67. Определение потерь тепла стенками аппаратов в окружающую среду.

Если теплообмен происходит между твердой стенкой и газообразной средой, то тепло одновременно передается конвективной теплоотдачей и излучением.

Наиболее распространенный случай сложной теплоотдачи – потери теплоты стенками теплоиспользующих аппаратов в окружающую среду.

Пусть стенка аппарата имеет температуру и отдает тепло окружающей среде с

температурой :

Суммарный тепловой поток:

Поток теплоты за счет конвекции:

В аналогичной форме запишем уравнение теплоотдачи за счет теплового излучения:

Сопоставим это уравнение с уравнением

То есть, учетом того, что и – температура окружающей среды:

Здесь ,

68. Водяной пар как теплоноситель. Назовите области его применения, преимущества и недостатки перед другими теплоносителями. Какой пар и почему чаще используется в качестве теплоносителя – насыщенный или перегретый? Как определяется расход пара при заданной тепловой нагрузке?

Водяной пар является наиболее распространённым теплоносителем в химической промышленности.

Достоинства водяного пара – постоянство температуры конденсации, высокий КПД

паровых установок, доступность, пожаробезопасность.

Недостатки: значительное возрастание давления с повышением температуры, следовательно, нужна более дорогая аппаратура.

Тепло перегрева относительно мало, коэффициенты теплоотдачи от перегретого пара значительно ниже, чем от насыщенного + перегрев пара требует затрат. Перегретый пар в качестве нагревательного агента используют реже, чем насыщенный.

При нагревании насыщенным водяным паром различают «острый» и «глухой» пар.

«Острый» пар используют, когда допустимо смешение нагреваемой среды и образующимся при конденсации пара конденсатом.

где – масса острого пара (расход), , - энтальпия пара. – масса нагреваемой жидкости, – теплоемкость жидкости, – теплоемкость конденсата, и – температуры жидкости до и после нагревания, – потери теплоты аппаратом в окружающую среду, – время нагревания.

«Глухой» пар предусматривает наличие конденсатоотводчика:

где – энтальпия конденсата.

69. Каков общий вид критериального уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при принудительной конвекции без изменения агрегатного состояния. Приведите выражения соответствующих обобщенных переменных (критериев подобия).

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата в окружающую среду можно рассчитать по эмпирической формуле Линчевского:

где – температура наружной поверхности тепловой изоляции аппарата, которую обычно принимают равной 40 °С для аппаратов, работающих в помещениях (что обусловлено техникой безопасности), и 0 – 10 °С для аппаратов, работающих вне помещений (для зимних условий).

Толщина тепловой изоляции:

1. для плоской стенки

2. для цилиндрической стенки толщину изоляции находят решением уравнения

70. Графически изобразите зависимости коэффициента теплоотдачи при кипении от разности температур между стенкой и кипящей жидкостью и от удельной тепловой нагрузки. Опишите основные режимы кипения.

Кипение – это процесс интенсивного парообразования за счет подвода теплоты к кипящей жидкости. Механизм кипения на поверхности сложнее, чем при обычной конвекции. Перенос теплоты и массы осуществляется пузырьками пара из пограничного слоя в объём жидкости. Интенсивность теплоотдачи очень велика.

1. Кипение у стенки при естественной конвекции. Небольшая разность температур между стенкой и жидкостью ( ) приводит к образованию отдельных пузырьков пара, которые поднимаются вверх. Процесс характеризуется низкой интенсивностью теплообмена.

2. Кипение с развитием пузырьков (пузырьковое кипение). При увеличении ( ) интенсивность образования пузырьков растёт. Этот режим имеет самый высокий коэффициент теплоотдачи, так как паровые пузырьки уносят большое количество тепла.

3. Переходный режим кипения. Дальнейшее увеличение ( ) приводит к слиянию пузырьков в паровую плёнку. Коэффициент теплоотдачи резко падает из-за ухудшения контакта жидкости с нагретой стенкой.

4. Кипение в плёночном режиме. При высокой ( ) вся поверхность покрывается слоем пара, который служит тепловым изолятором. Тепло передаётся через паровую плёнку, что значительно снижает интенсивность теплообмена.

Рисунок 15.1 – Зависимость коэффициента теплопередачи от температуры

Коэффициент теплоотдачи при кипении зависит от следующих факторов:

1. Температурного перепада ( ).Чем больше разность температур между стенкой и кипящей жидкостью, тем интенсивнее кипение (до определённого предела).

2. Теплофизических свойств жидкости. Вязкость, теплопроводность, плотность, поверхностное натяжение.

3. Давления. Повышение давления снижает ( ), при котором начинается кипение.

4. Свойств поверхности нагрева. Материал, шероховатость, форма.

5. Интенсивности подачи тепла. Более высокая тепловая нагрузка может привести к переходу из пузырькового режима в плёночный.

• При малых теплоотдача растёт из-за активного пузырькового кипения.

• В зоне пузырькового кипения коэффициент теплоотдачи α достигает максимума.

• В переходный режим увеличивается) коэффициент теплоотдачи резко падает из-за образования паровой плёнки.

• В плёночном режиме α остаётся низким.

Промышленные испарители работают в пузырьковом режиме кипения, так как:

• Он обеспечивает наивысший коэффициент теплоотдачи.

• Минимизируются тепловые потери.

• Стабильный процесс испарения возможен при оптимальном , чтобы не перейти в плёночное кипение.