Основы передачи тепла

При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Эти вещества участвующие в теплообменных процессах называется теплоносителями. Вещества с более высокой температурой, которые в процессе теплообмена отдают тепло, называются горячими теплоносителями, а вещества с более низкой, которые принимают тепло, – холодными теплоносителями.

Существует два основных технологических способа проведения тепловых процесса.

1. Путем непосредственного соприкосновения теплоносителей (проводится редко)

2. Передача тепла через стенку (теплоносители в этом случае не смешиваются, и каждый движется по своему каналу)

Передача тепла во втором случае происходит посредством:

· Теплопроводности

· Конвекции

· Лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном контакте отдельных частиц тела. При этом тепло передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц без их перемещения друг относительно друга. Способ в основном для металлов. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье. Количество тепла, проходящего за счет теплопроводности прямо пропорционально времени, градиенту температуры и поверхности, нормальной к направлению теплопередачи.

dQ = –λdτ dF

λ (лямбда) – коэффициент теплопроводности. Знак «–» отражает то, что температура уменьшается в направлении x (направлении теплопередачи)

Коэффициент теплопроводности имеет следующие значения

Теплопроводность плоской стенки (трубы) можно рассчитать следующим образом:

– количество тепла, проходящего через стенку

l – толщина стенки

Передача тепла конвекцией происходит в жидкости и газах путем перемещения их частиц в зависимости от движения частиц вследствие движения жидкости или газа либо различной их плотностью в различных точках.

Пусть у нас имеется текущая жидкость и стенка, через которую переходит Q. Среда движения турбу­лентно (неупорядоченно) и передает тепло стенке t_ст<t₁. Но около стенки всегда имеется тонкий слой жидкости, который движется ламинарно (упорядочено). Этот слой является основным сопротивлением передаче тепла.

Передача тепла через этот пограничный слой подчиняется закону Фурье

Δ – толщина пограничного слоя, t₀ – температура на границе слоя = t₁

Величина =α в этом случае называется коэффициентом теплоотдачи

– уравнение Ньютона

α – это количество тепла, которое воспринимает стенка площадью 1м² за 1 час и при разности температур 1°С.

Вычисление α – задача трудная, так как толщина ламинарного слоя определяется неточно вследствие размытых границ слоя. В этом слое передача тепла происходит и конвекцией и теплопроводностью. В общем случае α является функцией многих переменных.

Рассмотрим теперь передачу тепла через стенку.

Запишем тепловые потоки («–» в скобки)

При установившемся режиме теплопередачи

Q₁ = Q_ст = Q₂ = Q

Складываем почленно правую часть и левую часть, τ переносим в правую часть, α, λ – в левую часть

= K – коэффициент теплопередачи тепла через стенку

Передача тепла лучеиспусканием происходит посредством электромагнитных волн. При этом тепловая энергия превращается в лучистую и затем снова в тепло при поглощении лучистой энергии другим телом. Тела, которые поглощают всю энергию, называются абсолютно черными телами. Тела, которые полностью отражают энергию называются абсолютно белыми телами. Это чисто теоретические понятия. Лучеиспускание подчиняется закону Стефана – Больцмана.

Теплообмен излучением – процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн (фотонов). Этот вид теплообмена проходит в 3 этапа: внутренняя энергия тела вначале преобразуется в энергию излучения, которая на втором этапе распространяется в пространстве, а на третьем этапе энергия излучения вновь преобразуется в теплоту тела, поглощающего лучистый поток. Лучистый обмен имеет место между всеми телами и является единственно возможными способом переноса Q в вакууме. При температурах, обычных в технике, основное количество теплоты излучается в инфракрасном диапазоне.

При попадании потока излучения на тело он делится на 3 части: Поглощенную Е_погл, отражаемую Е_отр и пропущенную Е_проп

Е = Е_погл +Е_отр +Е_проп | :Е

= A + R + D

где А – поглощательная способность тела, R – отражательная способность тела, D – пропускательная способность тела.

При А = 1; R=D>0 – тело абсолютно черное

R=1; А=D=0 – тело абсолютно белое

D=1; А=R=0 – тело диатермичное (прозрачное)

В природе нет ни абсолютно чёрного тела, ни абсолютно белого тела. Свойством абсолютно чёрного тела обладает отверстие в стенке полого тела.

Количество тепла, излучаемого телом в единицу времени, пропорционально поверхности тела и четвёртой степени его абсолютной температуры:

C – коэффициент лучеиспускания

Если два тела находятся на определённом расстоянии друг от друга и T₁<T₂ и между ними находится лучепрозрачная среда, то между ними возникает теплообмен посредством излучения. Нагретое тело будет отдавать энергию холодному.

C_ч = 5•10^-8 ккал/м²•час•(град К)⁴

C_б = 1•10^-8 ккал/м²•час•(град К)⁴

ε – степень черноты

Например, ε_меди = 0,023, ε_{асбеста} = 0,96.

Аппараты для теплообмена используются те же, что и для утилизации тепла (регенераторы и рекуператоры).

Из законов излучения для теплотехники наибольшее значение имеет закон Стефана-Больцмана: количество энергии, излучаемое единицей поверхности абсолютно чёрного тела в единицу времени, пропорционально четвёртой степени его абсолютной температуры:

где σ₀ – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

При применении закона к серому телу:

σ₀ ≠ σ

и их соотношение – степень приближения тела к абсолютно чёрному телу

Утилизация тепла

Из всех видов потребляемой в химической промышленности энергии первое место принадлежит тепловой энергии. Степень использования тепла при проведении химико-технологического процесса определяется тепловым К.П.Д.:

где Q_т и Q_пр соответственно количество тепла, теоретически и практически затрачивае­мого на осуществление реакции.

Использование вторичных энергетических ресурсов (отходов) повышает К.П.Д. Энергетические отходы используются в химических и других отраслях промышленности для различных нужд.

Особенно большое значение в химической промышленности имеет утилизация тепла продуктов реакций, выходящих из реакторов, для предварительного нагрева материалов, поступающих в эти же реакторы. Такой нагрев осуществляется в аппаратах, называемых регенераторами, рекуператорами и котлами-утилизаторами. Они накапливают тепло отхо­дящих газов или продуктов и отдают его для проведения процессов.

Регенераторы представляют собой периодически действующие камеры, заполненные насадкой. Для непрерывного процесса необходимо иметь, по крайней мере, 2 регенера­тора.

Горячий газ сначала проходит через регенератор А, нагревает его насадку, а сам охлажда­ется. Холодный газ проходит через регенератор Б и нагревается от ранее нагретой на­садки. После нагрева насадки в А и охлаждения в Б заслонки перекрывают и т.д.

В рекуператорах реагенты поступают в теплообменник, где нагреваются за счёт те­пла горячих продуктов, выходящих из реакционного аппарата, и затем подаются в реак­тор. Теплообмен происходит через стенки трубок теплообменника.

В котлах-утилизаторах тепло отходящих газов и продуктов реакции используют для получения пара.

Горячие газы движутся по трубам, размещённым в корпусе котла. В межтрубном про­странстве находится вода. Образующийся пар, проходя влагоотделитель, выходит из котла.