Лекция 5

Вопросы: теплообмен, теплообменники, процессы горения, топки, двигатели, паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания. Холодильные Установки

Теплообмен – это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температур.

В тепловых устройствах: двигателях, насосах, компрессорах нужно учитывать теплообмен.

В зависимости от конкретной ситуации есть необходимость, как увеличения, так и уменьшения теплообмена. Так теплообменник используется для передачи тепла от геотермальных вод и от теплоносителя ядерного реактора рабочему телу, преобразующему теплоту в работу. В этом случае для наибольшей эффективности необходим как можно лучший теплообмен.

От правильной организации процессов теплообмена существенным образом зависят экономические результаты технологических процессов. Энергетические потери процессов теплообмена в основном связаны с потерей в окружающую среду. Если эти потери малы, то ими можно пренебречь. Наиболее эффективен противоточный режим теплообмена.

В общем случае схемы теплообменных процессов можно представить следующим образом:

Т Т Т Т

2 4 2 2 2

4 3 1 3 4 3 4

1 1 1 3

Движущая сила теплообмена: ,

Термическая эксергия каждого потока

или для теплообмена

При Т₃=Т₂ и Т₁=Т₄, т.е при бесконечной поверхности теплообмена, . Так как практически всегда , то эксергия при теплообмене теряется. Для теплообмена при испарении жидкости

Чем больше , тем больше потери эксергии.

В практике химической технологии распространены самые разнообразные схемы теплообмена. С позиций термодинамики экономия достигается при снижении до минимума движущих сил, т.е. , но при этом увеличивается площадь теплообмена м² и могут ухудшаться экономические показатели.

Перенос тепла осуществляется тремя способами:

1) теплопроводность – называют молекулярным механизмом передачи теплоты. Теплопередача осуществляется посредством теплового движения микрочастиц в среде с неоднородным распределением температуры.

2) конвекция – теплопередача осуществляется в среде, где не только неоднородное поле температуры, но и неоднородное распределение скоростей движения микрочастиц. Имеется направленное перемещение последних.

3) теплообмен излучением. Теплопередача осуществляется путем поглощения и излучения кванта света, которому соответствует энергия равная Е=hv.

Теплопроводность описывается законом Фурье:

()

Q – количество тепла переданное через плоскую стенку с соответствующими параметрами;

λ – коэффициент теплопроводности [Вт/м·К];

Т₁–Т₂ – разность температур горячей и холодной сторон стенки;

S – площадь стенки;

δ – толщина стенки;

τ – время.

Величину λ/δ называют термической проводимостью, а обратную величину термическим сопротивлением.

Чтобы убрать площадь поверхности из расчетов вводят величину ζ = Q/S·τ – поверхностная плотность теплового потока.

Теплоотдача и теплопередача.

Два потока отделены границей и между ними осуществляется теплообмен. Данный процесс описывается по уравнению Ньютона:

ζ = α·(Т₁-Т₂), где α – коэффициент теплообмена [Вт/м²·К].

Теперь рассмотрим процесс теплообмена. Два потока разделены твердой стенкой.

Тогда суммарный процесс теплопередачи записывается уравнением:

 – коэффициент теплопередачи. При таком методе расчета все что нужно, только разность температур двух сред.

Типы теплообменников

По способу передачи тепла:

1) контактные – осуществляется непосредственный контакт двух систем. Данные теплообменники имеют много ограничений: могут смешиваться или реагировать.

2) поверхностные теплообменники или рекуператоры передача тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку. Данный вид теплообменников наиболее часто используется в промышленности.

3) регенераторы (теплообменник периодического действия, которые снабжены теплоаккумулирующей насадкой).

Рекуператоры делят на:

1) теплообменники

2) подогреватели

3) конденсаторы

4) холодильники

5) кипятильники (испарители)

Метода повышения эффективности теплообмена:

1) выбор правильного режима теплообмена прямоток и противоток;

2) изменение конструктивных особенностей теплообменника;

3) учесть конструктивные особенности теплообмена в данной технологической схеме;

4) выбор теплоносителя (температура кипения, коррозия, агрессивность, вязкость)