Общие положения курса (1093609), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Тепловые процессы.

Теплопередача.

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называются тепловыми процессами.

К тепловым процессам относятся:

• Нагревание – повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

• Охлаждение – понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

• Конденсация – снижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

• Испарение – перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла.

Частным случаем испарения является процесс выпаривания – концентрирования при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене тепло, называется теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая при теплообмене тепло, называется холодильным агентом (хладоагентом).

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество передаваемого в процессе тепла; от этой величины зависят размеры тепловой аппаратуры. Основным размером теплового аппарата является поверхность теплообмена.

Основное уравнение теплопередачи:

dQ=Kл∆tdFdτ

dQ-количество переданного тепла

Kл-локальный коэффициент теплопередачи между средами

∆t-разность температур между средами

dF-элемент поверхности теплообмена

dτ-время теплообмена

для установившегося процесса и единицы времени основное уравнение теплопередачи имеет вид:

Q=K∆tmF

∆tm-средняя разность температур

F-поверхность теплообмена

Определение кинетических характеристик теплового процесса - средней разности температур и коэффициента теплопередачи - является основной задачей теплопередачи как науки о процессах распространения тепла из одной части пространства в другую.

Тепло может распространяться : теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

• Теплопроводностью (крндукцией) называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении, при этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких слоях жидкостей и газов.

• Конвекцией называют процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

• Тепловым излучением называют процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн. В излучающем теле тепло превращается в энергию излучения, которая распространяется в пространстве.

Теплопроводность.

Распространение тепла теплопроводностью происходит при неравенстве температур внутри рассматриваемого тела (среды). Температурное поле в общем случае определяется функциональной зависимостью: t=f(x,y,z,τ)

Если температура не изменяется во времени, то температурное поле называется стационарным, если температура изменяется во времени, то оно называется нестационарным (неустановившемся).

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью.

Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали ∆n называется температурным градиентом. Grad t =∂t/∂n

Закон Фурье.

Количество тепла, переданного теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока

dQ=-λ(∂t/∂n)dFdτ

λ-коэффициент теплопроводности, он характеризует способность тел проводить тепло.

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла (в ккал) проходит вследствие теплопроводности через 1м² поверхности в течение 1 ч при разности температур 1 град приходящейся на 1м длины нормали к изотермической поверхности. Он зависит от природы и агрегатного состояния веществ.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье:

Конвективный теплообмен.

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости(газе) от поверхности твердого тела или к поверхности его одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Такой случай распространения тепла называют также теплоотдачей. При теплоотдаче тепло распространяется от поверхности твердого тела к жидкости через пограничный слой за счет теплопроводности и от пограничного слоя в массу(ядро) жидкости преимущественно конвекцией.

Свободное движение жидкости, или естественная конвекция, возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее объемом и разностями температур нагретых и холодных частиц.

Вынужденное движение жидкости возникает под действием какого-либо возбудителя(насоса, вентилятора) и определяется физическим свойствами жидкости, ее скоростью, формой и размерами канала, в котором осуществляется движение.

При турбулентном движении жидкости теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном.

Закон Ньютона. Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к окружающей среде или, наоборот, от окружающей среды к теплообменной поверхности, прямо пропорционально поверхности теплообмена, разности температур поверхности и окружающей среды и времени, в течение которого осуществляется теплообмен:

dQ=α(tw-tf)dFdτ

α-коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом теплоотдачи

Движущей силой тепловых процессов является разность температур сред, при наличии которой тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Нагревание.

Нагревание широко применяется в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и химических превращений.

Методы нагревания:

• Водяным паром

• Топочными газами

• Промежуточными теплоносителями

• Электрическим током

Нагревание «острым» паром. При этом нагревании водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость; конденсируясь, он отдает тепло нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью.

Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер – трубу с рядом небольших отверстий. Его располагают в виде спирали или колец на дне резервуара.

