1.1 Процесс теплопередачи
Общие положения
Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого – возрастает.
Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.
Теплопередача – наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания – и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом иле отводом тепла.
Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводностьпредставляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.
Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.
Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.
Тепловое излучение – это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.
В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.
Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.
В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.
В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися(стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.
Тепловой поток (тепловая нагрузка аппарата, т.е. количества тепла, которое должно быть передано за 1 сек или за 1 ч от одного теплоносителя к другому). вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.
Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем , затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя , и некоторая относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду . Величина в теплообменных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3 – 5% полезно используемого тепла. Поэтому в расчетах ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством
= = (1)
Пусть массовый расход более нагретого теплоносителя составляет , его энтальпия на входе в аппарат и на выходе из аппарата . Соответственно расход более холодного теплоносителя , его начальная энтальпия и конечная энтальпия . Тогда уравнение теплового баланса
= ( - )= ( - ) (2)
Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости на температуру.
= с1нt1н = с1кt1к
= с2нt2н = с2кt2к
Величины с1н и с1кпредставляют собой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 доt1н (на входе в аппарат) и до t1к (на выходе из аппарата) соответственно. Величины с2ни с2к – аналогично для более холодного теплоносителя.
Если теплообмен протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся при физическом или химическом превращении.
Если теплоемкости обменивающихся теплом жидкостей (с1и с2) можно считать не зависящими от температуры, то уравнение теплового баланса (2) принимает вид
= с1 (t1н – t1к)= с2(t2к – t2н) (3)
Основное уравнение теплопередачи
Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком ' и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:
'= КFДtсрф (4)
где К – коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; Дtср – средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор;ф – время.
Согласно уравнению (4), количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору Дtср и времени ф.
Таким образом, коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в дж) переходит в 1 сек от более нагретого к более холодному теплоносителю через поверхность теплообмена 1 мг при средней разности температур между теплоносителями, равной 1 град.
Передача тепла теплопроводностью
Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье, согласно которому количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dф:
dQ= – л dFdф (5)
или количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени
q= = – л (6)
Величина q называется плотностью теплового потока.
Знак минус, стоящий перед правой частью уравнений (5) и (6), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры.
Если записать,
(7)
и проинтегрировать по всей толщине стенки,
(8)
получаем (9)
Температура внутри плоской стенки падает по толщине стенки д в направлении теплоперехода по закону прямой линии.
Коэффициент пропорциональности лназывается коэффициентом теплопроводности. Согласно уравнению (5)
Таким образом, коэффициент теплопроводности лпоказывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Величина л, характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими – газы.
Тепловое излучение
Длины волн теплового излучения лежат в основном в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8–40 мк. Они отличаются отвидимых световых лучей только длиной (длина световых волн 0,4 – 1,8 мкм).
Твердые тела обладают сплошным спектром излучения: они пособны испускать волны всех длин при любой температуре. Однако интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (примерно при t> 600°С) лучистый теплообмен между твердыми телами и газами приобретает доминирующее значение.
Тепловое и световое излучения имеют одинаковую природу и поэтому характеризуются общими законами: лучистая энергия распространяется в однородной и изотропной среде прямолинейно. Поток лучей, испускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого, лучеиспускающего тела, частично поглощается, частично отражается (при этом угол падения равен углу отражения) и частично проходит сквозь тело без изменений.
Пусть Qл – общая энергия падающих на тело лучей, Qпогл – энергия, поглощенная телом, Qотр – энергия, отраженная от поверхности тела, и Qпр – энергия лучей, проходящих сквозь тело без изменений. Тогда баланс составит:
Qл =Qпогл + Qотр + Qпр (10)
При Qпогл /Qл = 1 исоответственно при Qотр /Qл= 0 и Qпр /Qл= 0 тело полностью поглощает все падающие на него лучи. Такие тела называются абсолютно черными.
При Qотр / Qл = 1 иQпогл / Qл= 0, Qпр/ Qл = 0 тело отражает все падающие на него лучи. Эти тела называются абсолютно белыми.
При Qпр /Qл = 1 и Qпогл /Qл =0, Qотр/Qл= 0) тело пропускает все падающие лучи. Такие тела называются абсолютно прозрачными, или диатермичными.
Абсолютно черных, абсолютно белых или абсолютно прозрачных тел реально не существует. Все тела в природе, которые поглощают, отражают и пропускают ту или иную часть падающих на них лучей, называются серыми телами. Из реальных тел к абсолютно черному особенно приближается сажа, которая поглощает 90–96% всех лучей. Наиболее полно отражают падающие на них лучи твердые тела со светлой полированной поверхностью, большинство твердых тел относится к числу практически непрозрачных зато почти все газы, исключая некоторые многоатомные газы, являются прозрачными, или диатермичными.
Количество энергии, излучаемое телом единицу времени во всем интервале длин волн единицей поверхности Fтела, характеризует лучеиспускательную способностьЕ тела: (11)
Лучеиспускательная способность, отнесенная к интервалу длин волн dл, называется интенсивностью излучения
(12)
Лучеиспускательную способность абсолютно черного тела:
Е0 = К0Т4 (13)
где Т – абсолютная температура поверхности тела; Ко – 5,67–108 вт/(м2К4) – константа лучеиспускания абсолютно черного тела.
Согласно закону Стефана–Больцмана, лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности.
Количество тепла, излучаемого телом в окружающую среду в единицу времени, пропорционально его температуре в четвертой степени
Q=уF Т4 (14)
где у – коэффициент излучения, F – поверхность тела.
Лучепоглощательная способность тела(А) – отношение поглощенного тепла лучистой энергии к общему количеству падающему на тело.
Закон Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности любого тела к его. лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.
E/A=const (15)
Привзаимном излучение двух твердых тел количество тепла Qл, передаваемого посредством излучения от более нагретого твердого тела, имеющего температуру T1, к менее нагретому телу с температурой T2, определяется по уравнению
(16)
– коэффициент взаимного излучения (17)
Передача тепла конвекцией (конвективный теплообмен)
Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.
В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими способами называется конвективным теплообменом (конвективнойтеплоотдачей). По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает (что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой).
Теплоотдача – переход тепла от среды к стенке и наоборот.
Закон теплоотдачи, или закон охлаждения Ньютона
(18)
Согласно этому уравнению, количество тепла dQ, отдаваемое за время dф поверхностью стенки dF, имеющей температуру tст, жидкости с температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температурtст – tж.
Применительно к поверхности теплообмена всего аппарата Fдля непрерывного процесса теплоотдачи уравнение (18) принимает вид
(19)
Коэффициент пропорциональности а в уравнениях (18) и (19) называетсякоэффициентомтеплоотдачи, характеризующий интенсивность переноса тепла между поверхностью тела и окружающей средой.
Коэффициент теплоотдачи выражается следующим образом
(20)
Таким образом, коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество тепла передается от 1 мг поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к 1 мг поверхности стенки) в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.
Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов: скорости жидкости w, ее плотности р и вязкости м, т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости; тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости ср, теплопроводности л), а также коэффициента объемного расширения в; геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки (для труб – их диаметр dи длина L), а также шероховатости е стенки. Таким образом
а=f (w, р, м, л, ср, в, d, L, е) (21)
Теплопередача (при постоянных температурах теплоносителей)
Определим количество тепла, которое передается в единицу времени от более нагретой среды (теплоносителя с температурой t1к менее нагретой среде (теплоносителю с температурой t2) через разделяющую их стенку.
Стенка имеет толщину д, коэффициент теплопроводности которой равен л. Рабочая поверхность стенки F.
Процесс теплообмена установившийся. Следовательно, от более нагретой среды к стенке, сквозь стенку и от стенки к менее нагретой среде за одинаковое время передается одно и то же количество тепла.
