РАЗДЕЛ III . ТЕПЛОВЫЕ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ГЛАВА 9. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ

Общие сведения

Вопросы подвода и отвода теплоты в химических аппаратах играют исключительно важную роль. Управление скоростью химических реакций, процессами разделения гомогенных смесей — выпариванием, перегонкой, ректификацией и др., как правило, осуществляется с помощью подвода или отвода теплотьцДля тепловых процессов в химической промышленности характерен широкий диапазон температур и количеств передаваемой теплоты. Так, в процессе получения жидкого воздуха температуры снижаются до —180° С, а температура в печах для получения карбида кальция превышает +2500° С. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим образом обеспечивают этот процесс.

Производства химических продуктов, которые требуют больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическим'и установками. Рациональное расходование теплоты—важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса. v Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, называется теплообменом. Движущей силой.этого "процесса является разность температур, причем теплота самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

■ В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени, поэтому процессы теплообмена в таких аппаратах являются установившимися. В аппаратах периодического действия, где температуры меняются во времени, осуществляются неустановившиеся процессы.

Количество теплоты, которое должно быть передано в теплооб-менном аппарате, определяется нз теплового баланса. Теплота Q \, вносимая теплоносителем, имеющим более высокую температуру, воспринимается в количестве <2г более холодным теплоносителем. Часть вносимого тепла расходуется на компенсацию тепловых потерь Qno_T:

Qi=Q₂+Qn₀_T- (9.1)

Если теплоносители не меняют, своего агрегатного состояния, т. е. не происходит их конденсации, испарения, плавления или затвердевания, то величины Qi и Qa выражаются соотношениями-

Qi=.GiC₁"(/,.~/ta)_f (9.2)

Q 2— G 2 С₂ (^2к—'гв).

(9.3)

108

где G_u G ₂— массы веществ, участвующих в теплообмене; С\, Сг — средние теплоемкости⁴, веществ в данном интервале; ti_B , ^ik— начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, ^к, <гн—• конечная и начальная температуры холодного теплоносителя.

Для уменьшения ' тепловых потерь QnoT аппараты покрывают снаружи тепловой изоляцией. В этом случае величина QnoT не превышает 3—5% полезно использованной теплоты.

При проведении тепловых расчетов аппаратов возникают две основные задачи: по заданным Брличествам и температурам теплоносителей определить величину ^еплопередающей поверхности, а следовательно, и размеры аппарата^ для имеющегося аппарата выполнить поверочный расчет, из которого при заданных температурных условиях определяют его производительность по одному или другому-теплоносителю. И в первом и во втором случаях используют основное уравнение теплопередачи (9.2). .

В тех случаях, когда теплообмен между* двумя средами сопровождается фазовым переходом, в уравнениях тепловых балансов, необходимо учитывать теплоту фазового перехода. Различают три принципиально различных способа распространения тепла: теплопроводность,- конвекцию и тепловЬе излучение.

Передача теплоты теплопроводностью

Под теплопроводностью понимают перенос теплоты вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц (молекул, атомов) , непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах, обладающих упорядоченной молекулярной структурой, теплопроводность является основным видом распространения теплоты. В газах и жидкостях в силу подвижности не только микрочастиц, но и макрообъемов вещества перенос теплоты осуществляется также другими способами.

Согласно закону Фурье, количество теплоты Q , передаваемое теплопроводностью через плоскую стенку (рис. 100), пропорционально разности температур между ее поверхностями /_от,—t_Ct_v ве личине этой поверхности F , времени х, обратно пропорционально толщине стенки б и зависит от коэффициента пропорциональности %1

_QasB W ^- t ^* . _(9>4)

Коэффициент пропорциональности % называется коэффициентом теплопроводности и выражается зависимостью

^ (<_я,-<«,)■« ■

(9.5)

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при разности температур между стенками 1°С и толщине стенки 1 м:

109

Значение коэффициента теплопроводности Л'зависит от природы вещества, его структуры, температуры и ряда других факторов. В зависимости от значений коэффициентов/теплопроводности применяемые при конструировании химических аппаратов материалы могут быть условно подразделены на хорошие проводники теплоты— металлы и плохие — теплоизоляционные материалы и газы.

Примерные значения Я для некоторых материалов [Вт/(м-К)]:

Медь................................... 380

Алюминий . . ; . . 210

СтЗ...................................... 46

Нержавеющая сталь . 23

Бетон................................... 2.0

'Вода..................................... 0,6

Кирпичная кладка . . 0,5

Шлаковата.......................... ...... 0,1

Воздух................................ ' 0,03

^/ ///^///-'^/-^К^

^Ь СТ2

Рнс. 100. К выводу уравнения теплопроводности для однослойной плоской^ стенки

Рис. Ю1¹. К выводу уравнения теплопроводности для многослойной плоской стеики

Рис. 102. К выводу уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки

Из приведенных данных видно, что величина Я,'для различных
материалов изменяется в широких пределах; это в значительной
мере определяет их назначение. Низкая теплопроводность тепло-,
изоляционных материалов объясняется их пористой структурой,
в ячейках которой заключен воздух, плохо проводящий теплоту.
Для большинства металлов коэффициенты теплопроводности с
возрастанием температуры уменьшаются, тогда как для газов они
возрастают. •

Если плоская стенка состоит из нескольких слоев, отличающихся друг от друга теплопроводностью и толщиной {рис. 101), то уравнение теплопроводности для трехслойной стенки принимает вид

.)■«

Fit?

