Раздел 2. Тепловые процессы и аппараты

 40ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 16ч.

 

 

Тема 2.1. Основы теплопередачи     14ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 6ч.

 

 

Студент должен:

знать:

- сущность теплообменных процессов;

- принципы определения тепловых нагрузок и составления тепловых балансов;

- виды передачи тепла;

- схемы движения теплоносителей;

уметь:

- составлять тепловые балансы, определять расходы теплоносителей;

- определять тепловую нагрузку для различных случаев теплообмена;

- выбирать рациональную схему движения теплоносителей;

- рассчитывать коэффициент теплопередачи.

Способы проведения тепловых процессов. Теплоотдача и теплопередача.

Температурное поле. Тепловой поток. Тепловой баланс. Механизмы передачи тепла.

Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности твердых материалов, жидкостей и газов. Уравнение теплопроводности.

Естественная и вынужденная конвекция. Конвективный перенос тепла.

Уравнение теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи.

Тепловое подобие. Критерии теплового подобия, их физический смысл.

Уравнения для различных случаев теплоотдачи.

Лучеиспускание. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа. Совместная теплоотдача излучением и конвекцией.

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоские и цилиндрические стенки. Движущая сила процесса теплопередачи. Средняя разность температур. Виды движения теплоносителей, их сравнение. Определение температуры стенок.

Потери тепла в окружающую среду. Теплоизоляция.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Тепловые процессы или теплообмен – обобщенное  название процессов передачи энергии в виде теплоты между телами, имеющими различную температуру.

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Применяемые для этого тела (вещества) называются термометрическими, а устанавливаемая с их помощью шкала температуры – эмпирической. В качестве исходных значений, служащих при построении шкалы температуры для установления начала отсчета температуры и единицы ее измерения – градуса, применяется температура перехода химически чистых веществ из одного состояния в другое, например температуры плавления льда t_пл и кипения воды t_кип при нормальном атмосферном давлении.

Эти величины в зависимости от типа шкалы имеют следующие значения:

· шкала Цельсия (стоградусная шкала): t_пл = 0°С, t_кип = 100°С;

· шкала Фаренгейта: t_пл = 32°F, t_кип = 212 °F. Связь между температурами, выраженными в градусах Цельсия и Фаренгейта, имеет вид

· шкала Кельвина: температура Т отсчитывается от абсолютного нуля (t = -273,15°С) и называется абсолютной температурой. Связь между значениями температуры по шкале Кельвина (Т, К) и шкале Цельсия (t, °С) имеет вид

Таким образом, шкалы Кельвина и Цельсия только смещены друг относительно друга.

К тепловым процессам, используемым в промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации.

Вещества и тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении теплоносителей, таки через тепло проводящую стенку (поверхность теплообмена) и является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплоо6менные процессы.

При стационарных процессах, характерных обычно для непрерывно действующих теплообменных устройств, температура в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени. При нестационарных процессах, характерных для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.

Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем и описывается функцией

t =f(x, y, z, τ),

где t – температура в рассматриваемой точке с координатами х, у, z в момент времени τ. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные х, у и одномерные х температурные поля.

Так же, как тепловые процессы, температурное поле может быть стационарным и нестационарным.

Изотермическая поверхность в температурном поле – поверхность, объединяющая точки с одинаковыми температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой поверхности не распространяется.

Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры Δt к расстоянию между изотермическими поверхностями Δn, направленным по нормали к этой поверхности,

Передача теплоты осуществляется в том случае если grad t ≠0. Следует, однако учитывать, что поскольку передача теплоты осуществляется по линии температурного градиента от более нагретого к более холодному телу, т. е. в сторону понижения температуры

Количество передаваемой теплоты описывается основным кинетическим уравнением теплопередачи в дифференциальном виде

а для стационарных процессов в интегральном

где dQ, Q – количество переданной теплоты; К – коэффициент теплопередачи; Δt, Δtсp – разность и средняя разность температур; d F, F – элемент поверхности и поверхность теплообмена; dτ, τ – время осуществления процесса передачи теплоты.

