Основы теплопередачи в химической аппаратуре

Перенос энергии в форме тепла (процесс переноса 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 2-законом термодинамики, переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергии 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 – и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процесс перегонки, сушки), а также реакционных процессов химический технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три 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 решетки твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

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

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободно, 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 (в случае перемешивания ее мешалкой).

Тепловое излучение – это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленных 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. Чаще всего тепло передается не одним способом, а комбинированным. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном положении называется теплоотдачей.

Еще более сложными являются процессы передачи тепла от более нагретой к менее нагретой через разделяющую их поверхность или твердую стенку – это процесс теплопередачи.

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

Расчет теплообмена аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количество тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или 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 зависит от скорости теплопередачи, которая в свою очередь зависит от механизма передачи тепла. Поверхность теплообмена находится из основного уравнения теплопередачи.

Тепловые балансы

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителей (Q₁), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q₂), и некоторое относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду (Q_n). Величина Q_n в теплообменных аппаратах с тепловой изоляцией, не превышает ~ 3 – 5% полезно используемого тепла. Поэтому ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

Q = Q₁ = Q₂

где Q – тепловая нагрузка аппарата

Пусть расход более нагретого теплоносителя составляет G₁, его энтальпию на входе в аппарат J_1H , а на выходе J_1K. Соответственно расход более холодного теплоносителя – G₂ , его начальная энтальпия J_2H и конечная J_2К. Тогда уравнение теплового баланса

Энтальпию при 0⁰ С условно принимаем равной нулю.

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

Величины с_1Н и с_1К представляют сбой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 до t_1Н (на входе в аппарат) до t_2К (на выходе). Величины с_2Н и с_2К – средние удельные теплоемкости более холодного теплоносителя в пределах от 0 – t_2Н и 0 – t_2К соответственно.

В технических расчетах энтальпию не рассчитывают, а находят их из таблиц по температуре.

Если теплообмен протекает с изменением агрегатного состояния теплоносителя (конденсации пара, испарения жидкости) или в процессе теплообмена протекает химическая реакция, сопровождающая тепловым эффектом, то в уравнении теплового баланса должно быть учтено тепло, выделенное при этом.