Вязкость жидкостей. Виды передачи тепла от одного тела к другому

Сопоставить случаи применения барабанного вакуум-фильтра и фильтр-пресса. В каких случаях применяют барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью, а в какой - с наружной?

Фильтр-пресс - это периодически действующее устройство для разделения дисперсных систем, содержащих жидкую и твердую фазы - суспензий, шламов - путем создания гидравлического давления фильтруемой субстанции на статическую фильтровальную перегородку внутри набора замкнутых, жестко ограниченных фильтровальных камер с помощью подающего насоса. При этом твердая фаза задерживается внутри камер (образуется так называемый “кек”), а жидкая фаза (фильтрат), проникая сквозь фильтровальные перегородки, вытекает через отводные каналы.

Фильтр-прессы - одни из самых универсальных и простых конструкций фильтров периодического действия. Они наиболее пригодны для разделения небольших количеств разнообразных суспензий в тех случаях, когда требуется получить достаточно обезвоженный осадок.

Из фильтров непрерывного действия наиболее универсальными являются барабанные вакуум-фильтры, пригодные для одновременного полуения хорошо промытого и высушенного осадка и концентрированного фильтрата.

Вакуумными фильтрами называются фильтры, в которых отфильтрованная жидкость поступает в зону, находящуюся под давлением ниже атмосферного. В зоне, где находится исходная суспензия, давление соответствует атмосферному и поэтому работа вакуумных фильтров ограничена максимальной разностью давления в 0,1 МПа.

Поскольку исходная суспензия находится в ванне фильтра под атмосферным давлением, ее можно подавать насосом с небольшим давлением или под действием силы тяжести. Фильтрат же должен передаваться из зоны с давлением ниже атмосферного в приемник, находящийся под атмосферным давлением. Для этой операции используется насос или барометрическая труба. На вакуум-фильтрах не рекомендуется разделять суспензии, жидкая фаза которых представляет собой высококонцентрированные растворы солей, кристаллизующихся при прохождении фильтрующей перегородки и забивающих ее поры. Не подлежат обработке на вакуумных фильтрах (за исключением специальных конструкций) легколетучие и огне-взрывоопасные суспензии.

Барабанные вакуум-фильтры общего назначения с наружной фильтрующей поверхностью наиболее просты и надежны в эксплуатации. Фильтры предназначены для разделения суспензий с частицами твердой фазы более или менее однородной дисперсности и с невысокой.скоростью осаждения.

Ограничением применения барабанного фильтра с наружной фильтрующей поверхностью является быстрое осаждение грубой фракции или всей твердой фазы суспензии (со скоростью >18 мм/с). Для предотвращения смывания осадка с поверхности барабана мешалка перемещается в ванне фильтра с небольшой скоростью. Поэтому, если грубые частицы суспензии оседают на дно и суспензия в ванне по мере фильтрования сгущается, то постепенно нарушается нормальная работа фильтра.

Другое ограничение применения барабанного вакуум-фильтра-- недостаточная скорость фильтрования суспензии. Скорость вращения барабана фильтров общего назначения можно регулировать в пределах 0,1--2 об/мин. При угле фильтрования 135° максимальное время фильтрования 3,75 мин, а при угле 100° -- 2,8 мин. Если скорость фильтрования низка и за это время образуется слой осадка толщиной менее 5 мм, то он плохо отдувается от ткани (воздух прорывается через тонкий слой осадка или трещины в нем), не снимается ножом и замазывает ткань. Кроме того, при разделении малоконцентрированных суспензий, содержащих высокодисперсные твердые частицы, происходит быстрое закупоривание пор фильтрующей перегородки. В результате производительность снижается и в конце концов становится настолько низкой, что применение фильтра не рентабельно.

Помимо барабанных вакуум-фильтров общего назначения имеется много специализированных конструкций. Так, для фильтрования суспензий со значительной скоростью осаждения твердой фазы (более 18 мм/с) применяют барабанные вакуум-фильтры с верхней подачей суспензии или с внутренней фильтрующей поверхностью.

Барабанные вакуум-фильтры с верхней подачей суспензии имеют устройство, обеспечивающее размещение зоны фильтрования на верхней, относительно небольшой части поверхности барабана.

Барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью представляют собой горизонтальный цилиндр (барабан), закрытый с одной стороны сплошной стенкой, а с другой -- кольцевым бортом. Внутренняя поверхность барабана имеет ячейки, покрытые фильтровальной тканью. Суспензия заливается внутрь барабана и заполняет его нижнюю часть до уровня, соответствующего высоте кольцевого борта. При вращении барабана на каждой ячейке последовательно протекают операции фильтрования и просушки осадка воздухом. Промывка осадка не проводится. В верхней части барабана осадок отдувается воздухом и падает на транспортер или другое устройство для его удаления. Ткань регенерируется продуваемым через нее воздухом или паром.

Перечислите виды центрифуг

Центрифуги классифицируют: по величине фактора разделения; по физической сущности процесса - осадительные и фильтрующие; по характеру работы - периодические и непрерывные; по расположению ротора; по способу выгрузки осадка.

По фактору разделения промышленные центрифуги условно делят на: нормальные центрифуги с фактором разделения Фр<3500; скоростные или сверхцентрифуги с фактором разделения Фр> 3500.

По способу выгрузки осадка из барабана различают центрифуги с выгрузкой ручной, гравитационной, шнековой, ножами и скребками, пульсирующими поршнями и др.

По конструкции опор и расположению оси барабана центрифуги делят на подвесные вертикальные (на колонках), вертикальные стоячие (с подпертым валом), горизонтальные, наклонные

По организации процесса разделяют периодически и непрерывно действующие центрифуги К доле максимально распространенных периодически функционирующих центрифуг относятся центрифуги, подвешенные на трех колонках (трехколонные), и подвесные центрифуги с верхней опорой.

Отлично показали себя в промышленности автоматические подвесные центрифуги с нижней выгрузкой осадка, данные установки различаются стабильностью и некоторой свободой колебаний барабана, а также относительно свободной и быстрой выгрузкой осадка.

Написать уравнение для расчета мощности на перемешивание жидкостей мешалками. Критериальная форма записи этого уравнения. Перечислить области применения для перемешивания лопастных, пропеллерных, турбинных, якорных и ленточных мешалок, а также сжатого воздуха.

Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу.

Задача внешнего обтекания тел в условиях перемешивания может быть решена с помощью уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока. Для решения этой задачи используют теорию подобия. Для вынужденного стационарного движения жидкости обобщённое уравнение гидродинамики имеет вид

Eu = f (Frм, Reм, Г1, Г2, …)

где: Eu - критерий Эйлера; Frм - критерий Фруда; Reм - критерий Рейнольдса,

Г1, Г2, - симплексы геометрического подобия.

,

где n - число оборотов мешалки в единицу времени (частота вращения); d - диаметр мешалки.

При использовании диаметра мешалки d, как определяющего линейный размер:

; ;

Мощность на валу мешалки N пропорциональна силе Р, приложенной к валу мешалки с окружной скоростью щокр, т.е.

где S пропорциональна d2.

Подставив Др в выражение для Euм, получим:

Критерий Euм, выраженный в таком виде, называют критерием мощности и обозначают через KN.

Критериальное уравнение для мешалки принимает вид

KN = f(Reм Frм, Г 1, Г2, …)

Или

KN = AReмmFrмn Г1pГ2q

Численные значения коэффициентов A, n, m, p, q для подобных мешалок устанавливают экспериментально. В специальной литературе приведены значения этих коэффициентов для наиболее распространённых типов мешалок

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу. К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые. Основные достоинства лопастных мешалок -- простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 103 мН• сек/м2.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 104 мН•сек/м2, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные мешалки. Они имеют форму, соответствующую внутренней форме аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений,

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер - устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки, который может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рейнольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов К достоинствам пропеллерных мешалок следует отнести также относительно высокую скорость вращения и возможность непосредственного присоединения мешалки к электродвигателю, что приводит к уменьшению механических потерь.

Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды и, как следствие этого, ? большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Вместе с тем пропеллерные мешалки отличаются сложностью конструкции и сравнительно высокой стоимостью изготовления. Их эффективность сильно зависит от формы аппарата и расположения в нем мешалки. Пропеллерные мешалки следует применять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При установке их в прямоугольных баках или аппаратах с плоскими или вогнутыми днищами интенсивность перемешивания падает вследствие образования застойных зон.

Для жидкостей с особо высокими вязкостями (до 100 Па·с, т.е. 105 сП) и при больших объемах применяются ленточные мешалки. Такие мешалки обычно имеют две спирали (наружную и внутреннюю) с противоположным углом наклона винтовой линии, что создает осевую циркуляцию жидкости в аппарате. Работать эти мешалки могут как в вертикальных, так и в горизонтальных аппаратах.

Турбинные мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу. В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Закрытые турбинные мешалки в отличие от открытых создают более четко выраженный радиальный поток. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плоским лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших значениях отношения высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки. Мощность, потребляемая турбинными мешалками, работающими в аппаратах с отражательными перегородками, при турбулентном режиме перемешивания практически не зависит от вязкости среды. Поэтому мешалки этого типа могут применяться для смесей, вязкость которых во время перемешивания изменяется.

Турбинные мешалки широко применяют для образования взвесей (размер частиц для закрытых мешалок может достигать 25 мм, растворения, абсорбции газов и интенсификации теплообмена. Для перемешивания в больших объемах (например, при гомогенизации жидкостей в хранилищах, объем которых достигает 2500 м3 и более) турбинные мешалки менее пригодны, чем пропеллерные мешалки

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами -- барботером или центральной циркуляционной трубой.

Перечислите гидравлическое оборудование, которое есть на вашем участке.

На рабочем участке находится насос марки Д для перекачивания воды и жидкостей аналогичных по химической активности, t до 850С, вязкостью до 36 сСт, допускается содержание твердых включений размером до 0.2 мм и не более 0.05% по массе. Применяются подобные насосы в промышленном городском и сельском водоснабжении, в т.ч. орошении и осушении полей, а также в других отраслях промышленности. Основные характеристики насоса: Q=100-200 м3/ч; H=20-125 м; N=15-625 кВт

Приточно-вытяжная многофункциональная вентиляционная установка "КЛИМАТ" предназначена для выполнения следующих функций:

-Подача в обслуживаемые помещения свежего приточного воздуха без рециркуляции (смешения с вытяжным воздухом);

-Удаление из обслуживаемых помещений отработанного воздуха;

-Очистка приточного воздуха от пыли и аэрозолей (в зависимости от класса используемых фильтров степень фильтрации может составлять от EU-3 до EU-7);

-Охлаждение приточного воздуха с помощью встроенного реверсивного теплового насоса;

-Осушение приточного воздуха;

Конструктивно установка представляет собой приточно-вытяжной вентиляционный агрегат, состоящий из трёх блоков. Внутри установки в полностью изолированных приточном и вытяжном каналах размещены радиальные вентиляторы, фильтры, блок реверсивного теплового насоса, ротора-рекуператора и система автоматики.

Реверсивный тепловой насос представляет собой заправленный в заводских условиях и замкнутый внутри установки фреоновый контур с установленными в приточном и вытяжном каналах медно-алюминиевыми пластинчатыми теплообменниками.

При работе установки в режиме охлаждения теплообменник в приточном канале является испарителем и охлаждает приточный воздух, а теплообменник-конденсатор охлаждается удаляемым из помещения воздухом.



Технические характеристики

Наименование характеристики	"Климат-6000"Модель 111
Производительность по подаче и забору приточного воздуха, мі/час: -максимальная -минимальная	6000 - "лето" 5000 - "зима" 2800
Выходная мощность, кВт: -охлаждения приточного воздуха 32єС; 40%; энт 62,5 кДж/кг (температура вытяжного воздуха 28єС)	24
Потребляемая мощность: -охлаждения приточного воздуха, кВт; -догрева приточного воздуха ротором, кВт -вентиляторы	11,2 0,09 5.4
Коэффициент хладопроизводительности	3,3... 4,2
Рабочий ток (3 ф), А: -компрессоры; -вентиляторы -Ротор	11,0 6,8 0,36
Режим управления	Авто
Температурный контроль	Микрокомпьютер
Электропитание	380V3/3~/50Hz+N+PE
Хладоген (R-22А), г	6800
Габаритные размеры блоков установки, мм Блок левый Блок средний Блок правый	1106 х 1064 х 1702 1064 х 890 х 1702 752 х 1260 х 1702
Присоединительные размеры, мм: -приток -вытяжка	500 х 800 1000 х 715
Направление потока	< >
Масса установки без дополнительных блоков НЕТТО, кг Блок левый Блок средний Блок правый	. 150 280 210
БРУТТО, кг Блок левый Блок средний Блок правый	250 400 310

Расчетные задачи

(Задача №2) Манометр на трубопроводе, заполненном жидкостью, показывает давление 0,18 кгс/см2. на какую высоту h над точкой присоединения манометра поднимается в открытом пьезометре жидкость, находящаяся в трубопроводе. Если эта жидкость: а) вода; б) четыреххлористый углерод.

Решение: Высота уровня жидкости в резервуаре (трубопроводе) над точкой присоединения манометра определяется уравнением:

По условию: р-р0=0,18 кгс/см2=0,18•104•9,81 Па

Плотность воды св=1000 кг/м3

Плотность четыреххлористого углерода (ССl4) сССl4=1630 кг/м3

Отсюда для воды:

Для ССl4:

(Задача №15) По горизонтальному трубопроводу с внутренним диаметром 200 мм протекает минеральное масло относительной плотностью 0,9. в трубопроводе установлена диафрагма с острыми краями (коэффициент расхода 0,61). Диаметр отверстия диафрагмы 76 мм. Ртутный дифманометр, присоединенный к диафрагме, показывает разность уровней 102 мм. Определить скорость масла в трубопроводе и расход его. Решение: объемный расход жидкости, измеряемый дифманометром можно определить по формуле:

,

где б=0,61 - коэффициент расхода диафрагмы в гладком трубопроводе; k - поправочный коэффициент (принимаем k=1); f0=0,785d02 - площадь отверстия диафрагмы, м2; d0=76 мм=0,076 м - диаметр отверстия диафрагмы, м; Н=102 мм=0,102 м - разность уровней жидкости в дифманометре, м; см - плотность жидкости (ртути) в дифманометре (сНg=13600 кг/м3); с - плотность жидкости, протекающей по трубопроводу с=0,91•1000=910 кг/м3

Скорость жидкости в трубопроводе:

Отсутствует условие задач № 30, 43

(Задача №50) При испытании центробежного вентилятора n=1440 об/мин получены следующие данные:

Q	м3/ч	100	350	700	1000	1600	2000
ДР	Па	449	424	432	427	387	316
	мм вод.ст.	45,8	43,2	44,0	43,5	39,5	32,2



Сколько воздуха будет подавать вентилятор при работе не некоторую сеть (с той же частотой вращения, что и при испытании), у которой при расходе 13500 м3/ч (ДРск+ДРтр+ДРмс) составляет 167 Па, ДРдоп=128 Па

Решение: Необходимо найти рабочую точку на пересечении характеристик вентилятора и сети. Характеристика сети выражается параболой с уравнением:

аQ2= (ДРск+ДРтр+ДРмс)•Q2

b=ДРдоп

расчеты сведем в таблицу

Q, м3/ч	а•Q2	ДР
		Па	мм вод. ст.
13500	2740,65	26712,28	2724,65
10000	1503,78	14714,71	1500,90
2000	60,15	711,47	72,57
1600	38,50	501,42	51,14
1200	21,65	338,05	34,48
800	9,62	221,35	22,58
400	2,41	151,34	15,44
0	0,00	128,00	13,06

Строим график по полученным значениям для вентилятора и сети по вычисленным точкам.



Рис. 5

Точка пересечения обеих характеристик показывает, что при работе на заданную сеть вентилятор будет подавать 1384,2 м3/ч воздуха.

(Задача №59) Бак диаметром 900 мм и высотой 1100 мм, снабженный мешалкой, заполнен на ѕ цилиндровым маслом (с=930 кг/м3, м=18 Па•с). Какой мощности надо установить электродвигатель для трехлопастной пропеллерной мешалки с частотой вращения 180 об/мин?

Решение: Находим диаметр нормализованной мешалки:

Определяем режим перемешивания по формуле:

Режим - ламинарный. Определяем значение критерия мощности по графику (рис. VII [2]): КN=3,5

Рассчитываем мощность, потребляемую мешалкой при установившемся режиме, по уравнению:

Мощность в пусковой момент обычно в 2-3 раза превышает рабочую:

Nпуск=2,5•Nр=2,5•213,6=533,9 Вт

Установочная мощность, принимая к.п.д. электродвигателя с передачей з=0,95 и запас мощности в 20%:

Контрольная работа №2

Контрольные вопросы

Перечислите все виды передачи тепла от одного тела к другому. Физическая сущность их.

Теплообмен между телами может протекать самопроизвольно или с затратой механической работы. Тепло передается без затраты работы извне только от тел с высшей температурой к телам с низшей температурой. Это положение является основным для осуществления передачи тепла, так как согласно второму закону термодинамики переход тепла от тела с низкой температурой к телу, обладающему более высокой температурой, без затраты механической энергии невозможен.

В технологических процессах требуется или возможно лучшая теплопередача или, наоборот, возможно лучшее предохранение тел от теплообмена. К первому случаю относится передача тепла в нагревательных и холодильных устройствах, а ко второму - защита от потерь тепла или изоляция для предотвращения термического воздействия.

Переход тепла из одной части пространства в другую может происходить действием теплопроводности, излучением и конвенцией.

Теплопроводность. Этот вид теплообмена возможен в условиях тесного соприкосновения между отдельными частицами тела и заключается в том, что тепловая энергия распространяется внутри тела от одной частицы к другой, соседней, находящейся в непосредственной близости, вследствие их колебательного движения. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при колебательном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии и таким образом тепловая энергия распространяется по всему телу. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не наступит полное равенство температуры во всем теле.

Тепловое излучение. При теплообмене излучением тепло распространяется в виде лучистой энергии, которая распространяется в пространстве, и в каком либо другом месте полностью или частично превращается вновь в тепловую энергию.

Конвенция. Под конвенцией понимают перенос тепла частицами капельных жидкостей и газов путем их перемещения из одной части пространства в другую. Это происходит при движении капельных жидкостей и газов, которое возникает либо вследствие различия удельных весов в разных точках их объема (из-за неравномерности температур в нем), либо в результате механических воздействий извне.

Различают естественную конвекцию, или свободное движение жидкости, и конвекцию принудительную, или вынужденное движение. Под принудительной конвекцией понимают движение жидкости, обусловленное приложением внешней механической энергии, например перемещение жидкости с помощью насоса, мешалки и т.п. Под естественной конвекцией понимают движение жидкости, обусловленное разностью ее удельных объемов в различных точках и возникающее при неодинаковой температуре в этих точках.

Практически все виды теплообмена редко наблюдаются раздельно; в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются одновременно.

Написать уравнение теплопроводности через плоскую и цилиндрическую стенки.

Уравнение теплопроводности плоской стенки при установившемся состоянии процесса теплообмена

жидкость вязкость теплопроводность излучение

,

где л-теплопроводность материала стенки в ккал/м·час·°С;

- разность температур наружных поверхностей стенки в·°С; F - поверхность стенки в м2; ф - время в час.

Если стенка составлена из n слоев, отличающихся друг от друга теплопроводностью и толщиной, то уравнение принимает вид:

,

где i - порядковый номер слоя стенки, n - число слоев

Теплопроводность цилиндрической стенки при установившемся тепловом потоке:

,



где л-теплопроводность материала стенки; L - длина стенки; rв - внутренний радиус стенки; rн - наружный радиус стенки;

Для n-слойной цилиндрической стенки можно написать:

,

где i - порядковый номер слоя стенки.

Написать уравнение передачи тепла конвекцией (теплоотдачей) в общем виде, объяснить физический смысл составляющих переменных и провести сравнение его с уравнением теплопроводности.

Вследствие сложности точного расчета теплоотдачи ее определяют по упрощенному закону. В качестве основного закона теплоотдачи принимают закон охлаждения Ньютона, по которому количество тепла dQ, отданное элементом поверхности тела dF с температурой tст в окружающую среду с температурой tж за время dф прямо пропорционально разности температур (tст-tж) и величинами dF и dф:

dQ=б(tст-tж) dF dф,

а при установившемся состоянии процесса теплоотдачи, когда температура жидкости и стенки остаются неизменными:

Q=б(tст-tж)•F•ф ккал,

Где б - коэффициент пропорциональности, который определяется опытным путем; его называют коэффициентом теплоотдачи.

При:

F=1 м2; ф=1 ч; tст-tж=1є

Получаем:

Q=б,

То есть коэффициент теплоотдачи б показывает, какое количество тепла отдает стенка с поверхностью 1 м2 в окружающую среду (или, наоборот, воспринимает от окружающей среды) за время 1 час при разности 1є. Величина коэффициента теплоотдачи б зависит от большого числа факторов и является функцией нескольких переменных. В первую очередь величину коэффициента теплоотдачи обуславливают следующие факторы:

- род жидкости (газ, пар, капельная жидкость);

- характер течения жидкости (вынужденное или свободное течение);

- форма стенки (линейные размеры, L, d);

- состояние и свойства жидкости (температура tж, давление р, плотность с или удельный вес г, теплоемкость с, теплопроводность л, вязкость м);

- параметры движения (скорость щ);

- температура стенки tст.

Таким образом:

б=f(L, d,…, tж, с, р, с, л, м, щ, tст)

Зависимость коэффициента теплоотдачи от большого числа факторов не позволяет дать общую формулу для его определения и в каждом частном случае необходимо прибегать к опытным исследованиям. В связи с этим изучение процессов конвективного теплообмена проводят с применением метода подобия.

Уравнение теплопроводности, в отличие от уравнения теплоотдачи можно рассчитать без применения теории подобия и для коэффициента теплопередачи л=f(t) можно определить расчетным путем.

Написать уравнение теплопередачи, объяснить его физический смысл. Как выражается коэффициент теплопередачи через коэффициент теплоотдачи? Как рассчитывается средняя разность температур?

Среди процессов переноса тепла один из наиболее распространенных в инженерной практике является процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку (процесс теплопередачи). Тепловой поток от горячего теплоносителя с расходом G1 и начальной температурой t1 передается через стенку, толщиной дк холодному продукту в аппарате в количестве G2 и начальной температурой t2. Таким образом, процесс теплопередачи состоит из процесса теплоотдачи потока от горячего теплоносителя к поверхности стенки, процесса переноса тепла через стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю. В процессе передачи тепла на поверхности стенки устанавливаются температуры, равные tс1 и tс2. В обоих теплоносителях в слое, прилежащем к стенке, формируется тепловой пограничный слой, в котором температура жидкости переменна и изменяется от ее значения в ядре потока и до значения температур на поверхностях стенки. Плотность теплового потока в процессах теплоотдачи определяется по закону Ньютона-Рихмана:

q=б•(t-tс), Вт/м2

Тогда мощность теплового потока будет равна:

Q=q•F=б•(t-tс)•F, Вт

где F- площадь поверхности стенки, омываемая теплоносителями, м2. Коэффициент пропорциональности б, называемый коэффициентом теплоотдачи, характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. По физическому смыслу б численно равен количеству тепла в Дж, которое отдается теплоносителем к стенке или от стенки к теплоносителю при площади 1 м2, при разности температур между жидкостью и стенкой в 1 К за время 1 с. Отсюда следует, что единица измерения коэффициента теплоотдачи будет Дж/м2•К•с или Вт/м2•К. Выражение для теплового потока в процессе теплопередачи имеет вид (основное уравнение теплопередачи):

q=k•(t1-t2), Вт/м2

а для мощности теплового потока:

Q=q•F=k•(t1-t2)•F, Вт

Коэффициент пропорциональности k, называемый коэффициентом теплопередачи, характеризует интенсивность процесса передачи тепла. В свою очередь:

Из уравнения видно, что коэффициент теплопередачи тесно связан с величинами коэффициентов теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки. Конкретно, чем больше б1, б2,, и коэффициент теплопроводности материала стенки л, тем больше величина k и тем больше количество передаваемого тепла. Физический смысл коэффициента теплопередачи следующий: k численно равен количеству тепла, которое передается от одной жидкости к другой через стенку площадью 1 м2 при разности температур между теплоносителями в 1 К, за время 1 с. Поэтому единицей измерения м2 является Дж/м2•К•с или Вт/м2•К.

Величина разностей температур (t-tс) и (t1-t2) является движущей силой процессов теплопередачи или температурным напором. Если разность температур на входе в аппарат превышает разность на выходе не более чем в два раза, т.е. Дtб/Дtм?2 среднюю разность определяют как среднюю арифметическую:

Если разности температур отличаются более чем в два раза, т.е. Дtб/Дtм?2 среднюю разность определяют как среднюю логарифмическую:

Критерии теплового подобия, их физический смысл. Какой критерий является определяемым и какая величина рассчитывается из этого критерия?

Критерий Фурье Fо - соотношение между конвективным пеерносом теплоты и теплопроводностью. Критерий Фурье является аналогом критерия гомохромности Но и характеризует условия подобия неустановившихся процессов теплоотдачи:

,

где б - коэффициент теплоотдачи; ф - время; l - определяющий размер.

Критерий Пекле Ре характеризует соотношение между интенсивностью переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в движущем потоке:



,

где щ - скорость потока жидкости относительно поверхности теплообмена; l - характерный линейный размер поверхности теплообмена; б - коэффициент теплоотдачи; с - теплоемкость при постоянном давлении; с - плотность жидкости; л - коэффициент теплопроводности. Критерий Пекле часто представляют в виде произведения двух безразмерных комплексов:

Ре=Rе•Рr

Критерий Нуссельта Nu характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью (l - определяющий размер):

Поскольку коэффициент б в Nu в условия однозначности не входит, этот критерий является определяемым и может быть выражен через другие критерии:

Nu=f(Рr, Ре, Fr)

Или, когда явлением силы тяжести можно пренебречь (например при движении жидкостей по трубам) критерий Фруда может быть исключен:

Nu=f(Рr, Rе) или Nu=А•Rеm•Рrn

Критерий Архимеда Аr характеризует влияние на силу тяжести плотности потока при естественной конвекции

,

где g - ускорение свободного падения, l - определяющий размер; н - кинематический коэффициент вязкости; с - плотность.

Критерий Галилея Gа характеризует влияние сил тяжести и инерции при естественной конвекции

Критерий Грасгофа Gr показывает отношение сил вязкости к произведению подъемной силы, определяемой разностью плотностей в различных точках неизотермического потока и силы инерции. Критерий Грасгофа является аналогом критерия Фруда и определяющим критерием теплового подобия при естественной конвекции.

Критерий Прандтля Рr - мера постоянства соотношений физических свойств жидкостей (газов) в подобных потоках; мера подобия профилей скоростей и концентраций в процессах массоотдачи:

Перечислить и дать краткую характеристику способов нагревания и охлаждения. перечислить основные виды теплообменной аппаратуры.

Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание «острым» паром, т.е. паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость.

Нагревание насыщенным паром широко применяется в химической технологии.

При таком нагревании можно точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара; вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагревании, например, дымовыми газами.

Нагревание горячей водой применяют реже, чем водяным паром, что объясняется тем, что для нагрева необходимы пар или дымовые газы, причем вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, т.к. она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре.

Нагревание специальными теплоносителями. Для получения температур выше 180°С наиболее рационально использовать пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют органические теплоносители - дифенил и дифениловый эфир и др., а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества отдают тепло нагреваемому материалу через стенки аппарата.

Теплообменники:

- аппараты с рубашками.

- змеевиковые обменники

- двухтрубные теплообменники

- кожухотрубные теплообменники

- спиральные теплообменники

- теплообменники с двойными трубами

- теплообменники с ребристой поверхностью

Нагревание электрическим током производят в электрических печах. В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, дуговые и индукционные

Охлаждение и конденсация

охлаждение до обыкновенных температур

- охлаждение естественным путем вследствие отдачи тепла в окружающую среду.

- охлаждение путем самоиспарения

- охлаждение путем непосредственного введения льда и воды;

- охлаждение в поверхностных холодильниках;

2) конденсация паров

- в поверхностных конденсаторах

- в конденсаторах смешения

Прямоточное или противоточное направление теплоносителей в теплообменнике более целесообразно?. Ответ Обосновать.

Противоточные процессы имеют преимущества в сравнении с прямоточными. Помимо более равномерного распределения разности температур вдоль поверхности нагрева при противотоке достигается более полное использование горячего теплоносителя. При противотоке более холодный теплоноситель с той же начальной температурой, что и при прямотоке, может нагреться до более высокой температуры, близкой к начальной температуре более нагретого теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к некоторому уменьшению средней разности температур и соответственно - к увеличению потребной поверхности теплообмена при противотоке по сравнению с прямотоком. Однако экономический эффект, достигаемый вследствие уменьшения расхода теплоносителя при противотоке, превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров

Описать порядок расчета поверхности теплообменника.Типы конденсаторов смешения и принципы их работы.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют их основного уравнения теплопередачи:



F=Q/(KДtср)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей. Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, тепловую нагрузку вычисляют по уравнению:

Q=Gi·сi·[tiн-tiк], i=1,2;

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому при записи этих уравнений не учитывались.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

ti=(tiн+tiк)/2, i=1,2;

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей можно получить, используя среднюю разность температур:

ti=tj±Дtср,

где tj - среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена.

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:



Дtср=(Дtб-Дtм)/ln(Дtб/Дtм)

Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока

1/К=1/б1+дст/лст+rз1+rз2+1/б2,

где б1 и б2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей; лст - теплопроводность материала стенки; дст - толщина стенки; rз1, rз2 - термическое сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки.

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что Rн/Rв<2 (где Rн и Rв - наружный и внутренний радиусы цилиндра).

Однако на этой стадии расчета невозможно точное определение коэффициента теплопередачи, так как б1 и б2 зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата. Поэтому сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи приходится приближенно определить поверхность и выбрать конкретный вариант конструкции, а затем провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности.

Сопоставление ее с поверхностью выбранного нормализованного варианта теплообменника дает ответ на вопрос о пригодности выбранного варианта для заданной технологической задачи.

Типы конденсаторов смешения и принципы их работы. В конденсаторах смешения пар и охлаждающая вода смешиваются путем впрыскивания воды в паровое пространство; при этом пар отдает скрытое тепло холодной воде, нагревает ее и конденсируется. Конденсаторы смешения могут применяться только для сжижения паров воды и других жидкостей, не представляющих ценности; в тех случаях, когда требуется выделить конденсат в чистом виде или конденсировать пары какой-нибудь ценной жидкости, конденсаторы смешения непригодны.

По способу действия различают конденсаторы смешения мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, конденсат и газы откачиваются совместно одним мокровоздушным насосом; в сухих или барометрических конденсаторах вода и конденсат стекают самотеком по одной трубе, воздух же и газы откачиваются из верхней части конденсатора воздушным вакуум-насосом.

В зависимости от взаимного направления движения пара и воды различают противоточные и прямоточные конденсаторы, а в зависимости от высоты расположения - конденсаторы низкого и высокого уровня.

Поверхностные конденсаторы. Определение средней разности температур для каждой зоны конденсатора.

Поверхностные конденсаторы могут быть разделены на три группы:

- с водяным охлаждением;

- с воздушным охлаждением;

- с орошением

В поверхностных конденсаторах теплообмен между паром и охлаждающей водой (или воздухом) совершается через разделяющую их теплопроводную стенку; при этом пространство, в котором происходит конденсация может находиться под атмосферным или другим давлением. Если конденсационная установка работает под вакуумом, необходимо создать разрежение в том аппарате, откуда поступает на конденсацию пар, и постоянно поддерживать это разрежение, а также возвращать для использования конденсат при более высокой температуре.

В зоне охлаждения перегретого пара начальная разность температур:



конечна я разность температур

средняя разность температур:

В зоне конденсации начальная разность температур:

конечная разность температур:

средняя разность температур:

В зоне охлаждения конденсата начальная разность температур:

конечная разность температур:



средняя разность температур:

где t1н - начальная температура пара в °С; tнас.- температура насыщения в °С; t1к - конечная температура конденсата в °С; t2н - начальная температура охлаждающей воды в °С; t2к - конечна температура охлаждающей воды°С;

Для обозначения величин, относящихся к разным зонам вводят следующие индексы:

[i] - для зоны охлаждения перегретого пара

[к] - для зоны конденсации

[х] - для зоны охлаждения конденсата

Зачем ставятся перегородки в теплообменниках?

Поверхностные теплообменники передают тепло за счёт перегородок, выполненных из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. наибольшее распространение получили именно поверхностные теплообменники. Они так же имеют две разновидности: рекуперативную и регенеративную. В первой теплообмен между носителями осуществляется за счёт перегородок, причём направление теплового потока постоянно в любой точке перегородки. В теплообменниках регенеративного типа носители поочередно контактируют с одной нагреваемой поверхностью, а направление потока постоянно меняется.

На сегодня самыми распространенными являются поверхностные теплообменники рекуперативного типа.

В кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают поперечные и продольные перегородки.

Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном пространстве теплообменников, предназначены для организации движения теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб.

Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве; конденсаторов и испарителей, в которых коэффициент теплоотдачи наружной поверхности труб на порядок выше коэффициента их внутренней поверхности. В этом случае перегородки выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от другой, а также уменьшают вибрацию труб.

Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может Значительно снижаться из-за утечек теплоносителя в зазорах между корпусом и перегородками. Для уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения: при наружном диаметре кожуха аппарата, не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм. В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим нормативным документам.

Перечислить типовые массообменные процессы и объяснить их физическую сущность.

Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или нескольких компонентов бинарных и многокомпонентных смесей из одной фазы в другую: из газовой (паровой) в жидкую или твердую, из жидкой в твердую или в другую жидкую, а также в обратном направлении. Различают два варианта массообмена: односторонний и двухсторонний. В первом варианте процесс завершается переходом вещества из одной фазы в другую, а во втором - встречным переходом веществ из каждой фазу в другую.

Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз) классификацию и взаимосвязь массообменных процессов можно видеть на рисунке 5.

Рис. 6 - Классификация массообменных процессов

Типовые массообменные процессы: абсорбция, дистилляция (частный случай - ректификация), экстракция, адсорбция, кристаллизация, сушка, ионный обмен

Абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - десорбция - выделение растворенного газа из раствора.

Ректификация - тепломассообменный процесс, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях, многократно контактируют друг с другом в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадка, тарелки), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость -- менее летучими.

Дистилляция - процесс разделения жидкостей на отличающиеся по составу фракции, основанный на различии температур кипения компонентов жидкости; то же, что перегонка.

Экстракция (от позднелат. extractio - извлечение), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент)

Адсорбция - (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю), изменение (обычно - повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). В общем случае причина адсорбции - нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, наз. адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, - адсорбтивом, уже адсорбировавшееся вещество - адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Кристаллизация - переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация); фазовый переход первого рода.

Ионный обмен - обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз раствор электролита, другая - ионит.

Сушка - высушивание, удаление жидкости (обычно влаги) из твёрдых, жидких и газообразных тел.

Написать (в общем виде) и изобразить в координатах у (концентрация одного вещества в одной фазе) - х (его концентрация в другой фазе) уравнение равновесной и рабочей линии массообмена; показать движущую силу процесса и написать выражение для ее расчета

Изменение рабочих концентраций по поверхности массообмена описывается уравнением рабочих линий. Эти линии используют для определения движущей силы процесса по всей поверхности F массопередачи, а также для определения высоты Н массообменных аппаратов.

Процесс массопереноса протекает самопроизвольно при наличии разности между рабочими и равновесными концентрациями (при данных условиях температуры и давления), которые можно выразить через концентрации у и у* фазы Фу, а также х и х* для фазы Фх.

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и равновесными концентрациями.

Движущая сила в концентрациях фазы Фу: Ду=у?у* (при у?у*) или Ду=у*?у (при у?у*), в концентрациях Фх: Дх=х?х* (при х?х*) или Дх=х*?х (при х?х*). Таким образом, движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия.

Для всей поверхности фазового контакта при установившемся состоянии процесса материальный баланс выражается уравнением:



В каждом конкретном случае величины Gу, Gх, ук и хн известны и постоянны и, следовательно уравнение материального баланса является уравнением прямой:

у=Ах+В

которая также называется рабочей линией процесса. Для любого случая массообмена и любого сечения диффузионного аппарата движущую силу массопередачи можно выразить графически путем нанесения на диаграмму у-х линии равновесия ур=f(х) и линии рабочих концентраций у=ц(х), как это показано на рисунке 6.

На диаграммах I и II представлен случай, когда у*?у и х?х* и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Фх в фазу Фу, а на диаграммах III и IV этого же рисунка - случай, когда у*?у и х*?х и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Фу в фазу Фх. Распределяемый между фазами компонент переходит в ту фазу, рабочая концентрация которой меньше равновесной.

Рис. 7 - Графическое представление движущей силы массопередачи. Равновесные и рабочие линии концентрации



Общее выражение массопередачи и объяснить значение его составляющих. Сопоставить его с уравнением теплопередачи и провести аналогию.

В соответствии с двумя возможными способами выражения движущей силы процесса массопередачи - газовой фазе (Ду=у*?у) или по жидкой фазе (Дх=х?х*) - уравнение массопередачи, аналогичное уравнению теплопередачи, может быть написано в двух видах:

М=КуДусрFф

М=КхДхсрFф,

где М - расход компонента, переходящего из одной фазы в другую, кмоль/с; F - площадь поверхности массопередачи, м2; Ку - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Ду, выраженной через мольные доли компонента в газовой фазе, кмоль/(м2•с); Кх - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Дх, выраженной через мольные доли компонента в жидкой фазе, кмоль/(м2•с); Дуср и Дхср - соответствующие средние для всего процесса движущие силы.

Подобно теплообмену массообмен характеризуется количеством вещества М, переходящего из от одной фазы в другую (диффузионный поток) за время ф, пропорционально движущей силе процесса Дуср (Дхср) и площади поверхности F. Величины М, F и ф связаны между собой коэффициентом пропорциональности К, носящим название коэффициента массопередачи.

Написать основные критерии подобия массообменных процессов и объяснить их физический смысл. Какой критерий является определяемым и какая величина рассчитывается из этого критерия? Сопоставить критерии массопередачи с критериями теплопередачи.

Общность дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и массопередачи позволяет считать, что основные критерии подобия диффузионных процессов должны иметь одинаковый вид с критериями подобия тепловых процессов.

Критерий , характеризующий обмен вещества на границе фаз, по своей структуре совершенно аналогичен критерию Нуссельта (Nu), характеризующему теплообмен на границе:

И поэтому его обозначают:

,

где Ку - коэффициент массопередачи, м/ч; l - характерный линейный размер, м; D - коэффициент диффузии, м3/ч

Критерий характеризует обмен вещества в движущейся среде, аналогичен критерию Пекле , и поэтому его обозначают:

Вместо критерия Ре' удобно ввести аналог теплового критерия Прандля:

или 

Если действием объемных сил (сил тяжести) можно принебречь, то критериальное уравнение массопередачи записывается как:

Nu'=f(Rе, Рr') или

Вид этой функции находят опытным путем, для чего его преобразовывают:

И числовые значения коэффициентов А, m, n находят из опытных данных. В этом уравнении критерии Rе и Рr' являются определяющими, а Nu' - определяемым.

Критерий Вебера Wе учитывает зависимость массопередачи от поверхностного натяжения у:

Однако эта зависимость не вытекает непосредственно из дифференциальных уравнений диффузии и недостаточно согласуется с опытными данными

Из совместного решения уравнения для процесса теплоотдачи в вынужденном потоке и массопередачи в тех же гигротерммических условиях имеем:



Таким образом, результаты исследования процессов массопередачи можно переносить на процессы теплопередачи, протекающие в подобных условиях, и, наоборот, результаты исследования процессов теплоотдачи на процессы массопередачи.

Написать выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты массоотдачи и объяснить их физическую сущность

При определенных допущениях (отсутствие диффузионного сопротивления при переходе компонента через поверхность раздела фаз, существование равновесия на этой поверхности, линейность уравнения равновесия у*=mх или у*=mх+b) получаются следующие зависимости между коэффициентами массопередачи Ку и Кх и фазовыми коэффициентами массоотдачи ву и вх:

...