Процессы и аппараты химической технологии

Рис.8.1. Схема конвективного теплообмена
Сложность механизма конвективного теплообмена обуславливает труд­ности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве теп­ла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоно­сителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. При расчё­те процесса теплоотдачи используют уравнение Ньютона:
Q=αF (t_ст-t_ж),
где α - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.
Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

1. 
   Скорости жидкости W, её плотности ρивязкостиμт.е. переменных, опреде­ляющих режим течения жидкости;
   
2. 
   Тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкостиС, теплопроводности  , коэффициента объемного расширенияβ);
   
3. 
   Геометрических параметров - форма и определяющие размеры стенки (для труб - их диаметр d и длина L, шероховатость ε).
   

Тема19 Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Движущая сила процесса теплопередачи.
Для расчета теплообменных аппаратов широко используют кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q и поверхностью /’теплопередачи, называемое основным уравнением теплопередачи:

где К — кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость переноса теплоты; Д/_ср — средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор) по поверхности теплопередачи; т — время.
Для непрерывного процесса теплопередачи Q = KFAt_rn.
Lp
Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса. При этом в общем случае (без учета потери теплоты в окружающую среду)

где Q_{ — количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем; Q₂ — количество теплоты, принимаемое холодным теплоносителем; G_{ и С₂ — расход соответственно горячего и холодного теплоносителей; //_1н и #_1к — начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя; //_7(|и //_7к — начальная и конечная энтальпии холодного теплоносителя.
Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния в процессе теплопередачи (процессы нагревания и охлаждения), то уравнение теплового баланса (4.27) принимает следующий вид:

где с, и с₂ — теплоемкости горячего и холодного теплоносителей (при средней температуре теплоносителя).
Если необходимо учесть потери теплоты в окружающую среду, то полученное по уравнениям (4.27)—(4.28) значение Q следует повысить на величину этих потерь. Обычно потери теплоты в окружающую среду теплоизолированными стенками теплообменников не превышают 3—5% от Q.
Поскольку расчет тепловых потоков, как правило, проводят по уравнениям теплового баланса, то основное уравнение теплопередачи обычно используют для определения поверхности теплопередачи:

Движущая сила процесса ДГ_ср представляет собой среднюю разность температур между температурами теплоносителей. Наибольшую трудность вызывает расчет коэффициента теплопередачи К, характеризующего скорость процесса теплопередачи с участием всех трех видов переноса теплоты. Физический смысл коэффициента теплопередачи вытекает из уравнения (4.26); его размерность 
Следовательно, коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м² стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1 градусу.
Таким образом, чтобы рассчитать необходимую для проведения теплового процесса поверхность теплопередачи, нужно помимо движущей силы Д/_Ср определить коэффициент теплопередачи, значение которого зависит от ряда факторов, в том числе от вклада в общую скорость процессов переноса теплоты скоростей отдельных видов переноса: теплопроводности, теплового излучения, конвекции.
Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, определяют по закону Фурье — основному закону теплопроводности".

Физический смысл коэффициента теплопроводности вытекает из уравнения (4.30); его размерность

Таким образом, X показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности за единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу 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.

вижущей силой теплопередачи является разность температур теплоносителей, при наличии которой тепло переходит от теплоносителя с большей температурой к теплоносителю с меньшей температурой. При выводе уравнений теплопередачи в разделах 7.7.1 и 7.7.2 было принято, что температуры теплоносителей при теплообмене вдоль поверхности теплопередачи сохраняют свое постоянное значение. Однако это положение справедливо лишь в некоторых случаях (при кипении жидкостии конденсации паров). В общем же случае температура теплоносителей в процессе теплообмена изменяется – горячий охлаждается, а холодный нагревается. Поэтому в тепловых расчетах при применении уравнений теплопередачи необходимо пользоваться средней разностью температур теплоносителей, величина которой определяется при прочих равных условиях схемой движения потоков:

. (7.185)
Различают следующие основные схемы взаимного движения теплоносителей относительно поверхности теплообмена (рис. 7.23):

Рисунок 7.23 – Основные схемы движения потоков при теплообмене
1) прямоток или параллельный ток – оба потока движутся в одном направлении;
2) противоток – теплообменивающиеся потоки движутся в противоположных направлениях;
3) перекрестный ток, при котором потоки движутся взаимно перпендикулярно;
4) смешанный ток, при котором имеют место вышеупомянутые схемы одновременно в различных частях теплообменного аппарата.