гор. и хол.

Согласно закона сохранения энергии

- приход тепла = расходу.

или можно записать

- количество тепла отданного гор. т/нос-ем.

- количество тепла, сообщенного хол. теплоносителю.

Без учета потерь

Внутренний метод составления теплового баланса энтальпию представляет через

Можно выделить 2 случаяпри составлении теплового баланса.

§ нагревание, охлаждение (т. е. без изменения агрегатного состояния вещества).

§ конденсация, испарение – т. е. с изменением агрегатного состояния вещества.

1. без изменения агрегатного состояния вещества

Отметить: Горячий т/носитель – с индексом «1», холодный, тот, что принимает – с инд. «2»

Q = Q₁ = Q₂.

G₁, G₂ – количество сред, кг/с

t_н, t_н2, t_к, t_к2 – температуры сред, ⁰С.

С₁, С₂ – уд. теплоемкости сред, определяют при Q₁ = G₁(I₁ – I₂) = G₁C₁(t_н1 – t_к1) и Q₂ = G₂(i₂ – i₁) = G₂C₂(t_к2 – t_н2).

Таким образом, при нагревании и охлаждении тепловую нагрузку считают

2. при изменении агрегатного состояния – особенностью таких процессов теплообмена заключается в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре (т. к. процессы конденсации, испарения, плавления или кристаллизации протекают при постоянной температуре).

D – количество пара, кг/с

I, i – теплосодержание пара и конденсата, Дж/кг

Q = Dr

Величины I, i_конд, r находят по табл. 56 и 57 П. Р. по t или P_пара (абсолютному).

Вывод:

Основное уравнение теплопередачи

Связь между количеством передаваемого в аппарате тепла и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим уравнением переноса тепла.

Количество тепла передаваемого от одного теплоносителя к другому пропорционально температурному напору, поверхности теплообмена и времени.

Для установившихся процессов

не зависит от ( = соnst).

Для протекания любого теплового процесса необходимо наличие разности температур.

Движущей силой процесса теплопередачи является разность температур м/у горячим и холодным теплоносителем t.

t – тепловой напор, чем выше t, тем выше скорость передачи тепла.

К – коэффициент теплопередачи – количество тепла передаваемого через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре равном единице.

[К = Вт/м²∙К].

В реальных процессах при движении сред t меняется по длине, поэтому в уравнение теплопередачи входит величина t_ср – средняя разность температур.

Определение средней движущей силы

Движущая сила теплового процесса – разница температур. Поскольку движущая сила меняется вдоль поверхности т/обмена, то в расчетах используют среднюю разность температур. Средняя разность температур зависит от направления движения сред: прямоток, противоток, перекрестный ток или смешанный ток.

Прямоток – параллельное однонаправленное движение ( ).

Противоток – параллельное встречное движение ( ).

Перекрестный ток – движение во взаимно перпендикулярном направлении (

)Смешанные токи – один или оба теплоносителя совершают несколько ходов в аппарате, омывая часть поверхности по схеме прямотока, а другую – по схеме противотока или перекрестного тока.

1.Для прямотока и противотока

и - max и min разность температур на концах теплоносителей.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Если в твердом теле, неподвижной жидкости или газе температура в различных точках неодинакова, то, как показывает опыт, тепло самопроизвольно переносится от участков тела с более высокой температурой к участкам с более

низкой температурой. Такой процесс наз. теплопроводностью. Внутренний механизм явления теплопроводности объясняется на основе молекулярно-кинетических представлений. Перенос энергии (тепла) осуществляется вследствие теплового движения или энергетического взаимодействия между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами), из которых состоит данное тело.

Закон Фурье

На основании опытного изучения процесса распространения тепла в твердых телах Фурье установил основной закон теплопроводности, который гласит:

Количество тепла, передаваемое теплопроводностью через элементарную поверхность перпендикулярную тепловому потоку, за единицу времени прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности и времени .

(-) указывает на убыль температуры в направлении переноса тепла, а поскольку , то

коэффициент теплопроводности, размерность , показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при температурном градиенте равном 1.

Величина , характеризует способность тел проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры, давления и некоторых других факторов.

При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы, худшими – газы.

<11 12 13 141516 17 >

Дата добавления: 2017-08-01; просмотров: 6906;