45. Особенности теплового расчета регенеративных и смесительных теплообменных аппаратов.

Поверхность теплообмена регенераторов поочередно омывается горячим и холодным теплоносителями, воспринимая и аккумулируя теплоту в первом случае и отдавая ее во втором. Таким образом, процесс теплопередачи не стационарен и температура поверхности насадки (кирпич, металлические листы) изменяется в периоды нагревания и охлаждения; изменяются и тем­пературы теплоносителей. В связи с этим тепловой расчет регенераторов весьма сложен.

Время, за которое происходит нагрев _г и охлаждение _х насадки, называется полным циклом или периодом:

Если использовать средние температуры теплоносителей t_г и t_x и поверхностей t_с.г и t_c.x за цикл, то расчет можно упростить с достаточной для практики точностью и свести его к решению уравнений, аналогичных используемым при расчете рекуператоров. В этом случае уравнение теплопередачи принимает вид:

(17.25)

Особенностью является то, что количество переданной теплоты рассчитывается за цикл и измеряется в кДж.

Коэффициент теплопередачи k_ц определяется по формуле

Поправочный коэффициент _k позволяет учесть не­равенство средних температур поверхности насадки за периоды охлаждения и нагревания:

(17.26)

Обычно _k = 0,8. Вычисление коэффициентов тепло­отдачи _г и _x проводится по формулам для стационар­ных процессов переноса теплоты конвекцией и излуче­нием с использованием усредненных значений темпера­тур теплоносителей и поверхности.

Процесс теплообмена в регенераторах зависит от многих факторов, в частности, от формы и толщины насадки, ее теплофизических свойств, температур теплоносителей, длительности цикла, полноты омывания поверхности нагрева, засорения зольными отложениями и т. д.

Смесительные теплообменные аппараты характеризуются непосредственным контактом холодного и горячего теплоносителей. Эти аппараты находят, в частности, широкое применение в системах кондиционирования воздуха.

Естественно, что чем больше площадь поверхности соприкосновения теплоносителей, тем активнее протека­ют процессы тепло- и массообмена. С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на отдельные капли, размеры которых определяют скорость их движения, и выбираются исходя из конкретных условий.

При расчете смесительных аппаратов обычно пользуются нормами допустимой тепловой нагрузки единицы объема смесительного аппарата, установленными практикой. Именно равномерное распределение потоков теплоносителей по сечению с целью увеличения степени использования объема позволяет повысить производительность аппарата и уменьшить его размеры.

46. Основные понятия массообмсна. Закон Фика.

Под массообменом понимают самопроизвольный не­обратимый процесс переноса массы определенного ком­понента в пространстве с неоднородным полем хими­ческого потенциала этого компонента. В простейшем случае неоднородным является поле концентрации или парциального давления, при этом процесс переноса имеет определенную направленность. Например, в сме­си с одинаковой температурой и давлением процесс массопереноса (диффузии) направлен к выравниванию концентраций в системе, при этом происходит перенос вещества из области с большей концентрацией в об­ласть с меньшей концентрацией.

Диффузия осуществляется молекулярным или мо­лярным путем. Молекулярная диффузия — это перенос вещества в смеси, обусловленный тепловым движением микрочастиц. Молярный перенос неразрывно связан с макродвижением самой смеси (конвекцией). Массообмен, обусловленный совместным действием молекуляр­ной диффузии и конвективного переноса вещества, на­зывается конвективным массообменом.

Количество вещества, проходящего в единицу вре­мени через данную поверхность в направлении нормали к ней, называется потоком массы. Он обозначается через J и измеряется в кг/с. Плотность потока массы j — это поток массы, проходящий через единицу поверх­ности:j=dJ/dF.

Причиной возникновения потока массы является либо неравномерное распределение концентрации ве­щества (концентрационная диффузия), либо неодно­родность температурного поля {термодиффузия), либо неоднородность полного давления (бародиффузия).

Если в двухкомпонентной смеси отсутствует макро­движение, а температура и давление постоянны по объему системы, то плотность потока массы одного из компонентов, обусловленного молекулярной диффузией, определяется законом Фика:

где D — коэффициент диффузии, м²/с; C_i — местная концентрация данного компонента, равная отношению массы компонента к объему смеси, кг/м³; C_i/n — градиент концентрации (вектор), кг/м⁴.

В этом случае движущей силой является градиент концентрации. Так как плотность потока массы направ­лена в сторону убывания концентрации, а градиент концентрации — в противоположную сторону, то в вы­ражении (19.1) присутствует знак «минус». Закон Фи­ка описывает концентрационную диффузию, в резуль­тате которой переносится основная доля вещества.

Если температура по объему смеси неодинакова, то под действием градиента температур также происходит перенос вещества — термическая диффузия (эффект Соре). При этом молекулы компонента, масса которых больше, обычно стремятся перейти в область низких температур; если же массы молекул одинаковы, то в холодные области стремятся перейти более крупные молекулы. В результате термодиффузия приводит к образованию градиента концентрации.

Суммарная плотность потока массы j-го компонента за счет молекулярного переноса с учетом концентраци­онной диффузии, термо- и бародиффузии составит

где  — плотность смеси; m_i = С_i/р— относительная массовая кон­центрация i-гo компонента; D_т=K_tD — коэффициент термодиф­фузии; D_б = K_бD — коэффициент бародиффузии; р— давление смеси.

Доля массы в общем потоке, вызванная термодиф­фузией, незначительна, и только при больших градиен­тах температур ощущается ее влияние. Бародиффузия проявляется при значительных перепадах давления. В процессах теплообмена такие случаи встречаются редко.

Таким образом, хотя суммарный поток массы любо­го компонента смеси и является результатом названных трех видов диффузии, но основную роль играет кон­центрационная диффузия и ее следует учитывать в пер­вую очередь.

Рассмотренное уравнение переноса справедливо для неподвижной среды, когда масообмен осуществляется только молекулярным путем. Если же среда движется, то наряду с молекулярной диффузией будет происхо­дить перенос вещества конвекцией. Составляющая по­тока массы, вызванная конвекцией, будет равна jiк= = CiW, где w — скорость перемещения какого-либо объ­ема смеси.

Суммарная плотность потока массы, обусловленного молекулярным и конвективным переносами, составит: