Глава 3. Тепловые процессы

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты, называются тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов, - теплообменными.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теплоноситель с более высокой температурой характеризуется как горячий, а с низкой - холодный.

Теплообменные процессы могут происходить только при наличии разности температур между теплоносителями, т.е. разность температур – движущая сила тепловых процессов.

В результате передачи теплоты происходят процессы нагревания - охлаждения, парообразования - конденсации, плавления - кристаллизации.

Различают стационарные и нестационарные тепловые процессы. В современных технологических установках различных химических и пищевых производств превалирующую роль играют стационарные процессы конвективного теплопереноса.

Теплота от одного тела к другому может передаваться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением [11].

Теплопроводность - это процесс передачи теплоты внутри тела от одних частиц к другим вследствие их движения и взаимного соприкосновения. Это движение может быть либо движением молекул (жидкости, газы), либо колебанием атомов (в кристаллической решётке твердых тел), либо диффузией свободных электронов (в металлах).

Конвекцией называется перенес теплоты вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают свободную конвекцию, обусловленную разностью плотностей в различных объемах теплоносителя, и вынужденную, при принудительном движении всего объема жидкости, например, в случае перемешивания её мешалкой или движения в трубе ( от насоса).

Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела переходит в энергию излучения.

В реальных условиях теплота передаётся не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным, когда все три способа сопутствуют друг другу.

Теплообменные аппараты в зависимости от процесса передачи теплоты от одной среды к другой делятся на смесительные и поверхностные. В смесительных аппаратах теплообмен осуществляется путём перемешивания горячих и холодных жидких или газообразных веществ, в поверхностных - между твердой стенкой и омывающим ее теплоносителем. Процесс теплообмена может протекать в однофазной среде или при изменении агрегатного состояния теплоносителя.

Поверхностные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплота передается от горячего теплоносителя к холодному через твердую стенку, в регенеративных та же поверхность периодически омывается то горячей, то холодной жидкостью или газом [19].

Работа № 10 исследование процесса теплопередачи в теплообменнике типа "труба в трубе"

Ц е л ь р а б о т ы - экспериментальное определение коэффициента теплопередачи и сравнение его значения с рассчитанным по справочным формулам, изучение влияния гидродинамических условий на интенсивность теплообмена.

Теоретическая часть. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку. Такой процесс называется теплопередачей, он включает в себя процессы переноса теплоты от ядра потока горячего теплоносителя к поверхности стенки (теплоотдача), через стенку (теплопроводность), от поверхности стенки в ядро потока холодного теплоносителя (теплоотдача) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема процесса теплопередачи

В ядре потока перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией - конвективная теплоотдача. Механизм переноса теплоты при этом характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения t_ср.1 (или t_ср.₂). По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает, т.к. вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой малой толщины, где турбулентные пульсации гаснут, а перенос теплоты осуществляется преимущественно теплопроводностью [4].

Скорость процессов теплоотдачи характеризуется коэффициентами теплоотдачи α₁ и α₂, которые показывают, какое количество теплоты переносится к единице поверхности стенки (или от нее) в единицу времени при средней разности температур между теплоносителем и стенкой в один Кельвин.

Скорость процесса распространения теплоты в стенке определяется коэффициентом теплопроводности материала стенки λ, являющимся физическим параметром вещества и показывающим количество теплоты, проходящей вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при разности температур между стенками в 1 К на единицу толщины стенки.

Коэффициент теплопередачи К характеризует скорость протекания процесса передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку. Он показывает количество теплоты, проходящей через I м² теплопередающей поверхности в единицу времени при средней разности температур между теплоносителями в один К.

Очевидно, что скорость теплопередачи определяется скоростью процессов теплоотдачи по обе стороны стенки и процесса теплопроводности через стенку, т.е

, (3.1)

где α₁ - коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, Вт/(м². К); α₂ - коэффициент теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя, Вт/(м².К); - термическое сопротивление стенки с загрязнениями, м²·К/Вт, r₁, r₂ - термическое сопротивления загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителя соответственно, м²·К/Вт; ,_ст - соответственно толщина стенки и коэффициент теплопроводности материала стенки, м и Вт/(м·К).

