Передача тепла одновременно конвекцией и тепловым излучением

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

является одним из важнейших процессов теплообмена.

Для установившегося процесса количество тепла, отдаваемое

конвекцией, составляет:

а за счёт теплового излучения:

Если ввести обозначение для коэффициента теплоотдачи излучением:

Количество тепла, отдаваемое стенкой за счет теплового излучения, составит:

Тогда общее количество тепла рассчитывается по формуле:

где приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий одновременно конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопередача также относится к сложному теплообмену между теплоносителями через разделяющую их стенку.

Количество передаваемого тепла определяется основным уравнением

теплопередачи:

коэффициент теплопередачи k определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому через единицу площади разделяющей их стенки в единицу времени при разности температур между теплоносителями в один градус.

При установившемся процессе количество тепла, которым обмениваются теплоносители, остается неизменным для процессов теплоотдачи от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю, а также

теплопроводности по толщине стенки:

После преобразования получим:

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, представляет собой

сопротивление, называемое термическим сопротивлением

теплопередаче.

Это сопротивление складывается из суммы термических сопротивлений

теплоотдачи со стороны теплоносителей и самой стенки:

Движущая сила процесса теплопередачи при прямоточном и противоточном движении теплоносителей вычисляется по уравнению:

где , –наибольшая и наименьшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, соответственно.

При небольших изменениях температур теплоносителей, когда , среднюю разность температур вычисляют как среднеарифметическую:

При перекрестном и смешанном токе теплоносителей среднюю разность

температур определяют из формулы для прямоточного и противоточного

движения теплоносителей с учетом поправочного коэффициента , т.е.

9. Устройство, принцип работы, преимущества и недостатки основных типов теплообменных аппаратов: кожухотрубный аппарат, двухтрубный теплообменник, пластинчатый теплообменник.

Требования, предъявляемые к теплообменникам: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей к коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения изготовления; экономное использование материалов.

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные) и регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в химической технологии. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, при этом теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми

(трубными).

В другой группе поверхностных теплообменников

поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические

плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми.

В смесительных (или контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни. В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа чаще всего применяются для регенерации теплоты отходящих газов.

В химической и нефтехимической промышленности широкое распространение получили поверхностные теплообменники, чаще всего

трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубными.

Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую

поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Этот тип теплообменной аппаратуры получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и технологии изготовления. В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями и целью увеличения скорости движения теплоносителей, изготовляются двух-, четырех, - шести-, двенадцатиходовыми.

Теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха, трубного пучка, распределительной камеры и двух крышек , соединенных с кожухом

фланцами. Трубная решетка приварена к корпусу. Перегородка служит для образования двух ходов по трубам. Перегородки служат для обеспечения зигзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве. За счет зигзагообразного движения увеличивается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи. Для увеличения скорости межтрубного потока и его турбулизации на трубках закреплены ходовые перегородки. Теплообменник установлен на двух опорах.

Двухтрубные теплообменники довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб.

Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой -в

кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными –трубами.

Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные патрубками.

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех метров в секунду), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь, двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

Пластинчатые теплообменники собираются из пакетов гофрированных пластин, по краям которых уложены резиновые прокладки.

При сжатии пакета между пластинами образуются щелевые каналы, куда подаются теплоносители. Таким образом, основной деталью пластинчатого теплообменника является гофрированная штампованная стальная пластина, имеющая по контуру резиновую прокладку. В углах пластины имеются отверстия для подвода или отвода теплоносителей. Поскольку скорость движения теплоносителей в щелевых каналах значительна (1–3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений порядка 4000 Вт/(м²К) при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их

легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине применение их при

высоких давлениях затруднительно.

10. Понятие массообмена. Классификация массообменных процессов. Механизм массопередачи.

Массообменными называются процессы, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Этот переход осуществляется конвективной и молекулярной диффузией, поэтому массообменные процессы называют также диффузионными.

Массообменные процессы классифицируют по агрегатному состоянию

и характеру взаимодействия фаз. Выделяют две группы процессов. Первая–процессы с непосредственным соприкосновением фаз, обменивающихся веществом, в свою очередь подразделяется на две подгруппы: 1-я –процессы с изменяющимися границами раздела фаз(поверхность их контакта не фиксирована); 2-я –процессы с фиксированной границей раздела фаз.

К первой подгруппе относятся процессы в системах:

Жидкость –Пар; массообмен здесь основан на переносе при кипении-конденсации из фазы в фазу нескольких компонентов с разной интенсивностью; это процессы дистилляциии ректификации.

Жидкость –Газ; массообмен основан на растворении одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким растворителем; это абсорбция (либо обратный процесс –десорбция).