Тепловой баланс

При расчете тепловых балансов пользуются следующими тепловыми характеристиками:

· удельной теплоемкостью (с, Дж/(кг*К) – количеством теплоты, необходимым для нагревания (охлаждения) 1 кг вещества на 1 К.

Теплоемкости зависят от температуры. Теплоемкости твердых и жидких веществ незначительно зависят от температуры, теплоемкости газов существенно увеличиваются с повышением температуры. Поэтому различают истинные теплоемкости при данной температуре и средние теплоемкости в некотором интервале температур;

· удельной энтальпией (i, Дж/кг) – количеством теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0°С (энтальпия при 0°С условно принимается равной 0) до требуемой температуры t,

· удельной теплотой фазовых превращений – количеством теплоты, которое выделяется (поглощается) при изменении агрегатного состояния 1 кг вещества (Дж/кг). При этом различают удельную теплоту парообразования (конденсации) r, удельную теплоту плавления (отвердевания) λ.

Значения удельных теплоемкостей, энтальпий и теплом фазовых превращений приведены в справочной литературе.

В процессе теплообмена теплота, передаваемая от горячего теплоносителя Q ₁, затрачивается на нагрев холодного теплоносителя Q₂; кроме того, часть теплоты идет на тепловые потери Q _п в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса в этом случае может быть записано в виде

где Q – тепловая нагрузка аппарата.

Если расход горячего теплоносителя – G1, его энтальпия на входе в аппарат – i_1н, на выходе – i_1к, расход холодного теплоносителя – G₂, его начальная энтальпия – i_2н, конечная – i_2к, то уравнение (5.3) принимает вид

Если процесс протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, уравнение (5.4) с учетом (5.2) может быть записано через средние удельные теплоемкости теплоносителей с₁, с₂ и соответствующие начальные и конечные температуры теплоносителей t_Н, t_K

Если горячим теплоносителем является насыщенный пар в количестве D, который, конденсируясь, отдает теплоту холодному теплоносителю, то выделившуюся при этом теплоту можно определить по формуле

где i_s, i_конд – энтальпия насыщенного пара и конденсата соответственно.

При использовании перегретого пара в качестве горячего теплоносителя тепловая нагрузка будет представлять собой сумму следующих теплом:

Q _пер – теплота, отдаваемая при охлаждении пара от t_пар до температуры насыщения t_s (энтальпия изменяется соответственно от i_пар до i_s),

Q _конд – теплота конденсации (t_s= const),

Q _охл – теплота охлаждения конденсата от t_s до температуры t_охл

Здесь с_пар и с_конд – средние удельные теплоемкости пара и конденсата.

Механизмы передачи теплоты

Теплота от одного тела к другому передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность (кондукция) – перенос теплоты вследствие движения и колебаний микрочастиц, соприкасающихся друг с кругом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

Конвекция – перенос теплоты путем перемещения макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная, или свободная, конвекция), а также путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т. п. (вынужденная конвекция).

Тепловое излучение (лучеиспускание) – перенос теплоты в виде электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

Указанные механизмы распространения теплоты редко встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу – происходит так называемый сложный теплообмен.

Теплопроводность описывается основным законом передачи теплоты – законом Фурье, указывающим, что количество теплоты, переданное вследствие теплопроводности, пропорционально градиенту температуры dt/ dn, площади dF, через которую осуществляется передача теплоты, времени dτ проведения процесса:

Знак минус в уравнении (5.5) компенсирует отрицательное значение градиента температур. Коэффициент пропорциональности λ, , называется коэффициентом теплопроводности и показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности через 1 м² поверхности за 1 с при разности температур 1 К, приходящейся на 1 м длины нормали к изотермической поверхности.