»iAi + h/h + h/h '

, (9.7)

где 6i,62, 63 — толщины отдельных слоев; Я_ь Яг, Я₃ — коэффициенты теплопроводности этих слоев.

Как следует из уравнения (9.4), по закону Фурье, количество передаваемой через плоскую стенку теплрты пропорционально ве-

110

личине поверхности ^стенки F . У плоской стенки ее величина одинакова с одной и g ДруЬэй стороны. Однако при прохождении теплоты, например, через толстостенные трубы, у которых внутренняя и' наружная поверхности н⁴^ равны, уравнение теплопроводности плоской стенки не может бьи% применено.

Формула для расчета потока теплоты через цилиндрическую
стенку при значительной разнице между наружной и внутренней
поверхностями (рис. 102) и установившемся процессе теплообмена
имеет вид \

. Q^yfy-W . (9.7а)

А Рвя

В этом уравнении L — длина цилиндрической стенки по оси; d_a— наружный диаметр стенки; d_m—внутренний диаметр стенки. Если отношение диаметров наружной и внутренней поверхности близко к единице, то допустимо применение формулы (9.4) для плоской стенки, в которой величина F рассчитывается как среднее арифметическое.

Передача теплоты конвекцией

Конвективным теплообменом называется перенос теплоты с перемещающимися макроскопическими объемами газов или жидкостей. Перенос теплоты возможен в условиях естественной конвекции, при которой движение макроскопических объемов вызвано разностью плотностей в различных точках объема, возникающей вследствие разности температур в этих точках, и вынужденной конвекции при принудительном перемещении жидкости. Передача теплоты вынужденной конвекцией происходит, например, при перемешивании объема мешалкой, причем интенсивность этого процесса тем выше, чем более турбулентно осуществляется перемешивание. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом вещества, т. е. зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

При турбулентном движении жидкости по трубопроводу в центральной части — ядре потока — происходит интенсивное перемешивание и перенос теплоты осуществляется как конвекцией, так и теплопроводностью. По мере приближения к стенке снижается интенсивность перемешивания и доля конвекции в процессе переноса теплоты снижается. В тонком пристенном слое теплота передается в рсновнйм за счет теплопроводности."

Согласно закону охлаждения Ньютона, количество теплоты Q , отдаваемое (или воспринимаемое) от стенки омывающей ее жидкостью, пропорционально поверхности стенки F , разности темпера тур стенки t_Ci и жидкости /ж, времени % и зависит от коэффициента пропорциональности а_а:

Q=a_KF(t_CT-t_x)x. (9.8)

Ill

Коэффициент пропорциональности в правой части выражения на
зывается коэффициентом теплоотдачи: /

а_к=-------- 2------- /------------- (9.9)

Коэффициент теплоотдачи показывает, каков- количество теплоты передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к стрнке) в течение единицы времени при разности темпера-'тур между стенкой и жидкостью в у град.

Величина а_к является сложной^функцией, зависящей от скорости потока жидкости о.',, ее плотности р, вязкости \х, удельной теплоемкости С, теплопроводности'А, геометрических размеров стенки (для труб — от диаметра d и длины L ):

<*„=/(«;, р, I*. С, X.I.rf). (9.10)

Таким образом, можно сделать вывод, что простота уравнения HbK)TOHa^v(9.8) только кажущаяся, поскольку а_к зависит от большого числа переменных. Вследствие этого невозможно получить простое уравнение для расчета потока теплоты, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Однако путем обработки экспериментальных данных методом теории подобия можно получить зависимости, справедливые для данного класса явлений, в пределах которого возможно обобщение данных отдельного опыта. Из дифференциальных уравнений, описывающих конвективный теплообмен, с помощью теории подобия получают определенные комплексы, в которые входят тепловые величины, характеризующие основные случаи переноса теплоты. Эти комплексы тепловых величин не имеют размерности и носят имена ученых, внесших большой вклад в эту область науки.

Критерий Рейнольдса (см. с. 39) характеризует отношение инерционных сил к силам трения в подобных потоках.

Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе между стенкой и средой:

Nu=ct_K.//X, (9.10а).

где а_к — коэффициент теплоотдачи; / — геометрический размер стенки; X — коэффициент теплопроводности среды.

Критерий Пекле является мерой соотношения между теплотой, переносимой путем конвекции, и теплотой, переносимой теплопровод ностью при конвективном теплообмене:

Pe = wl / a , (9.11)

где w — скорость движения жидкости; / — геометрический размер; a — коэффициент температуропроводности: а=Я/(£р).

Критерий Прандтля характеризует подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена:'

Рг=ЪцА, (9.12)

где С — теплоемкость жидкости; ц — вязкость жидкости.

112

Используя указанные критерии, оказывается возможным на основании опытных данных находить значения коэффициентов тепло-• отдачи ак.для отдельных технически важных случаев-теплообмена.

Для вынужденного турбулентного движения жидкости в прямой трубе без изменения агрегатного состояния критерий Нуссельта выражается зависимостью

• Nu=O,023Re£⁸PrM, (9.13)

из которой можно определить значение коэффициента ак^

a_K=0,023-^-Re*⁸.Pr^, (9.14)

где d_a— эквивалентный диаметр трубы.

При ламинарном течении жидкости в трубе, при передаче тел» лоты в условиях естественной конвекции теплообмен значительно ухудшается, поэтому для его интенсификации, когда это возможно, поток жидкости стремятся турбулизовать.

При изменении агрегатного состояния (конденсации паров, кипении жидкости) явления теплообмена еще более осложняются. (Зависимости для частных случаев теплообмена приводятся в справочниках по теплопередаче.)

Примерные числовые значения коэффициентов теплоотдачи а_кв промышленных устройствах для наиболее часто встречающихся случаев составляют [Вт/(м²- К)]:

При нагревании и охлаждении:

воздуха..................................................................... ■' 1,0—58

перегретого пара...................................................... 23—116

масел...................................... -................................ ' 60—1700 '

воды.......................................................................... ... 230—11000

При кипении воды........................................................... ... 580—50 000

При конденсации водяных паров ...... 4600—17000

При конденсации паров органических жидкостей 580—2300

Тепловое излучение

Под тепловым излучением понимают процесс распространения электромагнитных колебаний с различными длинами волн. Все тела способнььиэлучать энергию в виде электромагнитных волн, которая поглощается другими Делами, имеющими более низкую температуру, и превращается в теплоту. Длина волн теплового излучения лежит в инфракрасной, не видимой глазом части спектра электромагнитных колебаний от 0,8 до 40 мкм и является продолжением видимой ее части. Видимые волны электромагнитного излучения имеют длины в пределах 0,4—0,8 мкм.

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения — они испускают волны всех длин. Интенсивность теплового излучения резко возрастает с повышением температур. При температурах, превышающих 600° С, и приобретает доминирующее значение по сравнению с другими способами передачи теплоты.

113

Все физические тела взаимодействуют с тепловым излучением, пропуская, отражая и поглощая тепловую энергию. По способности тел пропускать, отражать и поглощать тепловую энергию используют понятия абсолютно прозрачных, абсолютно белых и абсолютно черных тел. Абсолютно прозрачные тела пропускают всю поступающую энергию теплового излучения, абсолютно белые полностью отражают, а абсолютно черные полностью поглощают всю подводимую энергию. Но в природе не существует тел, обладающих идеальными свойствами. Все реальные тела способны лишь частично пропускать, отражать и поглощать подводимую в виде электромагт нитных колебаний энергию; они называются серыми телами.

По закону Стефана — Больцмана, лучеиспускательная способность серого тела Е пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности Т и коэффициенту лучеиспускания серого тела С:

Е=С (Т/100)*. (9.15)

Лучепоглощательная и лучеиспускательная способность тел (способность поглощения и испускания лучей телами) зависит вт температуры.

Количество теплоты <2_Л, переданное от более нагретого твердого тела с температурой Т\ К к. менее нагретому телу с температурой Т₂К, определяется по уравнению

Q_JI=C₁_₂_JPr[(r₁/100)*—(Г₂/100)⁴!?, (9.16)

где Ci -2 — коэффициент взаимного излучения, зависящий от взаимного расположения тел; F — поверхность излучения; т — время; Ф — угловой коэффициент, который зависит от размеров поверхностей и расстояния между ними.

Чтобы защитить от излучения и нагрева какое-либо тело,'между этим телом и лучеиспускателем устанавливают экран, изготовленный из материала с хорошими отражательными свойствами.

В отличие от твердых тел многоатомные газы СО2, SO2 и пары воды излучают и поглощают энергию не поверхностью, а объемом. Кроме того, эти вещества излучают и поглощают электромагнитные колебания не по всему спектру, как твердые тела, а лишь определенные длины волн, т. е. имеют определенные полосы излучения и поглощения.

Количество теплоты, отдаваемое или воспринимаемое стенкой площадью F =\ м² за счет излучения в течение 1 с при разности температур в 1 град, называется коэффициентом теплоотдачи лу чеиспусканием а_л.

Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 318; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 181920 21 22 23 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!