Жидкость –Жидкость; массообмен происходит за счёт растворения отдельных компонентов жидкой смеси в другой жидкости, которая не должна смешиваться полностью с исходной; это жидкостная экстракция.

Ко второй подгруппе относят процессы в системах:

Жидкость –Твёрдое; это растворение твердых веществ (или их компонентов) –собственно растворение; выщелачивание, когда жидким растворителем поглощается компонент из его смеси с твёрдым веществом, нерастворимым в растворителе.

Газ –Твёрдое и Жидкость; здесь происходит удаление влаги из твердых

или жидких влажных материалов путем её испарения –сушка. В этом

процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в

паровую или газовую фазу.

Ко второй группе относят также процессы массопереноса, протекающие

без непосредственного соприкосновения фаз.

В настоящее время существует единственный такой технологический приём –мембранный процесс. Его сущность заключается в переносе компонентов с разной скоростью из фазы в фазу через полупроницаемую мембрану.

Массопередача– процесс перехода компонентов из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. Перенос в пределах одной фазы называют массоотдачей.

В массобмене участвуют, как минимум, три вещества: одно образует первую фазу G, другое вторую фазу L, а третье представляет распределяемое между ними вещество M.

Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в фазе G

и имеет концентрацию У. В фазе L в начальный момент распределяемое

вещество отсутствует, т.е. концентрация его в этой фазе Х = 0. Если фазы G и L привести в соприкосновение друг с другом, начинается переход распределяемого вещества из фазы G в фазу L, и с появлением вещества М в

фазе L начинается обратный переход его из фазы L в фазу G.

Со временем скорости перехода вещества станут одинаковыми, и наступит

состояние равновесия. При этом устанавливается определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах: любой концентрации Х этого вещества в фазе L соответствует равновесная концентрация его у_P в фазе G, т.е. у _P =f(x).

Разность между фактической и равновесной концентрациями является движущей силой массообменных процессов:

а) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого

компонента в фазе G: ∆у=у-у_P;

б) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого

компонента в фазе L: ∆х=х-х_P.

В массообменных процессах (массопередаче) движущая сила может

быть рассчитана по одному из двух вариантов -а) или б).

11. Материальный баланс при массопередаче, уравнение рабочей линии, изображение рабочей и равновесной линий на x-y диаграмме.

Рассмотрим прямоточный массообменный аппарат, в котором осуществляется взаимодействие потоков фазы G (кг/с), с изменяющимися в

ней концентрациями распределяемого вещества от у_Н до у_К (в масс. долях),

и фазы L (в кг/с), с изменяющимися в ней концентрациями распределяемого

вещества от х_Н до х_К (в масс. долях) (рис. 5.2). для непрерывного установившегося процесса материальный баланс запишется:

а). По всему веществу:

;

б). По распределяемому компоненту:

Если в нижней части аппарата провести произвольное сечение, то текущие концентрации в нем будут равны у и х, а материальный баланс по всему веществу и по распределяемому компоненту:

Решая это уравнение относительно y, получим уравнение прямой:

Уравнение прямой выше, выражающей связь между рабочими (текущими) концентрациями называется рабочей линией процесса.

При совместном построении линии равновесия у _P и рабочей линии массообменного процесса в координатах у –х (рис.5.3) можно установить

его направление.

Если рабочая линия расположена выше линии равновесия, например, при абсорбции (рис. 5.3), то для произвольно выбранной точки 1 на ней концентрации у>у _P и х<х _P. При этом, стремясь к равновесным концентрациям, у снижается, а х повышается в процессе переноса вещества, т.е., распределяемый компонент переходит из фазы G в фазу L.

Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия, например, при ректификации, то для любой точки рабочей линии у<у_Р и х>х_Р. При этом

распределяемый компонент будет переходить из фазы L в фазу G, стремясь

к равновесным у_Р и х_Р.

12. Основные законы массопередачи (закон молекулярной диффузии, закон конвективной диффузии, механизм термодиффузии) – основные понятия и уравнения.

Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии, либо путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно.

3акон молекулярной диффузии(первый закон Фúка), основанный на том, что диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц, приводящего к переносу вещества из зоны высоких концентраций в

зону низких, гласит: «Масса вещества dM, продиффундировавшего за время

dτ через элементарную поверхность dS (нормальную к направлению

диффузии), пропорциональна градиенту концентрации dc/dn.

где D–коэффициент молекулярной диффузии, показывающий, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу площади поверхности при градиенте концентрации равном единице.

Собственно молекулярная диффузия наблюдается редко. Она обычно сопровождается конвективным переносом вещества в движущейся среде в направлении, совпадающем с направлением общего потока. Суммарный перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом или конвективной диффузией. При конвективной диффузии перенос вещества осуществляется со скоростью во много раз превышающей скорость молекулярной диффузии.

