В ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

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 тепли 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 ила 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 свобод в металлах. 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. Выделяющееся тепло превращается в лучистую энергию, которая распространяется в пространстве, и в каком-нибудь другом месте полностью или частично превращается вновь в тепловую энергию.

Конвекция. Под конвекцией понимают перенос тепла частицами капельных жидкостей и газов путем их перемешивания 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.

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 сложнымявляется 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,

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 (Q_п). Величина Q_п 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 Q₁, его энтальпия на входе в аппарат I_1н и на выходе из аппарата I_1к. Соответственно расход более холодного теплоносителя — G₂, его начальная энтальпия I_2н и конечная энтальпия I_2к. Тогда уравнение теплового баланса

Q= Q₁(I_1н– I_1к) = Q₂(I_2к– I_2н) (XI,1)

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

I_1н = c_1нt_1н I_1к = c_1кt_1к

I_2к = c_2кt_2к I_2н = c_2н t_2н

Величины с_1н и с_1к представляют собой средние удельные тепло­емкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 до t_1н (на входе в аппарат) и до t_1к (на выходе из аппарата) соответ­ственно. Величины c_2н, и с_2к — средние удельные теплоемкости более холодного теплоносителя в пределах 0—t_2н и 0—t_2к 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 I_1н в уравнении (XI,1) представляет собой энтальпию поступающего в аппарат пара, а I_1к — энтальпию удаляемого парового конденсата.

В случае использования перегретого пара его энтальпия I_1н скла­дывается из тепла, отдаваемого паром при охлаждении от температуры t_н до температуры насыщения t_нас, тепла конденсации пара и тепла, выде­ляющегося при охлаждении конденсата:

Q = G(I_1п – t_1к) = Gc_п(t_п - t_1нас) + Gr + Gc_к (t_нас – t_к ( XI,2)

где r — удельная теплота конденсации, дж/кг; с_п и с_к — удельные теплоемкости пара и конденсата, дж/(кг×град), t_к — температура конденсата на выходе из аппарата.

При обогреве насыщенным паром, если конденсат не охлаждается, т.е. t_k = t_n = t_нас, первый и третий члены правой части уравнения (XI,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 (c₁ и с₂ можно считать не зависящими от температуры, то уравнение теплового баланса (XI,1) принимает вид

Q = G₁с₁(I_1н – t_1к) = G₂c₂(t_к - t_1н) (XI,3)

или

Q = W_t (t_1н – t_1к) = W₂ (t_2к - t_2н) (XI,3а)

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