Коэффициент теплопроводности зависит в первую очередь от природы и агрегатного состояния веществ, через которые осуществляется передача теплоты. В меньшей степени на теплопроводность газов влияют температура, давление и влажность.

При нормальных температурах и давлениях лучшими проводниками теплоты являются металлы (λ = 17,5... 384 Вт/(м*К)), худшими – газы (λ = 0,006...0,6 Вт/(м*К)). Для строительных материалов (в том числе теплоизоляторов) λ = 0,05...1,0 Вт/(м*К), для капельных жидкостей λ = 0,1...0,7 Вт/(м*К).

На основании решения уравнения Фурье можно получить зависимость, описывающую передачу теплоты через стенки различных конфигураций.

Плоская стенка. Считаем, что температура стенки меняется в одномерном поле от температуры t_cт1 до t_cт2 (t_ст1 > t_ст2), толщина стенки – δ, а теплопроводность – λ.

В соответствии с уравнением Фурье количество теплоты, проходящей через стенку площадью F при стационарном режиме, можно записать как

Разделив переменные, проинтегрируем данное уравнение в заданных граничных условиях

Величина, обратная коэффициенту пропорциональности, R = δ/λ, называется термическим сопротивлением стенки. В случае многослойной стенки (n – число слоев) ее термическое сопротивление определяется по зависимости

Цилиндрическая стенка. Изменение температуры в цилиндрической стенке происходит от t_ст1 на радиусе r ₁ до tст₂ на r ₂ (t_cт1 > t_ст2, r ₁ > r ₂). При этом поверхность теплообмена будет величиной переменной, зависящей от текущего радиуса r, и составляет

F = 2πrL,

где L – высота стенки.

Уравнение Фурье запишется в этом случаев виде

Разделив переменные, проинтегрируем полученное выражение в соответствующих пределах:

В результате получим

Для многослойной стенки, состоящей из n слоев это уравнение может быть записано в виде

Конвекция – процесс распространения теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одновременно конвекцией и теплопроводностью называют теплоотдачей.

При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный слой теплопроводностью, а затем в поток (ядро) жидкости конвекцией.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ _конв, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t _f и времени дт проведения процесса:

Коэффициент пропорциональности α, , называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м² в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.

Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя.

Далее приведены ориентировочные значения коэффициентов – теплоотдачи для типичных процессов.

Нагревание и охлаждение газов.........................................................................1,0...60

Нагревание и охлаждение воды.......................................................................200...10000

Кипение воды..................................................................................................2000...24000

Конденсация водяных паров..........................................................................4000...15000

Конденсация паров органических жидкостей................................................500...2000

Тепловое подо6ие

Поскольку аналитическое определение значения коэффициента теплоотдачи α является достаточно сложной проблемой, для этой цели прибегают к экспериментальным исследованиям с использованием теории подобия. Полученные в этом случае результаты могут быть с высокой степенью достоверности распространены на широкий диапазон подобных процессов.

Анализ дифференциальных уравнений, описывающих процесс конвективного переноса теплоты с позиций теории подобия, по­зволил получить критерии, приведенные в табл. 5.1

Следует обратить внимание, что критерий Пекле является произведением критериев Рейнольдса и Прандтля , поэтому при описании тепловых процессов вместо него чаще используют произведение критериев гидромеханического Rе и теплового Pr подобия.

Полученные критерии подобия позволяют записать общее критериальное уравнение конвективного переноса теплоты

f (Re, Gr, Nu, Pr, Fo) = 0.

Определяемым критерием, который нельзя определить из условий однозначности, является критерий Nu, содержащий искомый коэффициент теплоотдачи. Остальные критерии являются определяющими:

Уравнение (5.7) в зависимости от условий проведения процесса теплообмена может быть упрощено. Так, если процесс является стационарным, из него выпадает критерий Fo. Поскольку критерии Rе и Gr характеризуют различные гидродинамические режимы (вынужденной и естественной конвекции), чаще всего для конкретных условий используется только один из них.

Таким образом, для стационарных процессов теплообмена при вынужденной' конвекции уравнение (5.7) запишется

В выражениях (5.8) и (5.9) j, n, m – экспериментальные коэффициенты, определяемые для конкретных систем и условий теплоотдачи.

В качестве примера рассмотрим ряд экспериментальных критериальных уравнений, описывающих различные случаи конвективной теплоотдачи.

Теплоотдача при свободном движении жидкости характеризуется уравнением (5.9), которое в этом случае принимает вид

где с и n – константы, численные значения которых выбирают в зависимости от произведения GrPr (табл. 5.2).

Физические параметры, входящие в формулу (5.10), определяются при средней температуре t_cp = 0,5(t_ср + t _f).

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости зависит от характера этого движения (развитое турбулентное течение, неустойчивое турбулентное течение, ламинарное течение).

Развитое турбулентное течение (Re > 10^-4). Теплоотдача в этом случае зависит от характера движения и физических свойств жидкости

Здесь определяющая температура – средняя температура жидкости, а для критерия Рг, все физические величины берутся при температуре стенки.

Коэффициент теплоотдачи в коротких трубах и каналах несколько больше, что учитывается поправочным коэффициентом ε_l (табл. 5.3).

Неустойчивое турбулентное течение в переходной области (2,3*10² < Re < 10⁴) можно описать либо приближенной формулой

либо графической зависимостью (рис. 5.1).

Ламинарный режим течения характеризуется тем, что вследствие разности температуру стенки и в ядре потока на основное движение жидкости накладывается естественная конвекция. Интенсивность теплоотдачи при этом усиливается, а в уравнение дополнительно входит критерий Грасгофа:

Теплоотдача в аппаратах с мешалкой. Для повышения интенсивности теплообмена в аппаратах со змеевиками и рубашками используют мешалки. В этом случае значения коэффициентов теплоотдачи зависят от конструкции аппарата и мешалки, а также физических свойств перемешиваемой среды. Для расчета можно воспользоваться упрощенными уравнениями:

· при теплообмене со стенками сосуда

Nu = 0,36*Re_м^0,67*Pr^0,33;

· при теплообмене со змеевиком

Nu = 0,87* Re_м^0,67*Pr^0,33.

Теплоотдачу при изменении агрегатного состояния жидкости можно разделить на теплопередачу при кипении жидкости и теплоотдачу при конденсации пара (подвижного и неподвижного).

Теплоотдача при кипении жидкости. Кипение - процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения с образованием паровых пузырей.

Режим кипения, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым кипением.

Режим кипения, при котором происходит слияние о6разуюпщхся пузырьков в подвижную паровую пленку, поднимающуюся у поверхности нагрева, называется пленочным кипением.

Коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении выше, чем при пленочном кипении.

Коэффициент теплоотдачи для кипящей жидкости может быть рассчитан по уравнению, связывающему коэффициент теплоотдачи с тепловым потоком и физическими свойствами жидкости:

ρ_с, ρ_пар – плотности среды и пара, кг/м³; ν – кинематическая вязкость, м²/с; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); σ – поверхностное натяжение, Н/м; Т_кип – температура кипения, К; ΔТ_кип = Т_ст – Т_кип – движущая сила процесса теплоотдачи, К; q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.

Все физико-химические константы следует брать при температуре кипения.

Теплоотдача при конденсации пара. Если пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, то он конденсируется на ней. Различают три вида конденсации пара на твердой поверхности:

· пленочная конденсация, когда конденсат стекает по поверхности в виде сплошной пленки;

· капельная конденсация, когда конденсат выпадает на поверх­ности в виде отдельных капель;

· смешанная конденсация, когда часть поверхности покрыта каплями, а часть – пленкой конденсата.

В результате гидродинамического и теплового анализа процесса пленочной конденсации пара получена формула

где  - критерий теплового подобия при изменении агрегатного состояния; С – коэффициент, равный 0,94 для конденсации пара на вертикальной стенке или трубе и 0,74 —для конденсации на горизонтальной трубе; λ_конд, ρ_конд,μ_конд – параметры конденсата при средней температуре пленки t_cp = 0,5(t_s + t_ст); t_s – температура насыщения пара; L – определяющий размер (для вертикальной стенки — высота, для горизонтальной трубы – диаметр).

Формулы (5.11) и (5.12) получены для случая конденсации неподвижного пара. Для движущегося пара значение коэффициента теплоотдачи может быть либо больше, либо меньше по сравнению с неподвижным.

Зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи для различных условий и конструкций аппаратов можно найти в справочной литературе.

Тепловое излучение характеризуется длинами волн, которые лежат в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 1),8...40 мкм.

При попадании на тела лучистая энергия частично поглощается Q погл, частично отражается Q отр, частично проходит сквозь них Q пр:

Q _л = Q_погл + Q отр + Q пр

Поглощаемая телом часть лучистой энергии переходит в тепловую, а отраженная и прошедшая сквозь него может поглощать­ся другими телами.

Если рассматривать долю каждой энергии в общем количестве лучистой энергии

1 = Q_погл/ Q _л + Q_отр/ Q _л + Q_пр/ Q _л

то в случае, если:

· Q_погл/Q_л = 1 (вся энергия поглощается), тело называется абсолютно черным;

· Q_отр/Q_л = 1 (вся энергия отражается), тело называется абсолютно белым;

· Q_пр/Q_л = 1 (вся энергия проходит сквозь тело), тело называется абсолютно прозрачным (или диатермичным).

Тела, имеющие все три доли, называют серыми телами. Основные закономерности процесса теплового излучения могут быть описаны с помощью следующих законов.

Закон Стефана – Больцмана. Лучеиспускательная способность серого тела Е пропорциональна четвертой степени его температуры Т, К, и коэффициенту лучеиспускания серого тела С:

Сопоставив энергию излучения серого тела с энергией излучения абсолютно черного тела при той же температуре, получим относительную излучательную способность (степень черноты) тела

где Е₀ – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела;

 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа. Согласно этому закону поглощательная способность и степень черноты равны между собой:

ε = А,

где А – отношение поглощаемой телом лучистой энергии к общему ее количеству, падающему на тело.

Из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощательная способность. Этими объясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, так как для него А = 1, а следовательно, и ε = 1.

Наоборот, тела, хорошо отражающие лучистую энергию, сам излучают мало, а для абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел лучеиспускательная способность равна нулю.

Теплообмен лучеиспусканием между телами. Количество теплоты, отданной телом с абсолютной температурой Т₁ окружающим более холодным телам с абсолютной температурой Т₂, составляет

где F - условная расчетная поверхность теплообмена.

Совместная передана теплоты конвекцией и лучеиспусканием. Передача теплоты лучеиспусканием обычно сопровождается одновременной передачей теплоты конвекцией. Пусть от стенки с абсолютной температурой Т _ст теплота передается к среде с абсолютной температурой Т f (соответствующие температуры в °С будут t_ст и t _f)

Теплота, передаваемая конвекцией, в соответствии с формулой (5.6) при стационарном режиме составит

а теплота, передаваемая лучеиспусканием, в соответствии с (5.13) составит

Общее количество передаваемой теплоты равно

Второй член выражения, заключенного в квадратные скобки, называется коэффициентом теплоотдачи при лучеиспускании α_л. Таким образом

где (α+α_л) – общий коэффициент теплоотдачи (при совместной передаче теплоты конвекцией и лучеиспусканием).

Теплопередача

Теплопередача – процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.

Механизм теплопередачи складывается из трех стадий (рис. 5.2): конвекции от первой среды к плоской стенке:

теплопроводности через плоскую стенку:

конвекции от плоской стенки ко второй среде:

В результате совместного решения уравнений (5.15) - (5.17) получим

где  - коэффициент теплопередачи, а сумма в знаменателе – общее термическое сопротивление процессу теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи К,  показывает какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями один градус.

