Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Предмет курса «Процессы и аппараты»





Предмет курса «Процессы и аппараты»

 

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические, механические и физико-химические процессы.

Таким образом, технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, щелочей, полимерных и синтетических материалов) включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия машин и аппаратах.

В курсе «Процессы и аппараты» изучаются теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения этих процессов. Анализ закономерностей протекания основных процессов и разработка обобщённых методов расчёта аппаратов производятся, исходя из фундаментальных законов физики, химии, физической химии, термодинамики, экономики и других наук. Курс строится на основе выявления аналогии внешне разнородных процессов и аппаратов независимо от отрасли химической промышленности.

Таким образом, курс «Процессы и аппараты» является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел теоретических основ химической технологии.

 

Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах

 

Химическая промышленность начала создаваться на рубеже ХVIII и ХIХ веков и за исторически короткий период, насчитывающий всего 120-150 лет, превратилась в развитых странах в одну из основных ведущих отраслей хозяйства.

В нашей стране идея об общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных химических производствах, была высказана профессором Ф.А. Денисовым ещё в 1828г. Основанная на этой идее новая учебная дисциплина по расчёту и проектированию основных процессов и аппаратов была введена профессором А.К. Крупским в конце 90-х годов прошлого века в Петербургском технологическом институте и несколько позднее профессором И.А. Тищенко в Московском Высшем техническом училище. Большой вклад в науку внесли советские учёные К.Ф. Павлов, А.Г. Касаткин, И.И. Чернобыльский и др.

 

 

Классификация основных процессов

 

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести, в поле центробежных сил, а также под действием разности давлений.

2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсации паров. Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

3. Массообменные процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), кристаллизация, адсорбция, сушка.

4. Химические процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики.

5. Механические процессы, описываемые законами механики твёрдых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для процессов транспортирования кусковых и сыпучих материалов. К механическим процессам относятся измельчение, транспортирование, сортировка и смешение твердых веществ.

По способу организации основных процессов химической технологии делятся на периодические и непрерывные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве.

Известны также комбинированные процессы. Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: 1) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т.е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку из нее продукции; 2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; 3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов; 4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы; 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов.

Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные). В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянные во времени.

 

Гидромеханика

Многие технологические процессы химической промышленности связаны с движением жидкостей, газов или паров, перемешиванием в жидких средах, а также с разделением неоднородных смесей путем отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Скорость всех указанных физических процессов определяется законами гидромеханики.

Законы гидромеханики подразделяются на: гидростатика – рассматривает законы равновесия в состоянии покоя, и гидродинамика – законы движения жидкостей и газов.

 

Гидродинамика

 

Движущей силой при течении жидкостей является разность давлений, которая создается с помощью насосов или компрессоров либо вследствие разности уровней или плотностей жидкости. Различают внутреннюю и внешнюю задачи гидродинамики.

 

Уравнение Бернулли

 

Решение уравнений движения Эйлера для установившегося потока приводит к одному из наиболее важных и широко используемых уравнений гидродинамики – уравнению Бернулли.

Для двух поперечных сечений 1 и 2 потока

(1)

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.

1 – называют полным гидродинамическим напором.

Следовательно, согласно уравнению Бернулли, для всех поперечных сечений установившегося потока идеальной жидкости величина гидродинамического напора остается неизменной.

z – нивелирная высота, называемая также геометрическим напором, представляет собой удельную потенциальную энергию положения в данной точке.

– статический или пьезометрический напор, характеризует удельную потенциальную энергию давления в данной точке.

– скоростной или динамический напор, характеризует удельную кинетическую энергию в данной точке.

Уравнение Бернулли является частным случаем закона сохранения энергии и выражает энергетический баланс потока.

Уравнение Бернулли реальных жидкостей

где hП – потерянный напор, характеризует удельную энергию, расходуемую на преодоление гидравлического сопротивления при движении реальной жидкости.

Основы теории подобия

 

Модель – упрощенное представление о явлениях, происходящих в естественной природе и сохраняющая основные черты происходящего.

Безразмерные масштабные множители, выражающие отношения однородных сходственных величин подобных фигур (или систем), называются константами подобия.

Инвариантом подобия называют безразмерные отношения каких-либо двух размеров одной из фигур, равные отношению сходственных размеров подобной фигуры.

Геометрическое подобие соблюдается при равенстве отношений всех сходственных линейных размеров натуры и модели:

Временное подобие характеризуется тем, что сходственные частицы в геометрически подобных системах, двигаясь по геометрически подобным траекториям, проходят геометрически подобные пути за промежутки времени, отношение которых является постоянной величиной:

Подобие физических величин предполагает, что для двух сходственных точек, размещенных подобно в пространстве и времени, отношения физических свойств является величинами постоянными:

Первая теорема подобия была сформулирована Ньютоном. Согласно этой теореме, при подобии систем всегда могут быть найдены такие безразмерные комплексы величин, которые для сходственных точек данных систем одинаковы, т.е. подобные явления характеризуются численно равными критериями подобия.

Второй закон Ньютона

Выделим в подобных системах 2 частицы, движущиеся подобно. В натуре на частицу массой действует сила сообщая ей ускорение ; в модели сходственная частица массой под действием силы приобретает ускорение

Тогда

 

При подобном движении частиц для сходственных точек натуры и модели константы подобия выражаются отношениями:

 

т.е.

 

Отношения приращений величин, входящих в константы подобия, можно заменить отношениями самих величин, т.е.

 

Величину С, составленную их констант подобия, называют индикатором подобия.

 

Таким образом, получен безразмерный комплекс величин, значения которого одинаковы для сходственных точек обеих систем. Этот комплекс называют критерием Ньютона

который характеризует отношение действующей на частицу силы к силе инерции.

Достоинства критериев – не имеют размерности и позволяют удобно моделировать процессы упрощенно.

Вторая теорема подобия была доказана Бэкингемом, Федерманом и Афанасьевой-Эренфест. Согласно этой теореме, решение любого дифференциального уравнения, связывающего между собой переменные, влияющие на процесс, может быть представлено в виде зависимости между безразмерными комплексами этих величин, т.е. между критериями подобия.

Если обозначить критерии подобия через , то решение дифференциального уравнения может быть представлено в общем виде:

Такие уравнения называют уравнениями в обобщенных переменных или критериальными уравнениями.

Критерии подобия, которые составлены только из величин, входящих в условия однозначности, называют определяющими. Критерии же, включающие также величины, которые не являются необходимыми для однозначной характеристики данного процесса, а сами зависят от этих условий, называют определяемыми.

Из критериального уравнения, представляющего собой функциональную зависимость между критериями подобия, рассчитав предварительно величины определяющих критериев, находят величину определяемого критерия, а из него – численное значение интересующей нас величины. Если определяемым является некоторый критерий π1, то .

Вторая теорема подобия отвечает на вопрос, как обрабатывать результаты опытов, проведенных на моделях: их надо представлять в виде функциональной зависимости между критериями подобия.

Третья теорема подобия, или теорема М.В.Кирпичева и А.А. Гухмана, формулирует необходимые и достаточные условия подобия: подобны те явления, которые описываются одной и той же системой дифференциальных уравнений и у которых соблюдается подобие условий однозначности.

Таким образом, исследование процессов методом теории подобия должно состоять из следующих элементов:

1. Получив полное математическое описание процесса, т.е. составив дифференциальное уравнение и установив условия однозначности, проводят подобное преобразование этого уравнения и находят критерии подобия.

2. Опытным путем на моделях устанавливают конкретный вид зависимости между критериями подобия, причем полученное обобщенное расчетное уравнение справедливо для всех подобных явлениях в исследованных пределах.

 

Движение тел в жидкости

 

При движении тела в жидкости возникают сопротивления, для преодоления которых и обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определенная энергия. Величина возникающего сопротивления зависит главным образом от режима движения и формы обтекаемого тела.

При ламинарном режиме тело окружено пограничным слоем жидкости и плавно обтекается потоком. Потеря энергии связана с преодолением сопротивления трения. С развитием турбулентности потока все большую роль начинают играть силы инерции. Сила сопротивления R среды движущемуся в ней телу выражена уравнением сопротивления:

(1)

где S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению его движения, м2;

ζ – коэффициент сопротивления среды.

 
 


а – ламинарный поток

б – турбулентный поток

 

 

Отношение R/S представляет собой перепад давлений Δр (Н/м2), преодолеваемый движущимся телом.

 

Ламинарный режим закон Стокса Re < 2

Переходный режим Re = 2 – 500

 

Автомодельный режим закон Ньютона ~ 2·105 > Re < ~ 500

 

ζ = 0,44 = const

 

Постановка в уравнение (1) каждого из приведённых выше уравнений для ζ показывает, что для ламинарного режима Re ~ ω для переходного режима Re ~ ω1,4, для автомодельного режима Re ~ ω2

Для тел по форме отличных от шарообразных значения коэффициента сопротивления зависит от фактора формы Ф и числа Рейнольдса.

