1

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

. (74)

Для абсолютно черного тела по закону Стефана-Больцмана определяется

.

Здесь – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел закон Стефана-Больцмана примет вид

.

Здесь С – коэффициент излучения серого тела, C =  ,  – степень черноты серого тела.

Наиболее характерный пример радиационно-конвективной теплоотдачи – перенос теплоты Q_П от стенки аппарата в окружающую среду (т.е. потеря теплоты). Для этого случая

, (75)

где Q_T и Q_U – количество теплоты, переходящее от стенки соответственно за счет теплоотдачи и теплового излучения.

Количество теплоты, передаваемое теплоотдачей в окружающую среду (воздух) с температурой Т_в, определяют по формуле

(76)

а тепловым излучением

. (77)

Здесь _т – коэффициент теплоотдачи стенки; Т_ст – температура стенки; F – площадь теплоотдачи; t – время; С_1–2 – коэффициент взаимного излучения двух тел (стена – воздух).

Умножив и разделив правую часть уравнения (77) на (Т_ст – Т_в), получим

где .

Имея в виду соотношение (75), получим

(78)

.

Здесь _п = _т + _u – общий коэффициент теплоотдачи. При вынужденной теплоотдаче _т > _u.

19.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, т.е. добиваться при проведении процесса теплообмена наименьших затрат.

Рассмотрим интенсификацию теплообмена. Обычно тепловая нагрузка теплообменного аппарата фиксирована  она либо задана, либо находится из уравнения теплового баланса. Задача сводится к определению минимальной межфазной поверхности для проведения данного процесса теплообмена

(79)

Уменьшение поверхности теплообмена можно достичь согласно формуле (79), увеличивая коэффициент теплопередачи или среднюю движущую силу процесса. Увеличить ΔT_ср можно, используя теплоносители с большой разницей начальных температур, достаточно высоким расходом и удельными теплоемкостями при противотоке.

Для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить коэффициенты теплоотдачи ₁, ₂ и уменьшить термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители. На коэффициент теплоотдачи влияют следующие факторы:

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

Физические свойства теплоносителя (, , с_р, ). Коэффициент теплоотдачи  растет с уменьшением µ и увеличением , , с_р.

Размеры и формы поверхности теплообмена.

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

Для увеличения α используются активные и пассивные методы.

К активным методам относятся: механическое воздействие на теплообменную поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание теплоносителя и т.д.), пульсация давления, вдув и отсос пограничного слоя.

В основе пассивных методов 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 , так и коэффициент гидравлического сопротивления .

Оценим эффективность методов интенсификации теплообмена. Обозначим через Nu и  до использования методы интенсификации, через Nu_u и _u после. Очевидно, эти параметры зависят от режима течения теплоносителя. Тогда можно записать

. (80)

Если левая часть уравнения больше единицы, то использование предложенного метода интенсификации экономически оправдано. Для интенсификации теплообмена можно использовать пленочное течение теплоносителя.

20. Промышленные способы подвода и отвода теплоты. Виды теплоносителей.

Проведение многих технологических процессов связано с необходимостью подвода и отвода теплоты. Все тепловые процессы и установки разделяют на:

высокотемпературные от 400 до 2000 C (огнетехнические процессы, нагревательные печи);

среднетемпературные от 150 до 700 C (ректификация, сушка, выпарка);

низкотемпературные от –150 до 150 C (отопительные, вентиляционные; установки, кондиционеры, холодильные установки);

криогенные – Т < –150 C (разделение воздуха).

Теплообменники (ТО) – аппараты для передачи тепла от одного вещества к другому. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями (ТН).

Для решения этой задачи применяют различные теплоносители. ТН классифицируются по:

1. По назначению:

греющий ТН;

охлаждающий ТН, хладаноситель;

промежуточный ТН;

сушильный агент.

2. По агрегатному состоянию:

Однофазные:

низкотемпературная плазма;

газы;

неконденсирующиеся пары;

не кипящие и неиспаряющиеся при данном давлении жидкости;

растворы;

зернистые материалы.

Много (двух) фазные:

кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости;

конденсирующиеся пары;

плавящиеся, затвердевающие материалы;

пены, газовзвеси;

аэрозоли;

эмульсии, суспензии и т.д.

3. По диапазону температур:

высокотемпературные ТН (дымовые, топочные газы, расплавы солей, жидкие металлы);

среднетемпературные ТН (водяной пар, вода, воздух);

низкотемпературные ТН (при атмосферном давлении T_кип ≤ 0 C);

криогенные(сжиженные газы – кислород, водород, азот, воздух и др.) .

С увеличением давления растет и температура кипения жидкостей.

В качестве прямых источников тепловой энергии на промышленных предприятиях используют топочные (дымовые) газы и электроэнергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту, в ТО называют промежуточными ТН. Наиболее распространенные промежуточные ТН:

водяной пар насыщенный;

горячая вода;

перегретая вода;

органические жидкости и их пары;

минеральные масла, жидкие металлы.

