Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения





НазваниеОсновы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения
страница1/6
Дата публикации20.07.2013
Размер0.69 Mb.
ТипЛекция
100-bal.ru > Математика > Лекция
  1   2   3   4   5   6

Тепловые процессы

Лекция № 26.

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ

1. Общие сведения

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого — возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача — наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение — это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим, обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

  1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т. е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 ч, в периодически действующих — за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

  2. Определение поверхности теплообмена F аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла — теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

2. Тепловые балансы

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем (Q1), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q2), и некоторая относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду (Qп). Величина Qп в теплообменных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3—5% полезно используемого тепла. Поэтому в расчетах ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

Q=Q1=Q2

где Q – тепловая нагрузка аппарата.

Пусть массовый расход более нагретого теплоносителя составляет G1 его энтальпия на входе в аппарат I1H и на выходе из аппарата I1K . Соответственно расход более холодного теплоносителя — G2, его начальная энтальпия I2H и конечная энтальпия I2K . Тогда уравнение теплового баланса

Q=G1(I1H-I1K)=G2(I2K-I2H) (1)

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости с на температуру t :

I1H=c1Ht1H I1K=c1Kt1K

I2K=c2Kt2K I2H=c2Ht2H

Величины с и с представляют собой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 до t1H (на входе в аппарат) и до t1K (на выходе из аппарата) соответственно. Величины с и с — средние удельные теплоемкости более холодного теплоносителя в пределах 0—t2H и 0—t2K соответственно. В первом приближении вместо средних удельных теплоемкостей в выражения энтальпий могут быть подставлены истинные удельные теплоемкости, отвечающие среднеарифметической температуре, например t/2, при изменении температур от 0 до t.

В технических расчетах энтальпии часто, не рассчитывают, а находят их значения при данной температуре из тепловых и энтропийных диаграмм или из справочных таблиц.

Если теплообмен протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся при физическом или химическом превращении. Так, при конденсации насыщенного пара, являющегося греющим агентом, величина I1H в уравнении (1) представляет собой энтальпию поступающего в аппарат пара, а I1K — энтальпию удаляемого парового конденсата.

В случае использования перегретого пара его энтальпия I1H складывается из тепла, отдаваемого паром при охлаждении от температуры tП до температуры насыщения tНАС , тепла конденсации пара и тепла, выделяющегося при охлаждении конденсата:

Q=G(I-I1K)=GсП(tП-tНАС)+Gr+GcK(tНАС-tK) (2)

где r — удельная теплота конденсации, дж/кг; сП и cK — удельные теплоемкости пара и конденсата, дж/(кг*град); tK — температура конденсата на выходе из аппарата.

При обогреве насыщенным паром, если конденсат не охлаждается, т. е tK = tП = tНАС, первый и третий члены правой части уравнения (2) из теплового баланса исключаются.

Произведение расхода теплоносителя G на его среднюю удельную теплоемкость с условно называется водяным эквивалентом W. Численное значение W определяет массу воды, которая по своей тепловой емкости эквивалентно количеству тепла, необходимому для нагревания данного теплоносителя на 1 °С, при заданном его расходе. Поэтому если теплоемкости обменивающихся теплом жидкостей (с1 и с2) можно считать не зависящими от температуры, то уравнение теплового баланса (1) принимает вид

Q=G1c1(t1H-t2K)=G2c2(t2K-t2H) (3)

или

Q=W1(t1H-t1K)=W2(t2K-t2H) (3a)

где W1 n W2 — водяные эквиваленты нагретого и холодного теплоносителя соответственно.

3. Основное уравнение теплопередачи

Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком Q' и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:

Q’=KFtСР (4)

где K — коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; tСР — средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор; — время.

Согласно уравнению (4), количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору tСР и времени .

Для непрерывных процессов теплообмена уравнение теплопередачи имеет вид

Q=Q’/ =KFtСР (5)

Из уравнения (4) вытекают единица измерения и физический смысл коэффициента теплопередачи. Так, при F = 1 м2, tСР = 1 град и = 1 сек



или при выражении Q' в ккал/ч



Таким образом, коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в дж) переходит в 1 сек от более нагретого к более холодному теплоносителю через поверхность теплообмена 1 мг при средней разности температур между теплоносителями, равной 1 град.

Средний температурный напор зависит от характера изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

4. Температурное поле и температурный градиент

К числу основных задач теории теплообмена относится установление зависимости, между тепловым потоком и распределением температур в средах. Как известно, совокупность мгновенных значений любой величины во всех точках данной среды (тела) называется полем этой величины. Соответственно совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем.

В наиболее общем случае температура в данной точке t зависит от координат точки (х, у, z) и изменяется во времени , т. е. температурное поле выражается функцией вида

(6)

Эта зависимость представляет собой уравнение неустановившегося (нестационарного) температурного поля.

