Раздел 3. Типовые модели технологических процессов
Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым.
Теплота (количество теплоты) – энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.
К теплообменным процессам относятся: нагревание, охлаждение, испарение (в том числе выпаривание), конденсация. Аппараты, в которых проводят данные процессы, называют теплообменными.
Теплопередача – теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку.
Теплоноситель – движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.
Горячий теплоноситель – насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы. Холодные теплоносители (хладагенты) – аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот.
Теплопередача между средами происходит в установившихся (стационарных) и неустановившихся (нестационарных) режимах.
При стационарном процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени, при нестационарном – изменяется. Установившиеся процессы имеют место в непрерывнодействующих аппаратах, неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске, останове аппаратов непрерывного действия или при изменении режимов работы.
Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур ∆tср, коэффициент теплопередачи К, количество передаваемой теплоты Q (от величины Q зависят размеры теплообменника).
Основное уравнение теплопередачи устанавливает связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена:
,
(3.1)
которое для стационарного процесса имеет вид:
.
(3.2)
Передача теплоты может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением (далее не рассматривается).
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ – процесс переноса энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.
Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью. Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермическими поверхностями ∆l по нормали называется температурным градиентом:
.
(3.3)
Основной закон теплопроводности Фурье: количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры ∂t/∂l, времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:
,
(3.4)
где λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м∙К).
Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления.
При решении конкретных задач уравнение теплопроводности дополняется соответствующими начальными и граничными условиями.
Для стационарного режима уравнение (3.4) принимает вид:
,
(3.5)
где δ – толщина стенки, м;
- тепловая проводимость стенки.
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН (ТЕПЛООТДАЧА) – процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Интенсивность теплоотдачи характеризуется величиной коэффициента теплоотдачи α, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой, Вт/(м2∙К).
При конвективном теплообмене теплота распространяется от поверхности твёрдого тела к потоку жидкости через пограничный слой за счёт теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости – в основном конвекцией. Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. В первом случае перемещение частиц жидкости или газа в аппарате происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа; во втором – конвекция возникает под действием насоса или вентилятора.
Основной закон теплоотдачи Ньютона: количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности tст и ядра потока tц (или наоборот) и продолжительности процесса:
.
(3.6)
Если α имеет постоянное значение вдоль всей поверхности теплообмена, то:
(3.7)
Коэффициент теплоотдачи рассчитывают по критериальным уравнениям, полученными методами теории подобия из дифференциального уравнения конвективного теплообмена (3.7), дополненного уравнениями, характеризующими условие на границе раздела потока и стенки аппарата.