ПАХТ (все лекции)

жидкость охлаждается, потому что источником является сама жидкость. Потоки теплоты из жидкой фазы в газовую вследствии испарения и передаваемой газом жидкости за счет конвекции равны (адиабатическое испарение):

температура мокрого термометра. (низшая температура жидкости, испаряющуюся и движущуюся над ней парогазовой смеси.)

Основное сопротивление в системах газ – жидкость сосредоточено в газовой фазе.

Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни.

Теплообмен при непосредственном контакте газ (жидкость) с твердым зернистым материалом подразделяют в зависимости от состояния слоя этого материала: он может быть неподвижным, движущимся и псевдоожиженным.

Система твердые частицы (неподвижные) – газ. Процесс теплообмена состоит из переноса теплоты из сплошной фазы теплоносителя к поверхности частиц материала (внешняя теплоотдача) и переноса теплоты внутри частиц.

Теплоотдача при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала зависит от

-размера и формы частиц,

-пористости слоя,

-физических свойств теплоносителя и др.

Предложен ряд зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи:

разные ( Reм – модифицированный критерий Рейнольдса).

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее. Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом

характеризуется критерием Био:

линейный размер, з - теплопроводность твердого материала.

При малых значениях Bi основное сопротивление во внешней фазе;

При больших значениях Bi основное сопротивление внутри твердой фазы. Для первого случая – расчет по формуле (1.70)

Для второго – материалы в специальной литературе, например Романков П. Г. и др. Теплообменные процессы хим. технологии 1982г.

28

Теплопередача в движущемся слое зернистого материала. Основное отличие движущегося плотного слоя от неподвижного – это увеличение его порозности, особенно у стенок аппарата.

Лимитирующей стадией теплопереноса в движущемся слое является внешняя теплопередача.

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Благодаря большой поверхности твердых частиц теплообмен в псевдоожиженном слое протекает очень интенсивно. Расчет затруднен из-за невозможности определения истинной поверхности и действительной разности температур между твердыми частицами и газом (жидкостью)

Теплообмен в псевдоожиженном слое складывается из конвективного переноса тепла от среды к твердым частицам и переноса тепла в твердой частице теплопроводностью.

Обработка опытных данных критериальная: для переноса тепла от среды к частице

А0.02 0.4 , n1 13 23 , n2 13

Ваппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды увеличивается ,

достигает max , затем начинает уменьшаться.

1.7. Радиационно-конвективная теплоотдача Тепловое излучение

Во всех телах, температура которых выше 0ºК происходит превращение тепловой энергии в лучистую. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания. Тепловое излучение аналогично излучению света: поглощается, отражается и преломляется.

Длины волн теплового излучения лежат, в основном, в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8 – 40 мк. Световые волны 0,4 –

Когда поток излучения Qu из окружающей среды попадает на какое-либо тело (рис.1.12), то в общем случае часть этого потока QR отражается от тела, часть QA поглощается телом и часть QD проходит через тело. Тогда уравнение баланса энергии в общем виде запишется так:

а в долях от общей энергии излучения

QR QD QA R D A 1 QИ QИ QИ

30

Если А=1 (R и D =0), тогда тело полностью поглощает все падающие на него лучи, тело абсолютно черное.

Если R=1(D и A =0), полное отражение лучей, тело абсолютно белое. Если D=1 (R и A =0), тело абсолютно прозрачное.

При D =0, R+A =1 – серые тела.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени через единицу поверхности, называется излучательной способностью Е:

Для абсолютно черного тела по закону Стефана-Больцмана:

Eo Co (100T ) 4

Здесь Co - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Для серых тел закон Стефана-Больцмана примет вид:

серого тела.

Радиационно-конвективная теплоотдача

Наиболее характерный пример этого вида теплоотдачи – перенос теплоты QП от стенки в окружающую среду (то есть потери теплоты). Для этого случая:

а тепловым излучением:

здесь αТ – коэффициент теплоотдачи стенки, ТСТ – температура стенки, F - площадь теплоотдачи, t – время, С1-2 – коэффициент взаимного излучения двух тел (стена – воздух).

Умножив и разделив правую часть уравнения (1.79) на (ТСТ – ТВ) получим:

Qu u (TCT TВ ) F t ,

31

Имея в виду соотношение (1.75) получим:

теплоотдаче αТ>αu .

1.8. Оптимизация и интенсификация теплообмена

Оптимизацию любого процесса начинают с выбора критерия оптимальности. В качестве наиболее общего критерия оптимальности можно использовать денежные затраты на проведение процесса теплообмена.

Затем выявляются параметры оптимизации – величины, которые независимо друг от друга влияют на критерий оптимальности. Далее данный критерий необходимо минимизировать, то есть добиваться при проведении процесса теплообмена наименьших затрат.

Рассмотрим интенсификацию теплообмена. Обычно тепловая нагрузка

теплообменного аппарата Q бывает фиксирована. Она либо задана, либо находится из уравнения теплового баланса. Задача сводится к определению минимальной межфазной поверхности для проведения данного процесса теплообмена:

Уменьшение поверхности теплообмена можно достичь согласно формуле (4.79), увеличивая коэффициент теплопередачи или среднюю движущую силу процесса. Увеличить можно, используя теплоносители с большой разницей начальных температур, достаточно высоким расходом и удельными теплоемкостями при противотоке.

Для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить коэффициенты теплоотдачи α1 , α2 и уменьшить термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители. На коэффициент теплоотдачи влияют следующие факторы:

1.Характер движения теплоносителя и его скорость. При турбулентном режиме с увеличением скорости теплоносителя толщина теплового пограничного слоя уменьшается и α увеличивается.

2.Физические свойства теплоносителя ( µ, λ, ср , ρ ). Коэффициент теплоотдачи α растет с уменьшением µ и увеличением λ, ρ, ср .

3.Размеры и формы поверхности теплообмена.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами.

32

Для увеличения α используются активные и пассивные методы.

Активные методы – механическое воздействие на теплообменную поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание теплоносителя и т.д.), пульсация давления, вдув и отсос пограничного слоя.

Пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток теплоносителя формой поверхности теплообмена. Используются винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Во всех этих случаях происходит турбулентное разрушение пристенных слоев жидкости.

Однако, эти методы приводят к увеличению гидравлического сопротивления, одновременно увеличивается как коэффициент теплоотдачи α, так и гидравлическое сопротивление .

Если левая часть уравнения больше единицы, то использование предложенного метода интенсификации экономически оправдано.

Для интенсификации теплообмена можно использовать пленочное течение теплоносителя.

33

Здесь D – масса сухого острого пара, Н – энтальпия пара, L – масса нагреваемой жидкости, с – теплоемкость нагреваемой жидкости, сН 2О - теплоемкость конденсата,

Т1 и Т2 – температура жидкости до и после нагрева, QП – потери тепла в окружающую среду, t – время. Температура конденсата и жидкости одинаковы.

Острый пар применяется редко, наиболее часто применяется глухой пар (рис.

1.14).

Как видно из рис.1.15, к нагреваемой системе можно подводить теплоту при температуре дифениловой смеси 258°С при атмосферном давлении.

Рис.1.15 Зависимость температуры насыщения Т°С от давления р для воды и дефиниловой смеси.

1.2.1.2. Нагревание горячими жидкостями