Тепловые процессы и аппараты

Общая характеристика тепловых процессов

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов – теплообменными.

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и частный случай испарения – выпаривание.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем две среды с различными температурами; при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой (называемой теплоносителем) к среде с более низкой температурой (наз. хладоагентом или холодильным агентом). Часто оба тела, участвующие в теплообмене, называют просто теплоносителями, соответственно горячий и холодный теплоноситель.

Одним из важнейших и экономических факторов большинства химических производств является температура. Поддержание в аппаратах требуемой температуры почти всегда сопряжено с необходимостью подвода или отвода тепла – с целью нагревания или охлаждения обрабатываемых веществ.

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

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

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

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

Перенос тепла возможен тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Каждый из этих способов омет свой закономерности, составляющие предмет теории теплопередачи.

Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении и имеющими различные температуры. При этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения, их перемещения не происходит. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких слоях жидкостей и газов.

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

Тепловым излучением или лучистым теплообменом называется процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн, сопровождающийся превращением тепловой энергии в лучистую и обратно из лучистой в тепловую. Этот вид теплообмена возможен между телами любого агрегатного состояния как удаленными друг от друга, так и соприкасающимися.

На практике перечисленные способы теплообмена редко встречаются в обособленном виде. Чаще всего приходится иметь дело с сочетанием двух или даже всех трех способов при их последовательном или одновременном действии, т. е. происходит сложный теплообмен.

Условимся в дальнейшем различать два случая теплообмена: теплоотдачу и теплопередачу.

Теплоотдачей называют процесс теплообмена между твердым телом (напр. стенкой аппарата) и соприкасающейся с ней жидкостью или газом.

Теплопередачей наз. теплообмен м/у средами (жидкостями, газами, м/у жидкостью и газом) через разделяющую стенку.

Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени наз. тепловой нагрузкой или тепловым потоком Q.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности от одного тела к другому, наз. удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока.

; .

Основная характеристика любого теплового процесса – количество передаваемого тепла: от этой величины зависят размеры теплообменных аппаратов. Основным размером теплообменного аппарата является теплопередающая поверхность (поверхность теплообмена).

Расчет теплообменной аппаратуры сводится к:

1. определение теплового потока путем составления и решения тепловых балансов.

2. определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. F находят из основного уравнения теплопередачи.

Тепловой баланс

Основные понятия

Температура – это степень нагретости тела. Существует несколько температурных шкал: фаренгейта, Реомюра, Цельсия и Кельвина.

Кипение воды – 212 ⁰F, 80 ⁰R, 100 ⁰С, 373 ⁰К

Таяние льда – 32 ⁰F, 0 ⁰R, 0 ⁰С, 273 ⁰К (- 273 ⁰С, 0 ⁰К)

Температура в ⁰С – t, в ⁰К – T

T = (273 + t) ⁰К.

Разность температур выражается в К.

t₁ = 20 ⁰C; t₂ = 2 ⁰C; ∆t = 20 – 2 = 18 К.

Теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо подвести к 1 кг или 1 кмолю или 1 м³ вещества для нагревания его на 1 ⁰С или 1 К.

В основном пользуются удельной теплоемкостью С.

.

Теплота физических превращений – (т. е. теплота испарения и конденсации), это количество тепла, которое выдерживается или поглощается 1 кг или 1 кмолем или 1 м³ вещества при изменении агрегатного состояния при данной температуре или данном давлении.

r – удельная теплота парообразования, конденсации или конденсации

Теплосодержание (энтальпия) – это количество тепла, которое содержит в себе 1 кг, 1 кмоль или 1 м³ вещества при данной температуре или данном давлении.

; c, r, i – величины справочные.

При теплообмене происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя.

I. Внешний метод составления теплового баланса

G, g – соот-но количества горячего и хол. т/нос.

I₁, i₁ – начальная энтальпии гор. и хол.

I₂, i₂ – конечные энтальпии гор. и хол.

Согласно закона сохранения энергии

- приход тепла = расходу.

или можно записать

- количество тепла отданного гор. т/нос-ем.

- количество тепла, сообщенного хол. теплоносителю.

Без учета потерь

Внутренний метод составления теплового баланса энтальпию представляет через

Можно выделить 2 случаяпри составлении теплового баланса.

§ нагревание, охлаждение (т. е. без изменения агрегатного состояния вещества).

§ конденсация, испарение – т. е. с изменением агрегатного состояния вещества.

1. без изменения агрегатного состояния вещества

	Отметить: Горячий т/носитель – с индексом «1», холодный, тот, что принимает – с инд. «2»

Q = Q₁ = Q₂.

G₁, G₂ – количество сред, кг/с

t_н, t_н2, t_к, t_к2 – температуры сред, ⁰С.

С₁, С₂ – уд. теплоемкости сред, определяют при Q₁ = G₁(I₁ – I₂) = G₁C₁(t_н1 – t_к1) и Q₂ = G₂(i₂ – i₁) = G₂C₂(t_к2 – t_н2).

Таким образом, при нагревании и охлаждении тепловую нагрузку считают

2. при изменении агрегатного состояния – особенностью таких процессов теплообмена заключается в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре (т. к. процессы конденсации, испарения, плавления или кристаллизации протекают при постоянной температуре).

D – количество пара, кг/с

I, i – теплосодержание пара и конденсата, Дж/кг

Q = Dr

Величины I, i_конд, r находят по табл. 56 и 57 П. Р. по t или P_пара (абсолютному).

Вывод: