Ііі топлинни процеси



Дата03.09.2017
Размер161.42 Kb.
ГЛАВА ІІІ ТОПЛИННИ ПРОЦЕСИ
Протичането на повечето технологични процеси е свързано с внасяне или отвеждане на топлина. Топлинната енергия, използвана в различните технологии е важен технологичен параметър и икономически показател за ефективността на апаратурата и правилното организиране на цялостния производствен процес.

Много често се налага генерираната топлинна енергия да се отвежда от химичния реактор, за да се поддържа определена оптимална температура. В други случаи е необходимо да се внася топлинна енергия в системата, било за да се компенсира ендотермичния ефект на химичната реакция, било за да се повиши температурата на реагентите. Освен това един от основните фактори, които влияят на скоростта на химичните реакции, е температурата на системата. Разтварянето на твърди вещества, концентрирането на разтвори, получаването на кристална маса от разтвори, отнемането на влага от суровини и продукти, разделянето на хомогенни течни смеси на съставящите ги компоненти и други процеси протичат при поддържане на оптимален температурен режим.


3.1. ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ НА ТОПЛООБМЕНА
Работната температура в цялостния технологичен процес се осигурява чрез топлообмен. Теоретичното описание на процеса на пренос на топлинна енергия се основава на закона за запазване на енергията.

От физиката е известно, че между тела с различна температура се извършва пренасяне на топлина. Този процес на самопроизволен пренос на енергия под формата на топлина от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура се нарича топлообмен. Топлината се предава без разход на работа само от тела с по-висока температура към тела с по-ниска температура като топлообменът продължава до изравняване на температурите. Така, че температурната разлика се явява движеща сила на топлообмена. От нейната големина зависи интензивността на преноса на топлина.

Ще се запознаем с някои най-прости математически зависимости, описващи преноса на топлинна енергия, но преди това ще въведем някои основни понятия в теорията на топлинните процеси и ще се запознаем с начините за пренасяне на топлина.

Топлинен поток. Той представлява количеството топлина, което преминава за единица време през повърхност, перпендикулярна на посоката му. Бележи се с q и се измерва в W/m2.s.

Топлоносители. Това са топлинни тела и материални потоци, които обменят топлина при топлообмена. Материален поток с висока температура, който в процеса на топлообмена понижава температурата си, отдавайки топлина, се нарича горещ топлоносител, или по-често нагряващ агент. Материален поток, приемащ топлина при топлообмена, в резултат на което повишава температурата си, е студен топлоносител, или охлаждащ агент.

Общото количество топлина, което дадена система обменя (отдава или поглъща) с околното пространство, се бележи с Q и се измерва в J/s , т.е. във ватове W.

Количеството топлина, което приема или отдава един топлоносител, без да изменя агрегатното си състояние, е

Q = M . c . ∆t , J


където М е масовия разход на топлоносителя, kg/s ;

с – специфичен топлинен капацитет, J/(kg.оK) ;

∆t – разликата между началната и крайната температура, оК.

Винаги топлината Q1, предавана от горещия топлоносител към по-студения, е по-голяма от топлината Q2, която по-студения топлоносител приема. Разликата от топлините Q1 и Q2 се изразходва за компенсиране на топлинните загуби, или

Qзаг = Q1 – Q2

За намаляване на Qзаг апаратите се покриват с топлинна изолация. В този случай Qзаг не превишава 3-5% от полезно използваната топлина. Когато топлообменът между два топлоносителя е съпътстван и с фазов преход, трябва да се отчита топлината на фазовото превръщане.



Топлинните процеси могат да се класифицират по различни признаци. Според контакта между топлоносителите те биват директни и индиректни. Директен топлообмен е този, при който топлоносителите са в непосредствен контакт и се смесват. За този топлообмен се изисква по-проста апаратура, но се използва рядко в химическата технология. Индиректен е топлообменът през топлопроводяща преграда, най-често метална стена, която разделя двата топлоносителя.

Според крайната цел топлинни процеси биват: нагряване, охлаждане ( без фазов преход) и изпарение, кондензация ( с фазов преход).

Друг признак е зависимостта на температурата от времето. Според него топлинните процеси се разделят на стационарни и нестационарни. Стационарен е топлообменът в непрекъснато действаща апаратура, в която температурата във всяка точка остава постоянна във времето. Нестационарен е топлообменът в периодично действаща инсталация, а също и при пускане и спиране на апарати с непрекъснато действие. Той се характеризира с изменение на температурата в зависимост от времето.

В зависимост от механизма на пренасяне на топлината топлообменните процеси са : топлопроводност, конвекция и топлинно излъчване.



Начини за пренасяне на топлината
1.Топлообмен чрез топлопроводност(кондуктивен топлообмен). Топлообмен чрез топлопроводност има тогава, когато топлинната енергия се разпространява вътре в тялото от една частица на друга съседна, намираща се в непосредствена близост, вследствие на постоянното им трептене. Този начин на разпространение на топлината е основен за твърдите тела. Движеща сила на процеса на пренос на топлина е разликата между температурите в различни части на тялото.

В зависимост от това, дали телата провеждат топлината или не, те се разделят на топлопроводни и топлинни изолатори. Разбира се между тях се намират и тела с всички възможни степени на топлопроводност. Способността на телата да провеждат топлинна енергия се характеризира с един коефициент на топлопроводност λ . Той показва какво количество топлина преминава за единица време през стена с повърхност 1m2 и дебелина 1m при температурна разлика на стената 1 градус. Измерва се W/(m.оK). Стойността му зависи от природата на веществата, температурата, влажността и други фактори. Определя се опитно и се представя в справочници.

Практическо значение за технологичните процеси имат добрите топлопроводници (с високи стойности на λ) и добрите топлоизолатори (с ниски стойности на λ). Когато се цели топлината да преминава през твърда преграда, използват се материали с високи топлопроводни показатели – черни и цветни метали и техните сплави. При необходимост от запазване на топлината в съоръженията и намаляване на топлинните загуби се употребяват топлоизолационни материали – неметали.

Топлопроводността на течностите е по-ниска от тази на металите и неметалите. Коефициентът на топлопроводност на повечето твърди тела и течности намалява с увеличаване на температурата. За разлика от тях топлопроводността на газовете се подобрява с увеличаване на температурата.

Основен въпрос при всички видове топлообмен е големината на топлинния поток, т.е. количеството преминала топлина Q и факторите от които зависи.

При топлопроводността Q ще зависи от природата на материалите, определена от коефициента λ. Освен това зависи още от повърхността на стена F през която се пренася топлината. Колкото тя е по-голяма толкова и Q ще бъде по-голямо. Роля играе и дебелината на стената δ. През по-дебела стена преминава по-малко количество топлина за единица време. Температурната разлика (tст1 - tст2) играе също голяма роля. При по-голяма температурна разлика преминава по-голямо количество топлина. Друг фактор е времето на топлообмена τ. При по-продължително време ще премине по-голямо количество топлина.

Така топлинният поток, предаден чрез топлопроводност се определя от следната зависимост, известна като закон на Фурие :

λ



Q = ----- . F. ( tст1 - tст2 ), W

δ

2. Топлообмен чрез конвекция (топлопредаване или топлоотдаване). Под конвекция се разбира пренасянето на топлина от частиците на течности и газове при взаимното им преместване от една част на пространството в друга, т.е. движещ се флуид пренася топлинната енергия заедно със своята маса.

Конвекцията се състои в това, че в допир със стената на топлообменния апарат идват непрекъснато нови и нови частици от флуида, които отнасят със себе си топлина, или отдават топлина на стената. Така че около стената се създава подвижен граничен слой. Затова конвекцията винаги се съпровожда и с топлопроводност.


Фиг.3.1. Схема на илюстриране на конвективен топлообмен.


Познати са два вида конвекция :

Естествена конвекция, когато движението на флуида е свободно и се предизвиква от разликата в плътността на отделните точки на пространството, която се държи на разликата в температурите.

Принудителна конвекция, когато движението на флуида е предизвикано от външно въздействие (бъркачки, помпи, вентилатори, компресори и др.).

При определянето на количеството топлина, предавана чрез конвекция, влияят същите фактори, както и при кондукцията. Топлинният поток, който се отдава (или приема) между стена и движещ се флуид за единица време се определя от закона на Нютон :


Q = αк . F . ( t ст - t ф ), W
т.е. количеството топлина, пренесено чрез конвекция е пропорционално на повърхността, температурната разлика и времето.

В уравнението коефициентът на пропорционалност αк се нарича коефициент на конвекция. Той показва какво количество топлина се пренася от повърхност 1m2 към флуида(или обратно) за единица време при температурна разлика между стената и флуида 1 градус. Измерва се в W/(m2.K).

Докато определянето на коефициента λ при кондукцията се извършва опитно и сравнително лесно, определянето на коефициента αк е много сложна задача. Причината е, че в близост до стената флуидът образува граничен ламинарен слой, през който топлината преминава за сметка на топлопроводните му качества. Колкото дебелината на този слой е по-голяма, толкова влиянието му върху αк , а оттам и върху конвекцията ще бъде по-голямо.

Коефициентът на топлопредаване αк зависи от скоростта на движение и физичните параметри (плътност, вискозитет, специфичен топлинен капацитет и коефициент на топлопроводност) на флуидите, а също и от геометричните размери на стената ( за тръба – нейният диаметър и дължина). За намиране на стойността на този коефициент се използват сложни критериални уравнения.



3. Топлообмен чрез топлинно излъчване ( радиация). Топлопренасянето чрез излъчване играе важна роля във високотемпературните процеси. Те са основа за металургичните производства, но високотемпературни пещи се използват и в силикатната и нефтопреработвателна промишленост.

Топлопренасянето чрез излъчване се различава принципно от топлопренасянето чрез конвекция или чрез топлопроводност, при които е необходим непосредствен контакт между участващите в топлообмена вещества. При топлопренасянето чрез излъчване протича пренос на топлинна енергия през лъчепрозрачна, т.е. пропускаща топлинни лъчи, среда, в това число и във вакуум.

При топлинното излъчване топлината се предава на разстояние с помощта на топлинни лъчи. Според съвременните представи топлинното излъчване може да се разглежда като разпространение на електромагнитни вълни с определена дължина (0,8 – 800 μm), които се наричат топлинни или инфрачервени лъчи. Топлинните лъчи се подчиняват на законите на отражение, пречупване и поглъщане.

Всяко тяло непрекъснато излъчва или поглъща топлинни лъчи, като в зависимост от това, кой от двата процеса преобладава, топлинната енергия на тялото намалява или се увеличава. Интензивността на излъчването се намира в тясна зависимост от степента на нагрятост, т.е. от температурата на телата.

Лъчистата енергия се разпространява в пространството във вид на електромагнитни вълни и ако те срещнат по пътя си някакво тяло, една част от лъчите се отразява, друга преминава през тялото, а трета част се поглъща от него, превръщайки се в топлина и го загрява. Според това телата могат да се разделят условно на абсолютно черни, прозрачни и бели.

Основно понятие в теорията на топлинните процеси при топлопренасяне чрез излъчване е абсолютно черно тяло. Това е хипотетично тяло, което поглъща всички паднали върху него лъчи. Засега с най-висока поглъщателна способност, близка до абсолютно черното тяло, се приемат саждите, които поглъщат 90-96% от падащата върху тях енергия. Основните закони и зависимости на топлинното излъчване са изведени за абсолютно черно тяло.

Отношението на количеството погълната лъчиста енергия към цялото количество паднала енергия, паднала върху дадено тяло, се нарича коефициент на лъчепоглъщателната способност и се бележи с А. Ясно е, че за абсолютно черни тела А ще бъде 1, а за останалите тела – по-малко от 1.

Отношението на количеството излъчвана енергия към цялото количество притежавана енергия се нарича степен на чернота и се бележи с ε . Тази величина е постоянна при всички температури и за абсолютно черни тела има стойност 1, а за всички останали е по-малко от 1. Стойността и се определя експериментално и зависи от състоянието на повърхността на тялото. Гладката и полирана повърхност притежава висока отражателна способност, докато грапавата има висока поглъщателна способност. Например за полираната мед ε = 0,023, а за червените тухли е ε = 0,93.



Закон на Кирхоф. Съгласно този закон степента на чернота, характеризираща дадено тяло, е равна на коефициента на неговата поглъщателна способност :

ε = A


Очевидно е, че колкото излъчващата способност на едно тяло е по-голяма, толкова по-голяма е способността му да поглъща лъчиста енергия и обратно.

Закон на Стефан-Болцман. Този закон се отнася за количеството на излъчената енергия и гласи : Количеството на излъчената топлинна енергия е пропорционално на повърхността на излъчващото тяло, времето и четвъртата степен на неговата абсолютна температура. T

Q = σ0 . F . ( ----- )4 . τ , J

­­­100

където σ0 = 5,67 . 10-8 W/m2.0K4 и се нарича коефициент на излъчване на абсолютно черно тяло. Това е най-голяма стойност на този коефициент. За всички останали тела коефициента на излъчване е по-малък от σ0, съответно σ = σ0 . ε .

Дълго време се е смятало, че газовете за разлика от твърдите тела са прозрачни за топлинните лъчи. Това означава, че като пропуснат през себе си топлинни лъчи, те не могат да се нагряват чрез излъчване и следователно имат слаба излъчвателна способност. Това е вярно за едноатомните и двуатомните газове. В резултат на редица опити обаче е било доказано, че триатомните и многоатомните газове (CO2, H2O, SO2, NH3 и др.) притежават излъчвателна способност, т.е. те могат да бъдат източници на топлинна енергия.

Важно е да се запомни, че за разлика от кондуктивния и конвективния топлоопренос, количеството топлинна енергия, пренесено за една секунда при топлопренасяне чрез излъчване е пропорционално на абсолютната температура на четвърта степен. Важно е също така да се разбере разликата между различните видове топлопренасяне и винаги да се има предвид, че общия топлинен поток може да е резултат от преноса на топлинна енергия, както чрез конвекция, така и чрез кондукция и топлинно излъчване.

Смесено пренасяне на топлина

( топлопреминаване )

Топлообменът рядко се осъществява само по един от съществуващите начини за пренасяне. Най-често пренасянето на топлина през стената на един апарат е сложен процес, в който има и конвекция, и топлопроводност, и излъчване. Този процес на пренасяне на топлина едновременно по трите или по два от начините се нарича сложен топлообмен.

В химичните производства най-често срещаният случай на пренасяне на топлина е от флуид през стена към друг флуид с различна температура от първия. Пренесеното количество топлина при това съвместно предаване на топлина чрез кондукция и конвекция се определя от основното уравнение на топлопреминаването.

Нека разгледаме пренасянето на топлина през плоска стена при стационарен режим. При този сложен топлообмен за едно и също време τ ще премине едно и също количество топлина Q = Q1= Q2 = Q3 като температурите t1 и t2 приемаме за постоянни :

Количество топлина :

Q1 - от горещия флуид към стената чрез конвекция;

Q2 - през стената чрез топлопроводност;

Q3 - от стената към студения флуид чрез конвекция.




Фиг.3.2. Схема на илюстриране на сложен топлообмен.
След прилагане на познатите зависимости за конвективно и за кондуктивно стационарно пренасяне на топлината се получава о с н о в н о т о у р а в н е н и е н а т о п л о п р е м и н а в а н е т о :

Q = K . F . Δt . τ


където : К - коефициент на топлопреминаването, W/(m2.K);

F- повърхността на стената, през която се извършва топлообмена (топлообменната повърхност), m2

τ - времето на топлопренасянето, s.

Това е основното уравнение на топлопреминаването на топлинен поток през еднослойна стена, обтичана от два флуида с различна температура.

Коефициентът на топлообмена К характеризира интензивността на топлообмена като показва количеството топлина, което преминава за единица време през топлообменна повърхност 1m2 и температурна разлика между студения и нагретия флуид 10K. Той зависи от коефициентите на топлопредаване на двата флуида, между които се обменя топлина α1 и α2, дебелината на стената δ и нейния коефициент на топлопроводност λ, т.е.

1

K = ------------------------



1 δ 1

---- + ---- + ----

α1 λ α2

Стойностите на коефициента на топлопреминаване К са от голямо значение за топлинните процеси, тъй като количеството на преминалата топлина расте пропорционално с увеличаването му. Интензифицирането на топлинните процеси чрез увеличаване на К представлява технологичен интерес, тъй като не изисква особени капиталовложения, а води до голяма икономия на материали за направата на топлообменни апарати и по-пълното и рационално оползотворяване на топлоносителите.

Когато отделните коефициенти α1, α2 и λ не са от един и същ порядък, най-голямо влияние върху К ще оказва коефициентът с най-малка стойност. Ако например единият от коефициентите α1 е много по-малък от другия, то 1/α1 ще бъде основното съпротивление на процеса. Другите коефициенти могат да се пренебрегнат и К ще бъде приблизително равен на α1. Следователно К може да се увеличи, ако се осигурят условия за увеличаване на α1. Това може да стане, като се поддържа топлообменната повърхност по-чиста, или се създава по-висока турбулентност на флуида. В този смисъл безпредметно ще бъде, ако едновременно с увеличаване на α1 се увеличава и α2 и λ.

Много често стената, през която се предава топлината чрез кондукция, се състои от три паралелни разнородни слоя с различна дебелина. Такъв е например случаят на топлообмен с димни газове. Единият слой е онечиствания от димни газове, полепнали по стената, втория – самата метална стена, а третия слой е изолационен пласт.



Затова К се нарича коефициент на топлопреминаване през многослойна стена или обобщен коефициент на топлообмена.

Той зависи както от коефициентите на топлопредаване на двата флуида, между които се обменя топлина α1 и α2 , така и от дебелината на слоевете δ1, δ2 и δ3 и техните коефициенти на топлопроводност λ1, λ2 и λ3 , т.е.

1 1

K = ------------------------- = -------



1 δi 1 R

---- + Σ ----- + ----

α1 λi α2


Фиг.3.3. Изменение на температурата

в многослойна стена чрез топлопроводност.

δi

Отношението rст = Σ ---- се нарича топлинно съпротивление на стената, а

λi

1 1


r1 = ---- и r2 = ---- са частни топлинни съпротивления на флуидите.

α1 α2

Така общото топлинно съпротивление на процеса е R = r1 + rст + r2 . Очевидно количеството топлинна енергия, което преминава през стената, е пропорционално на топлообменната повърхност и разликата между температурите на двата флуида и е толкова по-голямо, колкото по-малко е топлинното съпротивление на слоевете и на флуидите.

В заключение може да се обобщи, че в топлообменен апарат (δ, λст = const) топлообмена може да се интензифицира чрез увеличаване скоростта на флуидите, промяна на посоката им на движение, поставяне на турбулизиращи прегради, почистване на топлообменната повърхност.

Движещата сила на всеки топлообменен процес е температурната разлика между топлоносителите ( t1 - t2 ). Така написана тя представлява разлика между постоянни температури от двете страни на топлообменната стена, което се среща много рядко. Това са само отделни частни случаи на топлообмен между кондензиращи пари и кипяща течност на химически съединения. Тъй като температурите на топлия и на студения флуид непрекъснато се изменят, то и тяхната разлика не е постоянна по време на процеса в различните сечения на топлообменния апарат. Налага се в изчисленията да се работи с една и съща температурна разлика. Като такава се използва т.нар. средната температурна разлика Δtср между топлообменящите среди. Тя зависи от характера на изменение на температурата на потоците по дължината на топлообменната повърхност, който може да бъде различен. Според взаимната посока на движение на топлоносителите при непрекъснати процеси са възможни следните схеми на топлообмен: правоток; противоток; кръстосан ток и смесен ток между топлоносителите (фиг.3.4).

г

а б в

Фиг.3.4. Основни схеми на топлообмен.



а – правоток, б – противоток; в – кръстосан ток; г – смесен ток.
Съпоставянето на температурния режим на работа на топлообменния апарат при правоток и противоток показва, че при правоток максимална температурна разлика се наблюдава на входа на апарата, а след това тя намалява, достигайки минимално значение на изхода на апарата. В противоположност на това при противоток температурната разлика се разпределя равномерно по продължение на топлообменната повърхност. В резултат на това и температурното натоварване на топлообменната повърхност е по-равномерно. От графиката се вижда и още едно предимство на противотока – крайната температура на нагряващия агент t2 може да бъде по-ниска от крайната температура на нагряваната среда t4. Аналогично при охлаждане охлаждащия агент може да се загрее до по-висока температура от крайната температура на охлажданото вещество. Това позволява при регенерация на топлината да се обезпечи по-високо подгряване на нагряваната среда, а при охлаждане да се снижи разхода на охлаждащ агент като при това се намали и крайната температура на охлаждания продукт.

Противотоковата схема на топлообмен е икономически най-изгодна защото осигурява максимална средна температурна разлика, изисква минимални топлообменна повърхност и разход на нагряващ или охлаждащ агент. Затова осигуряването на противоток в топлообменния апарат е желателно, макар че често за опростяване на конструкцията на апарата и поради други причини се използват и други схеми на топлообмен.

Определянето на средната температурна разлика зависи както от началните и крайни температури на флуидите така и от схемата на топлообмен.


Контролни въпроси и задачи :
1.Под топлинно излъчване се разбира пренасяне на топлинна енергия : а) при непосредствен контакт от частица на частица; б) при смесване и преместване на маси вещества; в) при разпространение на електромагнитни вълни.

2. Какъв е физичният смисъл на коефициентите на топлопроводност, топлопредаване и топлопреминаване?

3. От какво зависят коефициентите на топлопроводност и конвекция?

4. Помещение се затопля от електрическа печка с открити реотани. Въздухът в стаята се загрява чрез : а) топлопроводност и конвекция; б) топлопроводност и излъчване; в) радиация и конвекция; г) кондукция, конвекция и радиация.



5. При еднакви температури на топлоносителите средната температурна разлика при правоток в сравнение с противоток е : а) по-малка; б) еднаква; в) по-голяма.







База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница