Теплообменные процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА: Теплообменные процессы и аппараты. Теплопроводность

Тепловые процессы используют для изменения температуры обрабатываемого объекта (нагрев, охлаждение) и для осуществления фазовых превращений (выпаривание, конденсация). Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называют теплообменом. Существуют три принципиально разных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. теплопроводность нагрев фазовый конденсация

Теплопроводность -- перенос тепла за счет движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это основной вид теплопереноса в твердых телах. Процесс теплопроводности описывается законом Фурье, который гласит, что количество тепла q, передаваемого через единицу поверхности в единицу времени, т. е. плотность теплового потока, пропорционально температурному градиенту поверхности:

где л -- характерная для данного материала величина, называемая коэффициентом теплопроводности. При обычных температурах и давлении лучше всего проводят тепло металлы, а хуже всего -- газы.

Конвекция -- перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Конвекция бывает естественной и вынужденной.

Тепловое излучение -- процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать и поглощать энергию, за счет чего и осуществляется лучистый теплообмен. В большинстве практически важных случаев перенос тепла происходит комбинированным путем с участием всех перечисленных видов теплообмена. Если два жидких или газообразных тела (теплоносители) разделены твердым телом в виде плоской перегородки, то процесс переноса тепла в такой системе описывается уравнением теплопередачи, выражающим связь между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F:

Q = kFДT_cpф

где k -- коэффициент теплопередачи; ДT_ср -- средняя разность температур между теплоносителями или температурный напор; ф -- время. Процессы теплопередачи широко распространены в химической технологии. Тепловые процессы осуществляются в специальных аппаратах -- теплообменниках. Первичными источниками тепла в химической технологии служат продукты сгорания различных топлив или электроэнергия. Вещества, получающие тепло от первичных источников и передающие его нагреваемой среде через стенку теплообменника, называют промежуточными теплоносителями. В качестве последних при нагревании используют водяной пар, горячую воду, минеральные масла, органические жидкости, расплавы солей и металлов. При охлаждении применяют воду и воздух, лед, а для более глубокого охлаждения -- пары низкокипящих жидкостей (аммиак), сжиженные газы (СO₂) или холодильные рассолы. Наибольшее распространение в качестве промежуточного теплоносителя получил насыщенный водяной пар, обладающий рядом преимуществ: дешевизна, нетоксичность, возможность транспортировки на значительные расстояния и распределения по потребителям, простота регулировки температуры за счет изменения давления, небольшой расход пара.

Классификация способов переноса теплоты

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телами, при наличии которой имеет место самопроизвольный перенос тепла. Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.

1.Теплообмен представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает.

2.Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, кипения жидкостей, выпаривания - и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов (перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теплота может распространяться в любых веществах и даже в вакууме. Идеальных изоляторов тепла не существует.Во всех веществах тепло передается теплопроводностью за счет переноса энергии микрочастицами. Молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, из которых состоит вещество, движутся со скоростями, пропорциональными температуре. За счет взаимодействия частиц друг с другом более быстрые отдают энергию медленным частицам, перенося таким образом теплоту из зоны с более высокой температурой в зону с меньшей температурой.В жидкостях и газах перенос теплоты может осуществиться еще и за счет перемешивания движущихся частиц. При этом уже не отдельные молекулы, а большие макроскопические объемы более нагретой жидкости (газа) перемещаются в зоны с меньшими температурами, а менее нагретые - в зоны с большей температурой. Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества называется конвекцией.

Одновременно вместе с конвекцией имеет место теплопроводность. Такой сложный вид теплообмена называется конвективным. Конвекция является определяющим процессом переноса тепла в жидкостях и газах, поскольку она значительно интенсивнее теплопроводности. Большое распространение получил теплообмен между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела (или наоборот). Этот процесс называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

3.Излучение является третьим способом передачи тепла. Теплота излучением передается через все прозрачные среды, в том числе и в вакууме (в космосе). Носителями энергии при излучении являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене. В большинстве случаев перенос теплоты производится несколькими способами одновременно. В процессе теплоотдачи участвуют все способы передачи тепла - теплопроводность, конвекция и излучение. Более сложным является процесс передачи тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через разделяющую их стенку, называемый теплопередачей. В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением.

Однако при рассмотрении сложных процессов теплообмена преобладающими в определенных условиях является один или два из трех способов распространения тепла.

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

Основные понятия: Температурное поле и температурный градиент:тепловой поток

К основным задачам теории теплообмена относится установление аналитической связи между тепловым потоком и распределением температур в средах. Совокупность мгновенных значений какой-либо 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 зависит от координат точки в пространстве и изменяется во времени:

.

Эта зависимость представляет собой уравнение неустановившегося температурного поля.

Для установившегося температурного поля

.

На практике, кроме трехмерного стационарного температурного поля, довольно часто встречаются двумерные и одномерные температурные поля, являющиеся функцией соответственно двух и одной координат.

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, называетсяизотермической поверхностью. Температуры изменяются от одной изотермической поверхности к другой, причем наибольшее изменение температуры происходит по нормали к изотермическим поверхностям.

Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали называется температурным градиентом:

.

Температурный градиент является векторной величиной. Положительным направлением температурного градиента принято считать направление в сторону возрастания температур.

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК - вектор, направленный в сторону, противоположную градиенту темп-ры и равный по абс. величине кол-ву теплоты, проходящему через изотермич. поверхность в единицу времени. Измеряется в ваттах или ккал/ч (1 ккал/ч=1,163 Вт)

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.

1.Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768--1830) и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

где: - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м*К)

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел увеличивается с повышением температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности, называемое также уравнением Фурье, описывает процесс распространения теплоты в среде. Его выводят на основе закона сохранения энергии и записывают в следующем виде:

где: =а - коэффициент температуропроводности, м²/ч или м²/с; с - удельная теплоёмкость материала, кДж/(м*К); - плотность материала, кг/м³

Уравнение теплопроводности позволяет решать вопросы, связанные с распространением теплоты теплопроводностью в условиях как установившегося, так и неустановившегося процесса.

При решении конкретных задач уравнение теплопроводности должно быть дополнено соответствующими уравнениями, описывающими начальные и граничные условия.

В качестве примера рассмотрим установившийся процесс передачи теплоты теплопроводностью через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Пусть температура стенки со стороны горячего теплоносителя равна t_ст1, а со стороны холодного -- t_ст2; теплопроводность материала стенки ; толщина стенки. Как видно из рис. 9.1, температурное поле одномерно и температуры изменяются только в направлении оси х. Уравнение, описывающее теплопроводность плоской стенки при установившемся режиме, имеет вид

где: - тепловая проводимость стенки.

Величина, обратная тепловой проводимости стенки, () называется термическим сопротивлением стенки. В случае двухслойной стенки, например эмалированной, или многослойной, можно аналогично получить

где n -- количество слоев стенки.

Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).

Движущая сила теплообменных процессов -- разность температур теплоносителей. Под действием этой разности теплота передается от горячего теплоносителя к холодному.

Количество теплоты Q, переданное в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному на всей теплообменной поверхности F теплообменника, определяют из уравнения теплового баланса:

Движущая сила при теплопередаче между двумя теплоносителями не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль теплообменной поверхности.

Например, при прямотоке при входе теплоносителей в теплообменник локальная движущая сила максимальна: = t₁'-t₂', a на выходе из аппарата минимальна: = t₁''-t₂'' Такая же картина наблюдается и при противотоке. Поэтому при расчетах процессов теплопередачи пользуются средней движущей силой процесса. Получают соотношение для расчета средней движущей силы процесса теплопередачи

Размещено на Allbest.ru