XVI. Теплопередача

В тепловых процессах осуществляется передача тепла – теплопередача от одного теплоносителя к другому, причем этим теплоносителем в большинстве случаев разделены перегородкой.

Q = К ∙ Δt_ср F – основное уравнение теплопередачи,

где Q – количество передаваемого тепла; К – коэффициент теплопередачи; Δt_ср – средняя разность температур между теплоносителями.

К выводу уравнения теплопередачи

Рис. XVI.1

Рассмотрим процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку толщиной , материал которой имеет коэффициент теплопроводности . Здесь:

t₁ и t₂ – температуры протекающих теплоносителей;

t_ст1 и t_ст2 – температуры поверхностей стенки;

₁, ₂ – коэффициенты теплоотдачи.

При установившемся процессе, количество тепла, передаваемого в единицу времени через площадь F от ядра потока первого теплоносителя к стенке, равна количеству тепла, передаваемого через стенку и от стенки к ядру потока второго теплоносителя.

;

;

.

Из этих соотношений можно получить:

;

;

.

Складывая эти уравнения, получим:

,

Откуда:

Значит: .

1/К – термическое сопротивление при теплопередаче;

1/₁ и 1/₂ – термические сопротивления теплоотдаче;

/ – термическое сопротивление стенки.

При расчетах коэффициента теплопередачи в случае многослойной стенки необходимо учитывать термическое сопротивление всех слоев:

,

где i – порядковый номер слоя; n – число слоев.

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Движущей силой тепловых процессов является разность температур, при наличии которой тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

При теплопередаче от одного теплоносителя к другому разность между температурами теплоносителей не сохраняет постоянного значения вдоль поверхности теплообмена, и поэтому в тепловых расчетах, где применяется основное уравнение теплопередачи к конечной поверхности теплообмена, необходимо пользоваться средней температурой.

Характер изменения температуры теплоносителей при прямоточном движении их вдоль поверхности теплообмена.

К определению средней движущей силы

Рис. XVI.2

dQ = К(t₁– t₂) dF , (а)

где – (t₁ – t₂) – температуры теплоносителей по обе стороны элемента dF.

В результате теплообмена на элементе поверхности температура первого теплоносителя понизится на dt₁, второго на dt₂:

(б)

(в)

где G₁,G₂ – расходы теплоносителей; с_1, с₂ – теплоемкости теплоносителей.

Разность (б) – (в):

(г)

Подставим dQ из (а) в (г):

(д)

(е)

, где (ж)

где Q – общее количество тепла, переданное в единицу времени от первого теплоносителя ко второму на всей теплообменной поверхности F.

Выразим G₁, с₁ и G₂, с₂ из (е) и (ж) и подставим эти выражения в равенство (д):

(з)

проинтегрируем при постоянном К:

. (и)

Обозначим , и подставим в (и):

,

отсюда:

.

Это соотношение справедливо так же и для случая противоточного движения теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

При небольших изменениях температур теплоносителей, когда  2, среднюю разность температур можно вычислять как среднеарифметическую:

t_ср= .

При перекрестном токе теплоносителей t_ср можно вычислять по формуле с поправочным коэффициентом ε_t, который определяют по графикам в зависимости от соотношения температур теплоносителей

.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Как правило, все аппараты, в которых протекает процесс при температуре, отличной от температуры окружающей среды (теплообменники, реакторы и др.) покрыты слоем или слоями тепловой изоляции. Это важно для снижения потерь теплоты в окружающую среду, а так же для соблюдения условий техники безопасности.

В качестве теплоизоляционных материалов используют вещества с низкими коэффициентами теплопроводности _из, которые обычно имеют значения (0,05 ± 0,2) Вт/м∙К. К ним относят асбест, шлаковую вату, асбослюду. Обычно теплоизоляционные материалы имеют пористую структуру, поры заполнены воздухом.

К определению толщины стенки тепловой изоляции

Рис. XVI.3

_из – толщина слоя тепловой изоляции, ее находят из условия равенства теплового потока через стенку аппарата и слой тепловой изоляции и потока, уходящего от стенки изоляции в окружающую среду.

;

.

Температуру стенки изоляции t_ст2 со стороны стенки аппарата обычно принимают равной средней температуре теплоносителя в аппарате. Температуру стенки t_ст1 изоляции со стороны окружающей среды выбирают в интервале (35 – 45) С для аппаратов, работающих в помещении и (0 – 10) С для аппаратов, работающих вне помещения (для зимних условий) и затем проверяют по формуле:

.

Коэффициент теплопередачи от теплоносителя в аппарате к окружающей среде:

.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОДВОДА

И ОТВОДА ТЕПЛОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