При обогреве острым паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом – водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Расход острого пара при нагревании жидкости определяют из теплового баланса:

Нагревание «глухим» паром. Если нагреваемая жидкость взаимодействует с водой, контакт между ними недопустим или нельзя разбавлять нагреваемую жидкость, применяют нагревание глухим паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, со змеевиками и тд.

Греющий глухой пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата.

Расход глухого пара определяют из теплового баланса:

Для отвода конденсата из парового пространства аппарата без выпуска пара применяют специальные приспособления – конденсатоотводчики (водоотводчики).

Конденсатоотводчики с закрытым поплавком применяют при абсолютном давлении пара 10ат.

Конденсатоотводчики с открытым поплавком являются водоотводчиками периодического действия.

Нагревание топочными газами. это самый старый способ обогрева в химической промышленности. Этим способом осуществляется нагревание до температур 180-1000°C. Дымовые газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива (преимущественно при атмосферном давлении) в топках или печах различной конструкции.

Особенностью нагрева дымовыми газами являются «жесткие» условия нагревания :

Значительные перепады температур и небольшие коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к стенкам обогреваемых аппаратов.

Благодаря большим температурным перепадам при нагревании дымовыми газами достигаются высокие тепловые нагрузки. Однако при этом методе нагревания трудно регулировать процесс и избежать перегрева материалов из-за неравномерности обогрева; при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит окисление металлов. Огнеопасность обогрева.

Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в трубчатых печах, в печах для реакционных котлов или автоклавов.

Нагревание промежуточными теплоносителями.

При нагревании многих материалов для сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы недопустим даже кратковременный их перегрев. В этих случаях применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают тепло обрабатываемым материалам.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют минеральные масла, перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители, расплавленные смеси солей и др.

Нагревание топочными газами через жидкостную баню относится к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями.

Нагревание через жидкостные бани не обеспечивает высоких коэффициентов теплопередачи, т к в рубашке в жидком промежуточном теплоносителе возникают только очень слабые конвекционные токи. Для повышения коэффициентов теплопередачи используют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем.

Нагревание дымовыми газами с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем осуществляется на установках с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Нагревание дымовыми газами с применением жидких промежуточных теплоносителей возможно до температур 500°C. При необходимости нагревания обрабатываемых материалов до более высоких температур применяют твердые зернистые промежуточные теплоносители.

Нагревание электрическим током.

при нагревании электрическим током можно легко и очень точно регулировать процесс при равномерном обогреве.

По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления индукционные и дуговые. Электрические печи делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.

Печи косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах нагревание осуществляется до температур 1000-1100°C.

Электрические индукционные печи. Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами.

Диэлектрическое нагревание токами высокой частоты применяется при нагревании диэлектриков (пластмасс, резины, дерева и др). преимущества: непосредственное выделение тепла во всей толщине нагреваемого материала, большая скорость нагревания, возможность нагревания только отдельных частей материала, легкость регулирования процесса и возможность его автоматизации.

Дуговые печи. В дуговых печах применяется нагревание электрической дугой до температур 1500-1300°C. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяют для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора.

Охлаждение до обыкновенных температур.

Охлаждение происходит в результате теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами, при этом температура охлаждающей среды должна быть ниже температуры охлаждаемой.

Охлаждение воздухом осуществляется до 25-30°C

Водой до 15-25°C

Артезианской водой до 8-12°C

Охлаждение водой и воздухом осуществляется в различных теплообменниках, при этом охлаждающая и охлаждаемая среды либо разделены стенкой, либо непосредственно контактируют между собой.

Охлаждение льдом проводится в тех случаях, когда необходимо достигнуть близкой к нулю температуры охлаждаемой жидкости. Очень часто при охлаждении лед вносится непосредственно в охлаждаемую жидкость. При этом лед нагревается жидкостью до 0, а затем плавится, отнимая теплоту плавления от охлаждаемой жидкости. Такой метод применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой и для которых допускается разбавление.

Характеристики

Список файлов лекций