Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей. Под действием этой разности тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. При этом движущая сила не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль поверхности теплообмена. Поэтому вводится понятие - средняя разность температур, при которой определяются численные значения физических параметров среды. Температуры теплоносителей изменяются по сечению потока вследствие наличия поля температур и скоростей, а также вдоль проточной части теплообменника по мере охлаждения горячей среды и нагревания холодной. В частности, при конденсации пара и кипении жидкости, температуры теплоносителей принимаются постоянными как температуры фазового превращения. Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках.

При нагревании или охлаждении рабочей среды (без изменения агрегатного состояния) температура еевдоль поверхности нагрева изменяется по некоторым экспоненциальным кривым (рис.1.3.а,б)

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая:

. (1-25)

Для прямотока:

; .

Для противотока:

;

Наиболее совершенной схемой теплопередачи является противоток, при котором Δt имеет наивысшее значение из всех возможных схем теплопередачи при прочих равных условиях. При теплопередаче в противотоке нагреваемый поток может быть нагрет до более высокой температуры, чем конечная температура нагревающего потока. Наименьшее значение при прочих равных условиях имеет средняя разность температур при прямотоке.

При более сложных случаях относительного движения теплоносителей (перекрестный ток, неравное число ходов для обеих жидких сред и т.д.) в выражение (1-25) вводятся поправочные функции, численные значения которых находятся в справочниках.

Контрольные вопросы

1. Какие технологические процессы можно отнести к теплообменным?

2. Назовите способы распространения тепла.

3. Что такое теплоотдача, теплопередача? Есть ли между ними разница?

4. Назовите основные этапы расчета теплообменной аппаратуры.

5. С какой целью составляют тепловой баланс аппарата?

6. Запишите основное уравнение теплопередачи.

7. Какой физический смысл имеет коэффициент теплопередачи?

8. В чем заключается смысл закона теплопроводности Фурье?

9. Физический смысл коэффициента теплопроводности?

10. Какие параметры характеризуют теплоотдачу при естественной и вынужденной конвекции?

11. Что называется конвективной теплоотдачей?

12. Сформулируйте закон теплоотдачи Ньютона и объясните физический смысл коэффициента теплоотдачи.

13. Запишите дифференциальное уравнение конвективного теплообмена.

14. Почему при расчетах конвективного теплообмена используют критериальные уравнения?

15. Какие критерии теплового и гидродинамического подобия используются при описании конвективного теплообмена? Их физический смысл.

16. Какие критерии используют для описания теплоотдачи в условиях механического перемешивания?

17. В чем заключаются особенности теплоотдачи при изменении агрегатного состояния? Какой критерий их учитывает? Его физический смысл.

18. Запишите выражение, связывающее между собой коэффициент теплопередачи и коэффициенты теплоотдачи.

19. Из каких величин складывается общее термическое сопротивление теплопередачи?

20. Что является движущей силой теплообменных процессов?

21. Какие схемы относительного движения рабочих сред применительно к процессу теплопередачи Вы знаете?

22. Почему при расчетах теплообменных процессов используют среднюю разность температур? Как она вычисляется?

Конденсация

Конденсация - переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое, проводимое путем охлаждения его водой или холодным воздухом. Конденсация паров широко применяется в пищевой промышленности при проведении процессов выпаривания, вакуум-сушки и др., для создания разрежения. При этом пары , подлежащие конденсации, обычно отводят в другой аппарат - конденсатор, где они охлаждаются водой или воздухом. Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. Поэтому в конденсаторе создается разрежение, которое увеличивается при уменьшении температуры конденсации. Для поддержания вакуума на требуемом уровне из конденсатора непрерывно отводятся с помощью вакуум-насоса неконденсирующие газы.

По способу охлаждения различают два типа конденсаторов:

а) смешения; б) поверхностные.

Конденсаторы смешения - аппараты, где пар непосредственно смешивается с охлаждающей водой. По способу отвода воды, неконденсирующихся газов и конденсата различают сухие и мокрые конденсаторы смешения.

В сухих (барометрических) конденсаторах (рис.1.4.) вода и конденсат удаляются совместно, а газы отдельно с помощью вакуум-насоса. Внутри корпуса 1 взаимодействие пара и воды происходит в противотоке. Вода подается через штуцер в виде тонких струй перетекает с тарелки 2 на тарелку через отверстия и борта. Пар поступает снизу через штуцер и при соприкосновении с водой конденсируется. Смесь конденсата и воды попадает в барометрическую трубу 3 высотой около 10 м и далее в колодец 4. Труба 3 и колодец играют роль гидравлического затвора, препятствующего проникновению наружного воздуха в аппарат. Несконденсировавшиеся газы отсасываются через штуцер 8 вакуум-насосом. Процесс конденсации пара протекает под вакуумом (0,01...0,02 Мн/м²).

Для уравновешения разности давлений в конденсаторе и атмосферного используется столб жидкости, находящийся в трубе 3.

Достоинством противоточного барометрического конденсатора является наиболее простой и дешевый способ отвода воды, удаляемой в канализацию. В мокрых конденсаторах смешения охлаждающаяся вода распыляется внутри аппарата через сопла. Вода и пар вводятся в верхней части корпуса прямотоком, а конденсат, вода и несконцентрировавшиеся газы удаляются из нижней части с помощью мокровоздушного насоса.

Конденсаторы смешения используются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом (вакуум-фильтры, сушилки, выпарные аппараты и т.д.).

В поверхностных конденсаторах конденсирующийся пар отдает свое тепло через стенку. Обычно пар конденсируется на наружных или внутренних поверхностях труб, омываемых с противоположной стороны водой. Поэтому появляется возможность раздельного отвода конденсата и охлаждающей воды, что позволяет использовать конденсат, если он представляет собой какую-либо ценность. Например, если сжижение и охлаждение конечного продукта, получаемого в виде перегретого пара, является завершающей операцией технологического процесса.

Отметим, что поверхностные конденсаторы более металлоемки и требуют большего расхода воды. В промышленности в качестве поверхностных конденсаторов используют различные теплообменники, например, трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.