Основное уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса

Теплопередача в химической аппаратуре

Химические процессы в большинстве случаев протекают в заданном направлении только при определенной температуре, которая обеспечивается путем подвода или отвода тепловой энергии.

Теплообмен-это процесс переноса энергии в форме теплоты между телами с различной температурой.

Теплообмен имеет исключительно важное значение для проведения процессов выпаривания, перегонки, сушки и др.

Процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла называются тепловыми процессами.Это нагревание, охлаждение, конденсация, испарение.

В тепловом процессе участвуют не менее двух сред с различной температурой. При этом тепло передается самопроизвольно от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность- это процесс переноса теплоты путем беспорядочного (теплового ) движения микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. В газах и капельных жидкостях - это движение молекул. В твердых телах - колебание атомов или диффузия свободных электронов. Распределение тепла теплопроводностью происходит при неравенстве температур внутри тела (среды).

Конвекция- перенос теплоты вследствие движения макроскопических объемов. Происходит только в газах и жидкостях. Различают естественную (возникающую вследствие разности плотностей в различных точках объема) и вынужденную конвекцию - при принудительном перемешивании.

Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн.

Перечисленные выше элементарные виды теплообмена в реальных условиях встречаются в различных комбинациях

Теплопередача. Теплоотдача

Теплота от одной среды к другой может передаваться при непосредственном контакте или через стенку.

Если теплота переходит от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющуюстенку, то процесс называется теплопередачей.

Если теплота переносится от стенки к среде (или наоборот), то процесс называется теплоотдачей.

В химической технологии теплообменные процессы осуществляются в аппаратуре, которая называется теплообменной аппаратурой.

Жидкости или газы, участвующие в теплообмене, называются рабочими средами.

Основной характеристикой теплообменного аппарата является поверхность теплообмена.

Основное уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса

Связь между количеством теплоты передаваемым в аппарате и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим соотношением, которое называется основным уравнением теплопередачи:

(1)

-количество переданного тепла, Дж;

- локальный коэффициент теплопередачи между средами, ;

-разность температур между средами,⁰С;

- элемент поверхности теплообмена, м² ;

- время теплообмена, с

- коэффициент теплопередачи средний для всей поверхности, .

Физический смысл коэффициента теплопередачи:

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты в Дж переходит в 1с от более нагретого тела к менее нагретому через поверхность теплообмена в 1м² при средней разности температур равной 1 град. Коэффициент теплопередачи определяет интенсивность теплообмена. Из основного уравнения теплопередачи (1) можно определить поверхность теплопередачи . . (2)

определяется из уравнения теплового баланса:

(3)

- потоки тепла, которые поступают в аппарат с исходными продуктами;

- теплота реакций ( теплота химических превращений; испарение жидкостей; выделение паров или газов из твердых поглотителей; теплота плавления и растворения). Для определения этих теплот используют справочные данные.

- потоки тепла, которые выходят из аппарата с конечными продуктами;

- потери тепла в окружающую среду (» 3¸5%).

Теплопроводность

Закон Фурье (установлен опытным путем) – количество теплоты переданного теплопроводностью, прямо пропорционально градиенту температуры , времени и площади сечения , перпендикулярного направлению теплового потока:

, (4)

- коэффициент теплопроводности, Вт/м∙град.

Коэффициент теплопроводности l показывает, какое количество теплоты в Дж проходит в 1с через 1м² поверхности при разности температур в 1⁰ на единицу длины нормали к изотермической поверхности. (Изотермическая поверхность - геометрическое место точек с одинаковой температурой).

Плотность теплового потока . (5)

( ²-² означает что тепло перемещается в сторону падения температуры).