1.5. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей

Этот случай в промышленной технологии встречается реже, чем теплопередача через разделяющую стенку. Однако, в ряде случаев (охлаждение воды воздухом, в аппаратах с зернистым слоем и др.) такой вид теплообмена значительно проще организовать. При этом различают теплопередачу при непосредственном контакте в системах газ – жидкость, газ (жидкость) – твердое тело.

. 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 меньшей, чем температура кипения жидкости при заданном давлении.

В непосредственной близости к поверхности жидкости газовая фаза насыщена паром с парциальным давлением p_п меньшим давления насыщенного пара p_нп, поэтому возникает поток вещества из жидкости в газовую фазу. В процессе испарения жидкость охлаждается, потому что источником энергии является сама жидкость. Потоки теплоты из жидкой фазы в газовую вследствие испарения (адиабатическое испарение) за счет конвекции равны

. (69)

Здесь  – коэффициент теплоотдачи; T_т – температура газа; T_м.т – температура мокрого термометра (низшая температура жидкости, испаряющейся и движущейся над ней парогазовой смеси).

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

Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни.

Теплообмен при непосредственном контакте газа (жидкости) с твердым зернистым материалом подразделяют в зависимости от состояния слоя этого материала: он может быть неподвижным, движущимся и псевдоожиженным.

. Система твердые частицы (неподвижные) – 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 ряд зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи

. (70)

Здесь A, n₁, n₂ – экспериментальные данные, при разных значениях Re_м они разные (Re_м – модифицированный критерий Рейнольдса).

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее. Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом характеризуется критерием Био

, (71)

Здесь  – коэффициент теплоотдачи внешний фазы; l – характерный линейный (размер для шара l = R); ₃ – теплопроводность твердого материала.

При малых значениях B_i – основное сопротивление во внешней фазе; при больших значениях B_i  основное сопротивление внутри твердой фазы.

Для первого случая расчет теплообмена можно проводить по формуле (70). Для второго – материалы в специальной литературе [3].

Теплопередача в движущемся слое зернистого материала. Основное отличие движущегося плотного слоя от неподвижного – это увеличение его порозности, особенно у стенок аппарата.

Лимитирующей стадией теплопереноса в движущемся слое является внешняя теплоотдача. Коэффициент теплоотдачи внешней фазы ниже, чем в случае неподвижного слоя.

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Благодаря 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).

Обработка опытных данных критериальная: например, для переноса тепла от среды к частице предлагается зависимость

, (72)

где 0,4 <  < 0,8.

В аппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды  увеличивается и достигает _max, затем начинает уменьшаться. Обычно максимальное значение  достигается при скорости сплошной фазы, превышающей примерно в 2 раза скорости начала псевдоожижения.