Теоретические основы процессов теплообмена

Изучение теплообменных процессов и аппаратов

Теплообмен - необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты от более нагретых тел (участков тел) к менее нагретым.

Под теплотой (количеством теплоты) понимают энергетическую характеристику, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в данном теплообменном процессе.

К теплообменнымотносятся такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепловой энергии. К ним причисляют нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение и конденсацию.

Определение кинетических характеристик теплового процесса -средней разности температур и коэффициента теплопередачи- является задачей теплопередачи как науки о процессах распространения тепла из одной части пространства в другую. Тепло при этом может распространяться различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении; тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких слоях жидкостей или газов.

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловым излучением называют процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн (инфракрасное излучение). В излучающем теле тепло превращается в энергию излучения, которая распространяется в пространстве. Встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая энергия частично превращается в тепло, частично отражается от этого тела и частично проходит сквозь него.

На практике в большинстве случаев тепло распространяется одновременно двумя-тремя указанными способами по механизму сложного теплообмена.

Теплообменные процессы реализуются в теплообменных аппаратах - устройствах, предназначенных для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

В качестве теплоносителей в промышленности получили наибольшее распространение насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор вида теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса и стоимостью.

Теплопередача между средами может происходить в стационарных и нестационарных условиях. При стационарном (установившемся) процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени. При нестационарном (неустановившемся) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы имеют место в аппаратах непрерывного действия, а неустановившиеся - в аппаратах периодического, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия или изменении режима их работы.

Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева в единицу времени.

При расчете теплообменных аппаратов изменение температур теплоносителей при их движении в теплообменнике учитывается введением в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора ΔТ_m. Влияние остальных факторов учитывается коэффициентом теплопередачи k , который по физическому смыслу представляет собой количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в один градус. Коэффициент теплопередачи зависит от физических свойств теплоносителей (вязкости, теплопроводности, плотности, теплоемкости), режима их движения, конструктивных особенностей аппарата (размеров, материала, состояния поверхности нагрева) и средней по поверхности нагрева разности температур теплоносителей.

Феноменологическое уравнение для расчета количества тепла, передаваемого в теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид:

(Вт), (1)

где k – коэффициент теплопередачи между средами, средний для всей поверхности теплообмена, Вт/(м² К); F – поверхность теплообмена в аппарате, м².

Значение среднего логарифмического напора ΔT_m зависит от начальных и конечных температур теплоносителей, а также взаимных направлений их движения.

Существует три основные схемы включения теплообменника: прямоточная, противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем, получаемых в результате комбинирования основных.

Расчет среднего температурного напора в случае прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей выполняется по формуле:

, (2)

где ΔT_н и ΔT_к – разность температур между теплоносителями на входе и выходе из аппарата.

а б

Рис. 1. Схемы изменения температур теплоносителей: а – прямоток; б - противоток

Прямоточная схема. При этой схеме движения (рис.1а) горячий и холодный теплоносители 1 и2 движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при относительно большой разности температур . На выходе из аппарата тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей разности температур .

Противоточная схема. В этом случае (рис. 1б) теплоносители 1и2движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных направлениях так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель отдает тепло уже подогретому теплоносителю, причем ; .

Если изменение разности температуры теплоносителей в теплообменном аппарате незначительно, то вместо среднего логарифмического напора можно воспользоваться среднеарифметическим напором:

. (3)

При – разница между среднеарифметическим и среднелогарифмическим температурными напорами не превышает 3%.

При одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата температурный напор в противоточном теплообменнике получается наибольшим, а в прямоточном – наименьшим. Благодаря большей величине температурного напора рабочая поверхность теплообмена при противоточной схеме (при прочих равных условиях) может быть принята меньшей, чем при прямотоке.

Для экспериментального определения коэффициента теплопередачи требуется знать количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном аппарате, среднюю разность температур ΔT_m между горячим и холодным теплоносителями и размер поверхности теплообмена F. Количество тепла определяется из уравнения теплового баланса по расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в теплообменном аппарате.

В идеальном аппарате, не имеющем теплопотерь в окружающую среду, количество тепла Q₁, отданного горячим теплоносителем, должно равняться количеству тепла Q₂, полученного холодным:

(4)

где С_р1 и С_р2 – удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг К); G₁ и G₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с.

Таким образом, при известном значении тепловой нагрузки Q коэффициент теплопередачи может быть вычислен по формуле:

, (5)

Рекомендуемая литература

1. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. М.: Химия, 1987. 496 с.

2. Малахов Н.Н.Процессы и аппараты пищевых производств / Н.Н.Малахов, Ю.М. Плаксин, В.А. Ларин. Орел: ОрелГТУ, 2003. 948 с.

3. Гельперин Я.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Я.И. Гельперин. М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.

4. Справочник по теплообменникам. М.: Энергоатомиздат. 1987. Т. 1, 561 с.; т. 2. 352 с.

5. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном пото­ке / Х. Хаузен: Пер. с нем. М.: Энергоиздат, 1981. 383 с.

6. Промышленные тепломассообменные процессы и установки / Под ред. А. М. Бакластова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 327 с.

7. Кутателадзе С. С.Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.

8. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. М.: Химия, 1976. 551с.

9. Исаченко В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. 417 с.

10. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А Михеев., И. М. Михеева М.: Энергия, 1977. 342 с.

11. Маньковский О. И. Теплообменная аппаратура химических производств / О. И. Маньковский, А. Р. Толчинский, М. В. Александров Л.:Химия, 1976. 368 с.

12. Таубман Е.И. Выпаривание / Е.И. Таубман. М.: Химия, 1982. 328 с.

13. Чернобыльский И.И. Выпарные установки / И.И. Чернобыльский. Киев: Изд. Киевского ун-та, 1960. 262 с.

14. Тананайко Ю.М. Методы расчеты и исследования пленочных процессов / Ю.М. Тананайко, Е.Г. Воронцов. Киев: Техника, 1975. 312 с.

15. Олевский В.М, Ручинский В.Р. Роторно-пленочные тепло- и массообменные аппараты / В.М Олевский, В.Р. Ручинский. М.: Химия, 1970. 216 с.