Количество тепла, передаваемого за время ф от более нагретой среды к стенке, по уравнению теплоотдачи составляет:
(22)
Количество тепла, проходящего путем теплопроводности через стенку, согласно уравнению (9)
(23)
Количество тепла, отдаваемого стенкой менее нагретой среде:
(24)
Суммарно получаем (25)
К – это коэффициент теплопередачи. Он показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1м2 при разности температур между теплоносителями 1 град.
(26)
Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты направления движения жидкостей друг относительно друга вдоль разделяющей стенки:
1) параллельный ток, или прямоток, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении; (рис. 1, а)
2) противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях; (рис. 1, б)
3) перекрестный ток, при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;
4) смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком.
а б
Рис. 1. Изменение температуры теплоносителей: а – при прямотоке, б – при противотоке
Средняя движущая сила, или температурный напор, представляет собой логарифмическую разность температур
(27)
При отношении разности температур теплоносителей на концах теплообменника можно определить средний температурный напор как среднеарифметическую величину
(28)
Уравнение теплопередачи имеет вид (29)
Нагревающие агенты
– Нагревание водяным паром. Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26–106дж/кг при давлении 1 атм. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.
Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара. При использовании тепла парового конденсата к.п.д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.).
Основной недостаток водяного пара – значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которой можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180–190°С, что соответствует давлению пара 10–12 атм.
Нагревание глухим паром. Наиболее распространено нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того, чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части.
Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание острым паром. Если одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры.
– Нагревание горячей водой. Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициенты теплоотдачи от горячей воды, как и от любой другой жидкости, ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование. Она применяется обычно для нагрева до температур не более 100°С. Для температур выше 100°С в качестве теплоносителя используют воду, находящуюся под избыточным давлением.
– Нагревание топочными газами. Дымовые, или топочные, газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Позволяют осуществлять нагревание до 1000–1100°С при незначительном избыточном давлении в теплообменнике. Наиболее существенными недостатками топочных газов являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке, возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при газами), возможен перегрев.
– Нагревание высокотемпературными теплоносителями. Теплоносители обычно получают тепло от топочных газов или электрического тока, передают его нагреваемому материалу и являются промежуточными теплоносителями. Они обеспечивают равномерность обогрева и безопасные условия работы.
а) Нагревание перегретой водой. В качестве нагревательного агента перегретая вода используется при давлениях, достигающих критического 225 атм, которому соответствует температура 374°С. Поэтому возможно нагревание материалов до 350°С. Применением высоких давлений усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации.
б) Нагревание минеральными маслами. Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания различных продуктов. Применяют цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое масла. Верхний предел нагревания маслами 250–300°С. Нагрев с помощью минеральных масел производят либо помещая теплоноситель использующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо устанавливая электронагреватели внутри масляной рубашки.
Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемпературными теплоносителем. Однако им присущи существенные недостатки: относительно невысокие предельные температуры применения, низкие коэффициенты теплоотдачи.
в) Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами. К группе высокотемпературных органических теплоносителей относятся: глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан и др.), продукты хлорирования дифенила и полифенолов (арохлоры), дифенильная смесь.
г) Нагревание расплавленными солями. Из различных неорганических солей и их сплавов, применяемых для нагревания до высоких температур, наибольшее практическое значение имеет нитрит – нитратная смесь (40% азотистокислого натрия, 7% азотнокислого натрия, 53% азотнокислого калия). Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500–540 оС. Смесь практически не вызывает коррозии углеродистых сталей при температурах не выше приблизительно 450°С. Нитрит-нитратная смесь является сильным окисляющим агентом. Поэтому не допустим ее контакт при высоких температурах с веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и некоторых цветных металлов (алюминий, магний).
д) Нагревание ртутью и жидкими металлами. Для нагрева до температур 400–800°С и выше в качестве высокотемпературных теплоносителей могут быть эффективно использованы ртуть, а также натрий, калин, свинец и другие легкоплавкие металлы и их сплавы.
– Нагревание электрическим током (электрическим сопротивлением, индукционное и высокочастотное нагревание). Нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и легко регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Устройства просты, компактны и удобны для обслуживания.
Do'stlaringiz bilan baham: |