Коэффициенты теплоотдачи являются сложной функцией многих переменных и зависят от скорости теплоносителя ω, его плотности ρ и вязкости μ, т.е. переменных, определяющих режим движения теплоносителя; теплофизических свойств теплоносителя (удельной теплоемкости с_p, теплопроводности λ, коэффициента расширения β и др.; геометрических параметров-формы и определяющих размеров стенки (для труб - их диаметр d и длина L ), таким образом,

. (3.2)

Коэффициенты теплоотдачи для конкретных случаев рассчитывают по критериальным уравнениям, полученным путем обобщения опытных данных методами теории подобия.

Например, для расчета процесса теплоотдачи в прямых трубах при ламинарном режиме движения (Re < 2320) и умеренных числах Прандтля ( Rе < 80) рекомендуется уравнение

, (3.3)

где - критерий Нуссельта;

- критерий Грасгофа;

- критерий Прандтля;

Pr_cm - критерий Прандтля при температуре стенки;

t_cm - температура поверхности стенки со стороны горячего или холодного теплоносителя, рассчитываемая методом последовательных приближений. При средней разности температур между теплоносителями Δt_ср<30 ^оС значение температуры стенки можно принимать равным среднеарифметическому значению средних температур теплоносителей, т.е. ;

Δt - разность температур стенки t_cm и теплоносителя, К.

При турбулентном режиме движения (Re >4000) широко используется уравнение

, (3.4)

а в переходной зоне турбулентного режима движения (2320 < Re < 4000) - приближенное уравнение

(3.5)

или график (рис. 3.2)

Рис. 3.2. Зависимость критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса

Уравнения (3.3) – (3.5) могут быть применены для каналов другой формы сечения, например, кольцевых каналах. При этом в качестве характерного размера используется эквивалентный диаметр d _экв, определяемый по формуле

, (3.6)

где S – площадь поперечного сечения канала, м² ; П – смоченный периметр канала, м.

Например, для канала кольцевого сечения, образованного наружной трубой с внутренним диаметром D_вн и внутренней трубой с наружным диаметром d_н, эквивалентный диаметр

, (3.7)

где S = π(D²_вн – d²_н) / 4 - площадь кольцевого сечения, м² ;

П = π (D_вн + d_н) - периметр кольцевого сечения.

Значение опытного коэффициента теплопередачи К_on определяется из основного уравнения теплопередачи

, (3.8)

гдe Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт; F - площадь поверхности теплопередачи, м²; Δt_ср - средняя разность температур между теплоносителями, °С; τ - продолжительность процесса, с.

Если в процессе теплообмена не происходит изменения агрегатного состояния теплоносителей, то тепловая нагрузка может быть определена по формуле

χ , (3.9)

где m_гор, m_хол - соответственно массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; с_гор., с_хол - соответственно коэффициенты удельной теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, Дж/(кг·К); t₁, t₂ - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, °С; t΄₁, t΄₂ - начальная и конечная температуры холодного теплоносителя, °C; χ - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, χ = 1,03+1,05.

Для определения среднего температурного напора Δt_ср в случаях прямотока рекомендуется следующая схема расчета:

		(3.10)
	(3.11)

При расчете средней разности температур для сложных схем движения теплоносителей (смешанная схема, перекрестный и многократный перекрестный ток): 1) определяют Δt_ср по формулам (3.10) или (3.11) для противотока; 2) вычисляют вспомогательные величины Р и R по формулам

, (3.12)

, (3.13)

где - нагрев холодного теплоносителя,^оС;

- разность начальных температур теплоносителей, ^оС;

- охлаждение горячего теплоносителя, ^оС;

- нагрев холодного теплоносителя, ^оС.

3) по значениям P и R из вспомогательного графика (рис. 3.3) берется поправка ε_Δt = f (P,R); 4) определяется температурный напор

. (3.14)

Теплофизические характеристики теплоносителей, входящие в расчетные зависимости, выбирают по их средней температуре.

εΔt

Рис. 3.3. Зависимость ε_Δt=f(P,R)

Для теплоносителя, температура которого изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов, среднюю температуру определяют как среднее арифметическое между начальной и конечной:

или . (3.15)

Для второго теплоносителя средняя температура

t_ср2 = t _cр1 ± Δt _ср . (3.16)