ТЕМА: Теплообменные процессы и аппараты. Теплопроводность
Тепловые процессы используют для изменения температуры обрабатываемого объекта (нагрев, охлаждение) и для осуществления фазовых превращений (выпаривание, конденсация).
Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называют теплообменом. Существуют три принципиально разных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. теплопроводность нагрев фазовый конденсация
Теплопроводность — перенос тепла за счет движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это основной вид теплопереноса в твердых телах. Процесс теплопроводности описывается законом Фурье, который гласит, что количество тепла q, передаваемого через единицу поверхности в единицу времени, т. е. плотность теплового потока, пропорционально температурному градиенту поверхности:
где л — характерная для данного материала величина, называемая коэффициентом теплопроводности. При обычных температурах и давлении лучше всего проводят тепло металлы, а хуже всего — газы.
Конвекция — перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Конвекция бывает естественной и вынужденной.
Тепловое излучение — процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать и поглощать энергию, за счет чего и осуществляется лучистый теплообмен. В большинстве практически важных случаев перенос тепла происходит комбинированным путем с участием всех перечисленных видов теплообмена. Если два жидких или газообразных тела (теплоносители) разделены твердым телом в виде плоской перегородки, то процесс переноса тепла в такой системе описывается уравнением теплопередачи, выражающим связь между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F:
Q = kFДT cp ф
где k — коэффициент теплопередачи; ДT ср — средняя разность температур между теплоносителями или температурный напор; ф — время. Процессы теплопередачи широко распространены в химической технологии. Тепловые процессы осуществляются в специальных аппаратах — теплообменниках. Первичными источниками тепла в химической технологии служат продукты сгорания различных топлив или электроэнергия. Вещества, получающие тепло от первичных источников и передающие его нагреваемой среде через стенку теплообменника, называют промежуточными теплоносителями. В качестве последних при нагревании используют водяной пар, горячую воду, минеральные масла, органические жидкости, расплавы солей и металлов. При охлаждении применяют воду и воздух, лед, а для более глубокого охлаждения — пары низкокипящих жидкостей (аммиак), сжиженные газы (СO2 ) или холодильные рассолы. Наибольшее распространение в качестве промежуточного теплоносителя получил насыщенный водяной пар, обладающий рядом преимуществ: дешевизна, нетоксичность, возможность транспортировки на значительные расстояния и распределения по потребителям, простота регулировки температуры за счет изменения давления, небольшой расход пара.
Химические процессы и явления при эксплуатации холодильных машин и аппаратов
... себя, почти не нагреваясь. В холодильной технике приходится иметь дело в основном с двумя видами передачи тепла - теплопроводностью и конвекцией. Обмен тепла между поверхностью тела и окружающей средой ... процесса теплообмена через разделяющую стенку служит коэффициент теплопередачи, на величину которого влияют коэффициент теплоотдачи от теплой среды разделяющей стенке, толщина и теплопроводность ...
Классификация способов переноса теплоты
Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телами, при наличии которой имеет место самопроизвольный перенос тепла. Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.
1.Теплообмен представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает.
2.Теплопередача — наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания, охлаждения, конденсации паров, кипения жидкостей, выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов (перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теплота может распространяться в любых веществах и даже в вакууме. Идеальных изоляторов тепла не существует.Во всех веществах тепло передается теплопроводностью за счет переноса энергии микрочастицами. Молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, из которых состоит вещество, движутся со скоростями, пропорциональными температуре. За счет взаимодействия частиц друг с другом более быстрые отдают энергию медленным частицам, перенося таким образом теплоту из зоны с более высокой температурой в зону с меньшей температурой.В жидкостях и газах перенос теплоты может осуществиться еще и за счет перемешивания движущихся частиц. При этом уже не отдельные молекулы, а большие макроскопические объемы более нагретой жидкости (газа) перемещаются в зоны с меньшими температурами, а менее нагретые — в зоны с большей температурой. Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества называется конвекцией.
Одновременно вместе с конвекцией имеет место теплопроводность. Такой сложный вид теплообмена называется конвективным. Конвекция является определяющим процессом переноса тепла в жидкостях и газах, поскольку она значительно интенсивнее теплопроводности. Большое распространение получил теплообмен между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела (или наоборот).
Аппараты теплообмена
... условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. ... процессы. Скоростью теплового процесса называется количество теплоты Qv, передаваемое через единицу ... оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования ... результате теплообмена или совершения механической работы. Поэтому количество теплоты Q, как ...
Этот процесс называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
3.Излучение является третьим способом передачи тепла. Теплота излучением передается через все прозрачные среды, в том числе и в вакууме (в космосе).
Носителями энергии при излучении являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене. В большинстве случаев перенос теплоты производится несколькими способами одновременно. В процессе теплоотдачи участвуют все способы передачи тепла — теплопроводность, конвекция и излучение. Более сложным является процесс передачи тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через разделяющую их стенку, называемый теплопередачей. В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением.
Однако при рассмотрении сложных процессов теплообмена преобладающими в определенных условиях является один или два из трех способов распространения тепла.
В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена считаются установившимися (стационарными).
В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени, осуществляются неустановившиеся(нестационарные) процессы теплообмена.
Основные понятия: Температурное поле и температурный градиент:тепловой поток
К основным задачам теории теплообмена относится установление аналитической связи между тепловым потоком и распределением температур в средах. Совокупность мгновенных значений какой-либо величины во всех точках данной среды (тела) называется полем этой величины. Соответственно совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем.
В наиболее общем случае температура в данной точке зависит от координат точки в пространстве и изменяется во времени:
Эта зависимость представляет собой уравнение неустановившегося температурного поля.
Для установившегося температурного поля
На практике, кроме трехмерного стационарного температурного поля, довольно часто встречаются двумерные и одномерные температурные поля, являющиеся функцией соответственно двух и одной координат.
Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, называетсяизотермической поверхностью. Температуры изменяются от одной изотермической поверхности к другой, причем наибольшее изменение температуры происходит по нормали к изотермическим поверхностям.
Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали называется температурным градиентом:
Температурный градиент является векторной величиной. Положительным направлением температурного градиента принято считать направление в сторону возрастания температур.
ТЕПЛОВОЙ ПОТОК — вектор, направленный в сторону, противоположную градиенту темп-ры и равный по абс. величине кол-ву теплоты, проходящему через изотермич. поверхность в единицу времени. Измеряется в ваттах или ккал/ч (1 ккал/ч=1,163 Вт)
Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.
Теплопроводность металлов. Разработка лабораторной работы
... λ называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности - теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту. Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее ...
1.Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768—1830) и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:
где: — коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м*К)
Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел увеличивается с повышением температуры.
Дифференциальное уравнение теплопроводности, называемое также уравнением Фурье, описывает процесс распространения теплоты в среде. Его выводят на основе закона сохранения энергии и записывают в следующем виде:
где: =а — коэффициент температуропроводности, м 2 /ч или м2 /с; с — удельная теплоёмкость материала, кДж/(м*К); — плотность материала, кг/м3
Уравнение теплопроводности позволяет решать вопросы, связанные с распространением теплоты теплопроводностью в условиях как установившегося, так и неустановившегося процесса.
При решении конкретных задач уравнение теплопроводности должно быть дополнено соответствующими уравнениями, описывающими начальные и граничные условия.
В качестве примера рассмотрим установившийся процесс передачи теплоты теплопроводностью через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Пусть температура стенки со стороны горячего теплоносителя равна t ст1 , а со стороны холодного — tст2 ; теплопроводность материала стенки ; толщина стенки. Как видно из рис. 9.1, температурное поле одномерно и температуры изменяются только в направлении оси х. Уравнение, описывающее теплопроводность плоской стенки при установившемся режиме, имеет вид
где: — тепловая проводимость стенки.
Величина, обратная тепловой проводимости стенки, () называется термическим сопротивлением стенки. В случае двухслойной стенки, например эмалированной, или многослойной, можно аналогично получить
где n — количество слоев стенки.
Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).
Движущая сила теплообменных процессов — разность температур теплоносителей. Под действием этой разности теплота передается от горячего теплоносителя к холодному.
Количество теплоты Q, переданное в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному на всей теплообменной поверхности F теплообменника, определяют из уравнения теплового баланса:
Движущая сила при теплопередаче между двумя теплоносителями не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль теплообменной поверхности.
Методы и средства измерений температуры
... методы и средства измерений температуры. Задачи курсовой работы: Изучить определение температуры. Изучить методы получения и контроля температуры. Объектом является измерение температуры. 1. температура и температурные шкалы 1.1. Определение понятий температуры Температурой ... шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при ... ней занято большое количество трудящихся, обслуживающих мощные ...
Например, при прямотоке при входе теплоносителей в теплообменник локальная движущая сила максимальна: = t 1 ‘-t2 ‘, a на выходе из аппарата минимальна: = t1 »-t2 » Такая же картина наблюдается и при противотоке. Поэтому при расчетах процессов теплопередачи пользуются средней движущей силой процесса. Получают соотношение для расчета средней движущей силы процесса теплопередачи