здесь

где Fш – поверхность шара, имеющего тот же объём, что и рассматриваемое тело поверхностью F. Например, для куба Ф = 0,806; для цилиндра высотой, в 10 раз превышающей его радиус, Ф = 0,69.

Закон внутреннего трения Ньютона, согласно которому напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при её течении, прямо пропорционально градиенту скорости.

кажущейся вязкостью

 

где μ – динамический коэффициент вязкости;

τ – касательное напряжение, напряжение внутреннего трения.

 

– градиент скорости.

Жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона называются нормальными, или ньютоновскими. Однако в промышленной практике приходится иметь дело и с неньютоновскими жидкостями (растворы многих полимеров, густые суспензии, пасты (бингамовские пластичные, псевдопластичные, дилатантные и??????)

 

Центрифугирование

 

Под центрифугированием понимают процесс разделения неоднородных систем, в частности эмульсий, суспензий, в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Центрифуга представляет собой в простейшем виде вертикальный цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными стенками. Ротор укрепляется на вертикальном валу, который приводится во вращение электродвигателем, помещается в соосный цилиндрический неподвижный кожух, закрываемый съемкой крышкой; на внутренней поверхности ротора с перфорированными стенками находится фильтровальная ткань или тонкая металлическая сетка.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок остается в роторе, а жидкая фаза удаляется из него.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы.

В фильтрующих центрифугах с проницательными стенками осуществляют процесс разделения суспензий по принципу фильтрования, причем вместо разности давлений используется действие центробежной силы (пример: отделение маточного раствора от нитрозофенола).

В отстойной центрифуге разделяемая суспензиями или эмульсия отбрасывается центробежной силой и стенкам ротора, причем жидкая или твердая фаза с большей плотностью располагается ближе к стенкам ротора, а другая фаза с меньшей плотностью размещается ближе к его оси; осадок (или фаза с большей плотностью) образует слой у стенок ротора, а фугат переливается через верхний край ротора.

В фильтрующей центрифуге разделяемая суспензия также отбрасывается к стенкам ротора и фазы разделяются; при этом жидкая фаза проходит сквозь фильтровальную перегородку в кожух и отводится из него, твердая фаза в виде осадка задерживается на внутренней стороне этой перегородки, а затем удаляется из ротора.

Разделение эмульсий в отстойных центрифугах обычно называют сепарацией, а устройства, в которых осуществляется этот процесс – сепараторами (отделение сливок от молока, маточного раствора от нитрозофенало).

 

Центробежная сила и фактор разделения

 

В общем случае величина центробежной силы выражается равенством:

где С – центробежная сила, Н;

m – масса вращающегося тела, кг;

G – вес вращающегося тела, Н;

ω – окружная скорость вращения, м/сек;

r – радиус вращения, м.

 

Окружная скорость вращения определяется равенством:

где ω, – угловая скорость вращения, рад/сек.

n – число оборотов в минуту.

 

Сопоставив эти два равенства, получим:

 

Увеличение числа оборотов ротора значительно больше влияет на возрастание центробежной силы, чем увеличение диаметра ротора центрифуги.

Отношение центробежного ускорения ω2/r к ускорению силы тяжести g называют фактором разделения:

 

Приняв G = 1 Н, получим:

 

С диаметром ротора 1000 мм (r = 0,5 м), вращающийся со скоростью n = 1200 об/мин:

 

Устройство центрифуг

 

По величине фактора разделения центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги (Кр < 3500) и сверхцентрифуги (Кр >3500).

Нормальные центрифуги применяются главным образом для разделения различных суспензий, за исключением суспензий с очень малой концентрацией твердой фазы.

Сверхцентрифуги являются аппаратами отстойного типа и подразделяются на трубчатые сверхцентрифуги, используемые для разделения тонкодисперсных суспензий, и жидкостные сепараторы, служащие для разделения эмульсий.

 

По расположению оси вращения различают: вертикальные, наклонные и горизонтальные центрифуги.

Жидкостные сепараторы. Эти аппараты являются отстойными сверхцентрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором.

Диаметр ротора 150 – 300 мм, вращается со скоростью 5000 – 10000 об/мин.

В жидкостном сепараторе тарельчатого типа обрабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев. Эмульсия подается по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 разделяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстие 3. Более легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 4. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 5.

 
 

 


1 – труба для подачи эмульсии; 2 – тарелки; 3 – отверстие для отвода более тяжелой жидкости; 4 – кольцевой канал для отвода более легкой жидкости; 5 – ребра.

 

 

Схема устройства трубчатой сверхцентрифуги

 
 

 


1 – кожух; 2 – ротор; 3 – радиальные лопасти; 4 – шпиндель; 5 – опора; 6 – шкив; 7 – подпятник; 8 – труба для подачи суспензии; 9 – отверстия; 10 – труба для отвода осветленной жидкости.

 

Трубчатые сверхцентрифуги. По сравнению с жидкостными сепараторами трубчатые центрифуги имеют ротор меньшего диаметра (не более 200 мм), вращающийся с большей скоростью (45000 об/мин); фактор разделения 15000. Применяется для осветления лаков.

В кожухе 1 расположен ротор 2, с глухими стенками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отстаиванию жидкости от стенок ротора при его вращении. Верхняя часть ротора жестко соединена с коническим шпинделем 4, который подвешен на опоре 5 и приводится во вращение при помощи шкива 6. В нижней части ротора расположен эластичный направляющий подпятник 7, через который проходит труба 8 для подачи суспензии. При движении суспензии в роторе вверх на стенках его оседают твердые частицы, причем осветленная жидкость отводится через отверстия 9 в трубу 10. По истечении определенного времени сверхцентрифугу останавливают и удаляют осадок, накопившийся в роторе.

 

Разделение газовых систем: гравитационную очистку газов – пылеосадительные камеры мокрая очистка – полые и насадочные скрубберы. Трехколонные центрифуги. Подвесные центрифуги, горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка, центрифуги со шнековым устройством для удаления осадка, центрифуги с инерционной выгрузкой осадка.

Угол трения частиц осадка меньше, чем угол наклона стенок ротора и поэтому они перемещаются к его нижнему краю, непрерывного действия. Тормозится шнеком.

 

 

Центрифугирование

 

Образуются слои с цилиндрическими граничными поверхностями, что усложняет зависимость процесса от геометрических факторов.

 

Отстойные центрифуги

центробежные осветление центробежное отстаивание

 

Осаждение → по законам гидродинамики.

Уплотнение осадка → по закономерностям механики грунтов.

 

При концентрации менее 4% оборотов нет четкой границы.

В отстойниках гравитационное поле однородно, центробежная сила увеличивается при движении к периферии.

 
 

 

 


Разделяющая способность отстойных центрифуг характеризуется индексом производительности:

 

где F – площадь цилиндрической поверхности осаждения.

 

Индекс производительности отражает влияние всех конструктивных особенностей осадительной центрифуги, определяющих ее разделительную способность.

Рассмотрим цилиндрический ротор центрифуги. h << D ротора. Поэтому величину фактора разделения можно отнести к среднему диаметру (D – h).

 

Площадь цилиндрической поверхности осаждения в роторе:

 

Отсюда:

 

Если принять поверхностный режим течения то:

 

где r0 – радиус свободной поверхности жидкости.

 

Тогда

 

Для конических роторов тоже.

Для переходного режима:

 

Для турбулентного режима:

 

Производительность, вычисленная на основе скорости осаждения обычно больше действительной производительности.

Уменьшение производительности объясняется: отставанием скорости вращения жидкости от скорости вращения ротора, что приводит к уменьшению центробежной силы; неравномерность течения жидкости; отрыв частиц от стенки ротора.

В связи с этим вводится коэффициент эффективности отстойных центрифуг:

 

где QД и QТ – действительная и теоретическая производительность м3/сек.

 

Тепловые балансы

 

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителей (Q1), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q2), и некоторое относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду (Qn). Величина Qn в теплообменных аппаратах с тепловой изоляцией, не превышает ~ 3 – 5% полезно используемого тепла. Поэтому ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

Q = Q1 = Q2

где Q – тепловая нагрузка аппарата

 

Пусть расход более нагретого теплоносителя составляет G1, его энтальпию на входе в аппарат J1H, а на выходе J1K. Соответственно расход более холодного теплоносителя – G2, его начальная энтальпия J2H и конечная J. Тогда уравнение теплового баланса

 

Энтальпию при 00 С условно принимаем равной нулю.

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости с на температуру t

 

Величины с и с представляют сбой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 до t (на входе в аппарат) до t (на выходе). Величины с и с – средние удельные теплоемкости более холодного теплоносителя в пределах от 0 – t и 0 – t соответственно.

В технических расчетах энтальпию не рассчитывают, а находят их из таблиц по температуре.

Если теплообмен протекает с изменением агрегатного состояния теплоносителя (конденсации пара, испарения жидкости) или в процессе теплообмена протекает химическая реакция, сопровождающая тепловым эффектом, то в уравнении теплового баланса должно быть учтено тепло, выделенное при этом.

 

Тепловое излучение

 

Длины волн теплового излучения лежат в основном в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8 – 40мк. Твердые тела обладают сплошным спектром излучения: они способны испускать волны всех длин при любой температуре. Однако интенсивность теплового излучения с увеличением температуры возрастает и при высоких температурах t ≥ 6000 С лучистый теплообмен становится доминирующим.

Пусть Q – общая энергия падающих на тело лучей; Qпогл. – энергия, поглощаемая телом; Qотр. – энергия, отраженная от поверхности тела, и

Qпр – энергия лучей проходящих сквозь тело без изменения.

Тогда баланс тепла составит:

Если , а и , то тело поглощает все падающие на него лучи и является абсолютно черным.

Если , то тело отражает все лучи и называется абсолютно белым.

Если , то тело пропускает все падающие лучи и называется абсолютно прозрачным или диатермичным.

Закон Стефана – Больцмана: лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности.

где Т – абсолютная температура поверхности тела, 0К;

К0 = 5,67·10-8, Вт/(м2·0К4) – константы лучеиспускания абсолютно черного тела.

 

Закон Кирхгофа: для серых тел необходимо знать зависимость между их излучательной и поглощательной способностью.

I – серое тело;

II – абсолютно черное тело.

 

Температура серого тела

выше, чем абсолютно черного Т1 > Т2

Поглощательная способность

серого тела

Для абсолютно черного тела

А2 = А0 = 1

 

Тогда количество тепла (на единицу поверхности в единицу времени), переданного серым телом путем излучения, составляет:

 

При достижении теплового равновесия Т1 = Т2, при котором q = 0 и следовательно:

Тогда для ряда взаимно параллельных тел получим:

 

т.е. отношение лучеиспускательной способности черного тела к его лучепоглащательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

 

Теплопередача

Плоская стенка. Определяющим количество тепла, которое передается в единицу времени от более нагретой среды с температурой t1 к менее нагретой с температурой t2 через разделяющую их стенку.

Стенка состоит из двух слоев с различной теплопроводностью толщина стенки δ1, с коэффициентом теплопроводности λ1 и слоя тепловой изоляции толщиной δ2, с коэффициентом теплопроводности λ2. 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 τ от более нагретой среды, к стенке, по уравнению теплоотдачи составляет:

 

 

 

 


Количество тепла, проходящего путем теплопроводности через слои стенки:

Количество тепла, отдаваемое стенкой менее нагретой среде:

 

Полученные выражения для Q, могут быть представлены в следующем виде:

Сложив эти уравнения, получим:

 

Соответственно при τ = 1

 

К – коэффициент теплопередачи:

 

Соответственно уравнение теплопередачи для плоской стенки при постоянных температурах теплоносителей имеет вид:

 

для непрерывных процессов:

 

Коэффициент теплопередачи К 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 теплоносителей на 1град.

Величина, обратная К, называется общим термически сопротивлением:

где – термическое сопротивление более нагретой и мене нагретой среды;

– термическое сопротивление многослойной стенки.

 

Цилиндрическая стенка. Допустим, внутри трубы находится более нагретый теплоноситель с температурой t1 и коэффициент теплоотдачи от него к внутренней поверхности цилиндрической стенки αВ. Снаружи трубы – более холодный теплоноситель, имеющий температуру t2. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к более холодному теплоносителю αН

Проводя аналогичные расчеты, получим:

 

где КR – линейный коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице длины трубы, а не к единице поверхности.

 

На практике это уравнение применяется только для толстостенных цилиндрических стенок, трубопроводов покрытых толстым слоем тепловой изоляции.

Процессы теплопередачи при постоянных температурах распространены редко (с одной стороны кипит жидкость, с другой стороны стенки конденсируется пар). Наиболее часто теплопередача в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей.

Температура теплоносителя измеряется обычно вдоль поверхности

стенки F.

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие вариант направления движения жидкости относительно друг друга вдоль разделяющей их стенки:

1) параллельный ток, или прямоток, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

2) противоток, при котором теплоносители движутся в противоположном направлении;

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 прямоток, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток и многократный смешанный ток.

 
 


 

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток;

г – однократный смешанный ток;

д – многократный смешанный ток.

 

Движущая сила процессов теплоперед







Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.