Закон конвективной диффузии позволяет определить количество вещества, переносимого в одной фазе к границе или от границы раздела фаз. Скорость массоотдачи определяется:

Для фазы G:

Для фазы L:

Входящие в эти уравнения разности концентраций у-у_Г и х_Г–х представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответственно в фазах G и L, причем у и х- средние концентрации в ядре потока каждой из фаз; у_Г и х_Г- концентрации у границы соответствующей фазы.

Коэффициенты массоотдачи β_Х(в фазе L) и β_У(в фазе G) показывают, какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу площади поверхности в единиц у времени при движущей силе массоотдачи, равной единице.

Термодиффузия. Во многих процессах массообмена (сушка, варка, жарка и т.д.) возникает различие в направлениях распространения температуры и концентрации диффундируемого вещества. Температурный градиент направлен от периферии продукта к его центру, а градиент концентрации -

от центра к периферии. В этом случае диффундируемое тяжелое вещество перемещается в направлении градиента температур, а легкое -в направлении градиента концентрации. Подобное явление получило название термодиффузии. При термодиффузии процесс массообмена может быть несколько затруднен, что объясняется противоположным направлением движения, например, влаги и паров при варке, жарке, сушке.

Движение влаги в направлении градиента температур называется термовлагопроводностью. Перемещение влаги в направлении градиента концентрации является влагопроводностью, что по своему физическому

смыслу равнозначно диффузии вещества.

13. Подобие массообменных процессов: критерии подобия, критериальное уравнение конвективной диффузии.

При анализе процессов диффузии и массопередачи широко используются различные критерии и критериальные уравнения. Эти критерии носят в основном те же наименования, что и критерии теплопередачи, но к ним добавляется слово "диффузионный".

Диффузионный критерий Нуссельта, характеризующий соотношение

интенсивности переноса вещества конвекцией и молекулярной диффузией у

границы фазы:

Критерий Био является мерой сравнения скорости переноса вещества в

пограничном слое у поверхности раздела фаз и скорости переноса внутри фазы. В процессах, где перенос вещества осуществляется из твердой фазы, вместо критерия Нуссельта используется диффузионный критерий Био:

где k_Д–коэффициент массопроводности или коэффициент внутренней

диффузии.

Таким образом, критерий Био является мерой сравнения скорости внешней и внутренней диффузии извлекаемого из твердой фазы вещества.

Диффузионный критерий Фурье характеризует изменение скорости потока диффундирующей массы во времени и используется для характеристики нестационарных процессов:

Диффузионный критерий Пекле:

Преобразуем критерий Pe_Д и представим его в виде произведения:

Диффузионный критерий Прандтля Pr_Д=ν/D характеризует подобие полей физических величин и определяется только физическими свойствами вещества. В общем виде критериальное уравнение конвективной диффузии

записывается в следующем виде:

Критерий Нуссельта, содержащий искомую величину-коэффициент массоотдачи β, необходимый для расчета коэффициента массопередачи К, в

этом уравнении является определяемым в отличие от других критериев, которые являются определяющими, как составленные целиком из параметров, входящих в условие однозначности.

Конкретные критериальные уравнения в явном виде (в виде степенной функции) приводятся при описании соответствующих массообменных

процессов. По значениям критерия Нуссельта, найденных по критериальным

уравнениям, определяют коэффициенты массоотдачи для каждой фазы:

а затем -коэффициент массопередачи К.

14. Массопередача: основное уравнение массопередачи, коэффициент массопередачи в фазах, зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи.

Массопередача, представляет собой сложный процесс, включающий в себя перенос массы (вещества) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела и перенос в пределах другой фазы:

-Основное уравнение массопередачи

где М–общее количество вещества, перешедшего из одной фазы в

другую за единицу времени;

К–коэффициент массопередачи для всей поверхности S контакта фаз.

Согласно этому уравнению количество вещества М, перенесенное из одной

фазы в другую за единицу времени пропорционально разности его текущей и равновесной концентраций ∆С и площади фазового контакта S.

Коэффициент массопередачи К показывает, какое количество вещества переходит из одной фазы в другую за единицу времени через единицу площади поверхности фазового контакта при движущей силе равной единице.

Сложность расчета процесса массопередачи связана с тем, что практически невозможно измерить концентрации фаз непосредственно у границы их раздела. Учитывая это, основное уравнение массопередачи, выражают в виде двух равноценных уравнений:

где Кy, Кx–коэффициенты массопередачи, выраженные через концентрации фаз G и L.

С помощью этих уравнений обычно находят поверхность контакта фаз S и по ней рассчитывают основные размеры аппарата. При этом величина M либо задается в исходных данных, либо определяется по материальному балансу.

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 89; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!