Требования к ТН:

большая , с_р;

высокое значение теплоты парообразования;

низкая вязкость;

негорючесть, нетоксичность, термостойкость;

дешевизна.

. Нагревание водяным паром и парами высокотемпературных теплоносителей

Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.

При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты. Насыщенный водяной пар используют при 1,01,2 МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 C. Выше – экономически невыгодно, усложняется аппаратурное оформление процесса.

Преимущества насыщенного водяного пара:

высокий коэффициент теплоотдачи  от конденсированного пара к стенке;

большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара;

равномерность обогрева (T_конд = const);

возможность регулирования температуры путем изменения давления;

возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

увеличение давления с увеличением температуры (основное).

постепенное увеличение в системе содержания неконденсированных газов (N₂, O₂, CO₂, и т.д.).

При нагревании насыщенным водяным паром различают острый и глухой пар. Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку.

Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема использования острого пара

Массовый расход острого пара, используемого на нагревание жидкости, определяют из уравнения теплового баланса

. (81)

Здесь – массовый расход сухого острого пара; Н_г – энтальпия пара; – массовый расход нагреваемой жидкости; с – теплоемкость нагреваемой жидкости; – теплоемкость конденсата; Т₁ и Т₂ – температуры жидкости до и после нагрева; – потери тепла в окружающую среду. Температура конденсата и жидкости одинаковы.

Острый пар применяется редко, наиболее часто применяется глухой пар (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема использования глухого пара

Пар конденсируется на поверхности аппарата, и стекает в виде пленки по поверхности стенки. Уравнение теплового баланса имеет вид

(82)

Как видно из (82), температура конденсата и температура нагреваемой среды разные. При нагревании глухим паром в паровом пространстве аппарата может скапливаться содержащийся в нем неконденсирующийся газ (N₂, O₂, CO₂ и др.), что значительно снижает коэффициент теплоотдачи от пара к стенке.

Более высокого уровня температуру (чем для водяного пара) можно получить при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) (рис. 2.3). Как видно из рисунка, к нагреваемой системе можно подводить теплоту при температуре дифениловой смеси 258 C при атмосферном давлении.

Рис. 2.3. Зависимость температуры насыщения Т C

от давления р для воды (1) и дефиниловой смеси (2)

2.1.2. Нагревание горячими жидкостями

Когда недопустим даже кратковременный перегрев нагреваемой среды, используются промежуточные теплоносители в виде жидкостей. К их числу относят горячую (перегретую) воду, минеральные масла, жидкие ВОТ, расплавы солей.

Этот процесс может быть организован с естественной или вынужденной циркуляцией промежуточного теплоносителя (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схемы обогрева с естественной (а) и вынужденной (б) циркуляцией жидких ВОТ

Жидкий ТН нагревается в печи, например, топочными газами, плотность ТН уменьшается, и возникает естественная конвекция. При этом скорости жидкого ТН невелики, и поэтому значения коэффициента теплоотдачи небольшие

При вынужденной циркуляции скорость жидкого ТН доходит до 2–2,5 м/с и процесс теплоотдачи более интенсивный.

Рассмотренные выше способы нагревания предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до 1000–1100 С. Нагревание топочными газами производят в трубчатых печах, облицованных шамотом камерах сгорания, внутри которых размещены нагревательные элементы, состоящие из стальных трубок.

Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать. Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах.

Отвод теплоты

Многие процессы промышленной технологии протекают в условиях, когда возникает необходимость отвода теплоты, например, при охлаждении газов, жидкостей или при конденсации паров.

Рассмотрим некоторые способы охлаждения.

Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладагентами.

Охлаждение водой используют для охлаждения среды до 10–30 С. Речная, прудовая и озерная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4–25 С, артезианская – 8–12 С, а оборотная (летом) – около 30 С.

Расход охлаждающей воды определяют из уравнения теплового баланса

. (83)

Здесь – расход охлаждаемого теплоносителя; Н_н и Н_к – начальная и конечная энтальпии охлаждаемого теплоносителя; Н_нв и Н_кв – начальная и конечная энтальпии охлаждающей воды; – потери в окружающую среду.

Достижение более низких температур охлаждения можно обеспечить с помощью низкотемпературных жидких хладагентов.

Охлаждение воздухом. Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используют в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла

Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения, в процессе испарения части потока воды.

21. Классификация и конструкция теплообменников

Теплообменники различаются по назначению, принципу действия, конструктивным и другим признакам. Рассмотрим некоторые из них:

По назначению:

подогреватели;

испарители;

паропреобразователи;

конденсаторы;

холодильники;

радиаторы и т.д.

По принципу действия:

поверхностные (рекуперативные, регенеративные);

контактные (смесительные).

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева. Сначала поверхность аккумулирует теплоту, а потом отдает теплоту и охлаждается.

