22 билет

1. Теплопередача. Общие сведения.

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями( один, более нагретый,- горячим, а другой, менее нагретый,- холодным теплоносителем). Иногда в случае возможности смешения теплоносителей теплопередачу осуществляют непосредственным соприкосновением( смешением) этих теплоносителей. При этом процесс теплопередачи протекает значительно эффективнее, а аппаратурное оформление процесса существенно упрощается. Поскольку в технике перенос теплоты при непосредственном контакте теплоносителей встречается довольно редко, то в дальнейшем основное внимание будет уделено теплопередаче от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся(стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, т.е. t=f(x, y, τ). Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом(гидродинамическим и тепловым, т.е. температурным). Неустановившиеся процессы имеют место в аппаратах периодического действия, а также при пуске, остановке и изменении режимов работы аппаратов непрерывного действия. Необходимым условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера температурного поля. Под температурным полем понимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды. Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры. Поэтому все изотермические поверхности замыкаются или кончаются на границах рассматриваемого тела.

Lim(∆t/∆l)= ∂t/∂l= grad t,

Называют температурным градиентом, который пердставляет собой производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При ∂t/∂l=0 наступает равновесие- поток теплоты прекращается. Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке. Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке. Тогда удельный поток теплоты q будет равен q (-∂t/∂l). таким образом, в отличие от температуры, которая является скаляром, плотность потока теплоты представляет собой векторную величину.

Основное уравнение теплопередачи:

Q= KF∆t_ср τ, где К- коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса теплоты; ∆t_ср –средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями, по поверхности теплопередачи; τ- время, F- поверхность теплопередачи.

2. Устройство оребренных теплообменников.

В технике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко различаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/(м² *К), а от стенки к нагреваемому воздуху – 10-50 Вт/(м² *К). В этом случае оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Этот принцип используют при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей, а также газов. Очевидно, что материал, из которого изготовляют ребристые трубы, должен иметь большой коэффициент теплопроводности. Для снижения гидравлического сопротивления поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Их форма может быть различной. Наиболее часто используют ребра прямоугольного и трапециевидного сечения.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны., причем разработаны конструкции как с оребренными трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена.

3. Уравнение рабочей линии верхней( укрепляющей) части рекификационной колонны.

Для укрепляющей части колонны возьмем произвольное сечение А-А, которому соответсвуют текущее концентрации х и у, и составим материальный баланс по НК для верха этой части колонны:

G_y +Lx_p +Lx,

Откуда y=y_p-(L/G)(x_p-x), (1)

Где L- количество флегмы, стекающей в верхней части колонны.

Причем L=Ф=РR.

Количество поднимающихся по колонне паров

G=Ф+R=РR+Р=Р(R+1)

Так как по принятому допущению у_р=х_р, то уравнение (1) при подстановке в него соответствующих занчений L и G принимает вид

У= х_р- (x_p-x) = x- x_p+x_p= x-x_p(1- ),

Откуда получаем уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны:

У=[R/(R+1)]x+x_p/(R+1)/. (2)

При х=х_р у=х_р, т.е. рабочая линия укрепляющей части колонны пересекает диагональ с абсциссой х_р, что и следовало ожидать, учитывая второе допущение.

Обозначим R/(R+1)= A, а x_p/(R+1)=B.тогда уравнение (2) примет вид соотношения

У=Ах+В,

Которое является уравнением прямой линии. В нем А- тангенс угла наклона α рабочей линии к оси абсцисс, а В- отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат.

К выводу уравнений рабочих линий верхней части ректификационной колонны:

Билет 23

1. Теплопроводность. Механизмы теплопроводности

Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, определяют по закону Фурье- основному закону теплопроводности:

Q= - λFτ∂t/∂l, (1)

Или Q= Q/(Fτ)= - λ∂t/∂l= - λgrad t,

Где q- плотность теплового потока- количества теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени; знак минус указывает на то, что тепловой поток изменяется в сторону уменьшения температуры.

Физический смысл коэффициента теплопроводности вытекает из уравнения (1); его размерность:

[λ]=[ ]= [ ]=[ ]

Таким образом, λ показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу времени длины нормали к изотермической поверхности. Иначе говоря, коэффициент теплопроводности является физической характеристикой вещества, определяющей способность тела проводить теплоту; он зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

При обычных условиях наибольшее значение коэффициента теплопроводности имеют металлы, наименьшее- газы. Теплоизоляционные и строительные материалы обычно имеют пористую структуру, а в порах находится воздух, который плохо проводит теплоту, поэтому эти материалы имеют очень низкие значения коэффициентов теплопроводности. Капельные жидкости имеют λ≈0,1÷0,7 Вт/(м*К), т.е. занимают промежуточные положение между металлами и газами. С повышением температуры коэффициент теплопроводности газов увеличивается, несколько увеличивается λ для газов и с увеличением давления. Для жидкостей и металлов коэффициенты теплопроводности с увеличением температуры обычно снижаются. Обычно в тепловых расчетах коэффициент теплопроводности берут при средней температуре данного вещества.