В частном случае температура является функцией только пространственных координат

(6а)

и температурное поле — установившимся (стационарным ),

В отличие от температуры, которая является скаляром, тепловой поток, связанный с направлением переноса тепла, представляет собой векторную величину.

Если рассечь тело плоскостью и соединить точки, лежащие в этой плоскости и имеющие одинаковые температуры, то получим линии постоянных температур (изотермы). В пространстве геометрическое место точек с одинаковыми температурами представляет собой изотермическую поверхность. Такие поверхности никогда не пересекаются
между собой, так как в противном случае в точке их пересечения температура в данный момент времени имела бы два различных значения, что невозможно.

Пусть разность температур между двумя близлежащими изотермическими поверхностями составляет t (рис. 1).

c:\users\илья\desktop\картинки пахт\26\1.jpg

Рис 1. К определению температурного градиента к выражению закона Фурье.

Кратчайшим расстоянием между этими поверхностями является расстояние по нормали . При

сближении указанных поверхностей отношение t /n стремится к пределу

(7)

Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом. Этот градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Значение температурного градиента определяет наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.

Поток тепла может возникнуть только при условии, что температурный градиент, не равен нулю (grad t 0). Перемещение тепла всегда происходит по линии температурного градиента, но направлено в сторону, противоположную этому градиенту. Таким образом, перенос тепла происходит в направлении падения температуры и пропорционален температурному градиенту с обратным знаком, т. е. количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени .

5. Передача тепла теплопроводностью

Закон Фурье. Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье, согласно которому количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени :

(8)

или количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени

(9)

Величина q называется плотностью теплового потока.

Знак минус, стоящий перед правой частью уравнений (8) и (9), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры.

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности. Согласно уравнению (8)



При выражении Q в ккал/ч



Таким образом, коэффициент теплопроводности показывает, каков количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина , характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов.

При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими — газы. Так, ориентировочные значения вт/(м*град) и ккал/(м*ч*град)] для металлов при 0 составляют: для чистой меди — 394 (340); для углеродистой стали Ст.З — 52 (45); для легированной стали Х18Н9Т— 25,5 (22).

Для воздуха при 0 0,027 вт/(м*град) или 0,023 ккал/м*ч*град).

Примерные значения вт/(м*град) и в ккал/(м*ч*град)] для жидкостей, газов и теплоизоляционных материалов приведены ниже:

Капельные жидкости ………………………. 0,1—0,7 (0,09—0,6)

Газы ……………………………………………………. 0,006—0,165 (0,005—0,15)

Теплоизоляционные материалы ……. 0,006—0,175 (0,005—0,16)

Низкая теплопроводность теплоизоляционных и многих строительных материалов объясняется тем, что они имеют пористую структуру, причем в их ячейках заключен воздух, плохо проводящий тепло. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и незначительно изменяются с изменением давления. Для большинства жидкостей значения , наоборот, уменьшаются при увеличении температуры. Исключение составляет вода, коэффициент теплопроводности которой несколько возрастает с повышением температуры до 130 и при дальнейшем ее увеличении начинает снижаться. Для большинства металлов коэффициенты теплопроводности уменьшаются с возрастанием температуры. Значения резко снижаются при наличии в металлах примесей.

Следует отметить, что при определении количества тепла, передаваемого через слой газа или капельной жидкости вследствие теплопроводности, часто бывает необходимо учитывать влияние также конвекции и излучения, которые сопутствуют теплопроводности.
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconТематическое планирование по физике 8 класс
Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconРефератов. Физика 8 класс № Тема Фамилия Имя
Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconПрограмма по формированию навыков безопасного поведения на дорогах...
Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщие сведения ”. Основные вопросы: Назначение, запуск, интерфейс модуля “
Модуль “Общие сведения” содержит базовую информацию об образовательном учреждении, обеспечивая основу для создания адресных отчетов,...
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconПрограмма по формированию навыков безопасного поведения на дорогах...
...
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconРеферат на тему «Виды теплопередачи»
Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопроводностью....
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщеобразовательная программа «от рождения до школы» муниципального...
Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения...
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОтчет о результатах самообследования деятельности образовательного...
Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104»
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОтчет о результатах самообследования деятельности образовательного...
Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104»
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconПрограмма по формированию навыков безопасного поведения на дорогах...
Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения...
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconПубличный отчет директора за 2012-2013 уч. Год москва, 2013 г. Общие...
Общие сведения о гбоу кадетской школе-интернате №7 «Московский казачий кадетский корпус» им. М. А. Шолохова
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconПрограммы вид работы (краткая инструкция) форма и метод контроля...
Общие сведения об электрической связи: история развития связи; Понятие информация и звук; Системы передачи информации: передача информации...
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщие сведения по основной профессиональной образовательной программе...
Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщие сведения по основной профессиональной образовательной программе...
Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщие сведения по основной профессиональной образовательной программе...
Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников
Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения iconОбщие сведения об образовательном учреждении 3



Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
100-bal.ru
Поиск