Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

Пузыри, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На это место поступает новая порция жидкости, таким образом,

2

реализуется циркуляция жидкости. Здесь ~ T 3 .

Рис.4.9

При T Tкр происходит слияние близко образующихся пузырей. Если

d пузырька, то на поверхности стенки образуется паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Такой режим кипения называется пленочным.

Tкр 25 C

Рассмотрим движение пузырька. Достигнув определенного диаметра d0 , пузырек отрывается от поверхности:

Здесь - краевой угол смачивания, - коэффициент поверхностного натяжения. В момент отрыва пузырька сила поверхностного натяжения жидкости, которая удерживает пузырек, равно Архимедовой подъемной силе. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме за счет испарения жидкости внутри пузырька, сплющивается и приобретает форму гриба. Гриб имеет сложную траекторию, дробится и коалесценцизуется.

Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков в виде теплоты испарения.

Передача теплоты от стенки непосредственно пузырю ничтожно мала. Для того, чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь Т несколько ниже температуры пара. Поэтому жидкость

31

несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от физических свойств жидкости, давления, Т , свойств материала стенки, и.т.д.

Учесть все это трудно, трудно предлагать единую зависимость. Поэтому для определения в литературе предлагаются различные физические модели. Но общепринятой модели нет. Формальный вид:

А – сложный комплекс многих величин. Иногда предлагают критериальное уравнение вида:

Значения A, m, n – обычно определяют экспериментально.

1.13 Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей.

Этот случай химической технологии встречается реже, чем теплопередача через разделяющую стенку. Однако, иногда (охлаждение воды воздухом в аппарате с зернистым слоем и др.) такой вид теплообмена значительно проще организовать.

Система газ – жидкость. Теплообмен сопровождается процессами переноса массы из одной фазы в другую. Если жидкость охлаждается, то происходит испарение части жидкости и распространение ее в газовом потоке.

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное, при температуре большей, чем температура кипения жидкости при заданном давлении.

Внепосредственной близости к поверхности жидкости, газовая фаза насыщена паром с парциальным давлением pП , меньшим давления насыщенного пара PП .

Внашем случае, PП pП ,поэтому возникает поток из жидкости в газовую фазу.

испаряющуюся и движущуюся над ней парогазовой смеси.)

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

Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни. Подобные процессы теплообмена сопровождаются процессами переноса массы из одной

32

фазы в другую. Следовательно, перенос тепла идет дополнительно за счет массопередачи. При испарении, конденсации, сорбции и др. идет совместный процесс тепло - и массообмена. Они очень сложны. Поэтому нет достаточных обобщений.

рис.4.10

Система твердые частицы (неподвижная) – 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 рад зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи:

разные.

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее.

33

Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом характеризуется критерием Био:

теплопроводность твердого материала.

При малых значенияхBi основное сопротивление во внешней фазе;

При больших значенияхBi основное сопротивление внутри твердой фазы. Для первого случая – расчет по формуле (4.48)

Для второго – материалы в специальной литературе.

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Благодаря большой поверхности 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

В аппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды увеличивается , достигает max , затем начинает уменьшаться.

1.14 Радиационно-конвективная теплоотдача.

1.14.1 Тепловое излучение.

Во всех телах, температура которых выше 0ºК происходит превращение тепловой энергии в лучистую. Носители 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 – 0,8 мк. Интенсивность светового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при Т 600ºС лучистый теплообмен между твердыми телами и газами приобретает доминирующее значение.

34

QU QR

QA

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:

Здесь Co - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Здесь С - коэффициент излучения серого тела.

Теплообмен при излучении.

Здесь C1 2 - коэффициент взаимного излучения двух тел, Т1 и Т2 температура в К более и менее нагретого тел соответственно.

Предположим, происходит перенос теплоты от стенки аппарата в окружающую среду. Тогда:

35

T

Вкомплексе - температура в К.

100

U - количество теплоты, отдающейся в окружающую среду, за счет излучения

за единицу времени, через единицу площади и при разнице температур в 1ОС. Перенос теплоты QП в окружающую среду идет за счет теплоотдачи и

Здесь П Т U - общий коэффициент теплоотдачи.

1.14.2 Оптимизация и интенсификация теплообмена.

Задача оптимизации по критерию Nu :

Оптимизация по какому-то параметру. Далее: первая производная равна 0, вторая производная положительна.

Многопараметрическая оптимизация более сложная задача. Методы интенсификации теплообмена:

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

Пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток формой поверхности теплообмена: винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Смысл разрушение пристенных слоев жидкости.

Обработка: Юрейцер

Назмеев

Использование пленочного течения для интенсификации

теплообмена, ПЛЕН 2 3 Чем меньше толщина пленки, тем лучше. Однако,

ТРУБЫ

возможны разрывы пленки жидкости. Для каждого случая определяют минимальную плотность орошения.

Особенность пленочного течения: малое время прогрева пленки, это особенно важно для термолабильных материалов.

Центробежные пленки ещё лучше.

2 Выпаривание.

2.1 Основные понятия

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, которое 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, при котором нагревание раствора

осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).

Вхимической технологии, в основном применяется, первый метод выпаривания. Далее о первом методе.

Вкачестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара и кипения раствора.

Вотличии от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.4.29):

греющей камеры или кипятильника, сепаратора.

Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соловым.

37

пар вода

1

4

вакуумный насос

раствор

3

конденсат

упаренный пар

рис.4.29 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 Pатм ,Ризб ,Рвак . Выпаривание при Рвак - снижается температура кипения раствора, при Ризб -вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного раствора NaCl (26%) Ткип 1100 С , для воды

Ткип 1000 С .

Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд,

называется экстра паром.

2.2 Классификация и конструкция выпарных установок.

Выпарная установка, состоящая из одного выпарного аппарата, называется однокорпусной (рис.4.29).

Выпарная установка, состоящая из 2 или более выпарных аппаратов, называется многокорпусной. 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.

38

2.2.1 Конструкции выпарных аппаратов.

вторичный пар

рис 4.33

В пленочном выпарном аппарате исходный раствор поступает в трубы снизу и заполняет и заполняет одну четверть трубы. Происходит кипение раствора, образующийся пар увлекает раствор в виде кольцевой пленки. Кольцевая пленка при кипении испаряется.

пар

Пар

К

исходный

раствор

Рис 4.33а Пленочный выпарной аппарат (пленка восходящая)

Роторные выпарные аппараты применяются для выпаривания высоковязких пастообразных продуктов. Вращающиеся лопасти ротора распределяют раствор по стенке корпуса за счет силы тяжести. Стенка аппарата обогревается паром.

40