Требования к теплообменникам:

возможность проведения технологического процесса;

высокий коэффициент теплопередачи;

низкое Δp;

устойчивость поверхности теплообмена против коррозии;

доступность поверхности теплообмена для чистки.

22. Методика расчета теплообменника

Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников.

Цель проектного расчета – определение необходимой площади F для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому.

Цель поверочного расчета – определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с заданной площадью F при заданных условиях его работы.

Основы расчетов: уравнения теплопередачи и тепловых балансов.

Проектный расчет теплообменника.

Задано: расход, одного из теплоносителей, другого теплоносителя. Расход тепла определяется по основному уравнению теплопередачи

. (84)

Тепловой баланс можно записать следующим образом

. (85)

Здесь – расходы теплоносителей; – начальная и конечная энтальпии более нагретого теплоносителя; – конечная и начальная энтальпии менее нагретого теплоносителя.

В уравнение (85) два неизвестных и . Необходимо задаваться одной из величин. Задаемся Тогда из (85) определяется

Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния, то

,

где с – теплоемкость теплоносителя при

Температура находится как среднеарифметическое

где i = 1,2.

Среднюю движущую силу определяют как среднелогарифмическую

. (86)

Формула справедлива для модели идеального вытеснения.

Если один из теплоносителей меняет фазовое состояние, например, происходит конденсация пара, тогда имеем

. (87)

Здесь Н_п, Н_к – энтальпии пара и конденсата соответственно.

Если то . В аппаратах с противотоком T_ср больше, чем в аппаратах с прямотоком (рис. 2.19) Определение коэффициента теплопередачи K

. (88)

T ∆Tм ∆Tм ∆Tб F	T T ∆Tб F	F ∆Tб ∆Tм
противоток	прямоток	противоток при конденсации пара

Рис. 2.19. К определению ∆T_ср

Коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂ зависят от режимов течения теплоносителей, которые без реального аппарата неизвестны, поэтому принимаем ориентировочное значение K. Приближенное значение K можно найти в справочной литературе.

По известным определяют предварительное значение F_ср.

Поверочный расчет теплообменника.

Поверочный расчет теплообменника проводят после выбора конструкции теплообменника (нормализованного). Производят уточненный расчет _i, K, F_расч. Далее выполняют сопоставление F_расч и F_норм. Если F_норм > F_расч расчет прекращают. Разница ∆F = F_норм – F_расч не должна превышать допустимый запас. Если F_норм < F_расч необходимо брать ТО большей площадью и все повторить.

На рис. 2.20 приведена схема теплового расчета теплообменника.

.Схема теплового расчета теплообменника

23.Выпаривание

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде паров. Выпаривание обычно проводится при кипении. Обычно из раствора удаляется только часть растворителя, так как вещество должно оставаться в текучем состоянии.

Существует три метода выпаривания:

поверхностное выпаривание осуществляется путем нагревания раствора на теплообменной поверхности за счет подвода тепла к раствору через стенку от греющего пара;

адиабатическое выпаривание, которое происходит путем мгновенного испарения раствора в камере, где давление ниже, чем давление насыщенного пара;

выпаривание путем контактного испарения  нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).

Поверхностное выпаривание

В промышленной технологии в основном применяется первый метод выпаривания. Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. Разность температур между теплоносителем и кипящим раствором называют полезной разностью температур.

В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара к кипящему раствору.

В отличие от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов: греющей камеры или кипятильника и сепаратора (рис. 3.1). Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соковым. Температура вторичного пара всегда меньше температуры кипения раствора. Для поддержания постоянного вакуума в конденсаторе необходимо отсасывать парогазовую смесь вакуум-насосом.

Рис.

3.1. Однокамерная выпарная установка: 1 – сепаратор; 2 – греющая камера;

3 – циркуляционная труба; 4 – конденсатор; 5 – барометрическая труба

В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при р_атм, р_изб, р_вак. В случае выпаривания при р_вак снижается температура кипения раствора, при p_изб – вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного водного раствора NaCl (26 ) T_кип = 110 С, для воды T_кип = 100 С. Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называется экстра паром.

Классификация и конструкция выпарных установок

В случае, если в выпарной установке имеется лишь один выпарной аппарат, такую установку называют однокорпусной (рис. 3.1). Если же в выпарной установке имеется 2 или более выпарных аппаратов, то такую установку называют многокорпусной (многократной, многоступенчатой). В этом случае, вторичный пар одного корпуса используют для нагревания в других выпарных аппаратах той же установки, что экономно. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и т.д. Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки в основном работают в непрерывном режиме.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко. Их преимущество – для подачи раствора на следующий корпус не требуется насоса, поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус, благодаря разности давлений, идет самотеком. Температура кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме первого) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение из этого же раствора.

В прямоточной схеме (рис. 3.2) выпарной установки происходит понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к уменьшению коэффициента теплопередачи и увеличению общей поверхности теплообмена.

Рис. 3.2. Многокорпусная выпарная установка прямоточного типа

В противоточных выпарных установках греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 3.3). Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора нужны насосы.