В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку, цилиндрической формы (рис. 5.3) механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии, можно записать:

для первой стадии

Совместное решение уравнение (5.19)-(5.21) позволяет получить выражение

Здесь коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки К_цил, имеет размерность иную, чем для плоской стенки К_цил,

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи приведены в табл. 5.4.

Как следует из анализа уравнений (5.18) и (5.22) движущей силой процесса теплопередачи является разность Температур между горячим и холодным теплоносителем.

Однако температуры теплоносителей в процессе теплопередачи чаще всего меняются вдоль поверхности теплообмена (за ис­ключением случая изменения агрегатного состояния теплоноси­теля), поэтому при расчетах в уравнение (5.1) подставляют среднюю разность температур Δt_cp.

Определение Δt_cp осуществляется следующим образом.

Если Δt_max и Δt_min – большая и меньшая разности температур между теплоносителями в начале и конце процесса теплопередачи и Δt_max/ Δt_min ≤ 2, то средняя разность температур определяется как среднеарифметическое

В случае Δt_max/ Δt_min > 2 определение осуществляется по среднелографической зависимости

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей вдоль разделяющей их стенки.

При прямотоке теплоносители движутся в одном направлении,

Противоток характеризуется движением теплоносителя в противоположных направлениях.

При перекрестном токе теплоносители движутся перпендикулярно один другому, при смешанном токе один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому.

Наиболее распространенными видами движения являются прямоток и противоток. Однако применение противотока более экономично, чем прямотока.

Это следует из того, что средняя разность температур при противотоке больше, чем при прямотоке, а расход теплоносителей одинаков (при одинаковых начальных и конечных температурах теплоносителей).

Сопоставление температурных режимов работы теплообменных аппаратов при прямотоке и противотоке убеждает, что при прямотоке максимальный температурный напор имеет место у входа в теплообменник. Затем этот напор уменьшается, достигая минимального значения на выходе из аппарата. При противотоке тепловая нагрузка более равномерна, а конечная температура нагревающей среды может быть выше конечной температуры охлаждающей среды.

При расчете теплообменных аппаратов, а также аппаратов, работающих со средами, температура которых отличается от тем­пературы окружающей среды, необходимо знать температуры на внешней и внутренней поверхностях стенок.

Так из уравнений (5.15) и (5.17)

Подставив в (5.15) значения тепловой нагрузки из уравнении (5.1), получим выражение для определения температуры поверхностей стенки

Тепловые потери. Если одна из поверхностей теплопередающей стенки контактирует с окружающей средой, то тепловой поток, проходящий через нее от обрабатываемого вещества с противоположной стороны, теряется безвозвратно. Поэтому целью разработчика технологической аппаратуры чаще всего является уменьшение таких потерь.

Отдача теплоты от поверхности аппарата в окружающую среду происходит в общем случае путем конвекции и лучеиспускания, поэтому при расчете потерь теплоты следует пользоваться уравнением (5.14).

При расчете задаются температурой наружной поверхности аппарата (t_ст), а затем проверяют ее.

Для уменьшения потерь теплоты аппараты покрывают слоем тепловой изоляции, т. е. слоем материала с низкой теплопроводностью. При нанесении тепловой изоляции увеличивается тепловое сопротивление стенки и уменьшается температура наружной поверхности аппарата. Этим достигается снижение потерь теплоты, улучшаются условия труда обслуживающего персонала.

При выборе толщины изоляции следует исходить из допустимых потерь теплоты, которые не должны превышать 3...5% от общей тепловой нагрузки, а также допустимой температуры стенки, которая на рабочих местах и в проходах во избежание ожогов, должна быть меньше 45°С.

Далее приведены коэффициенты теплопроводности некоторых теплоизоляционных материалов.

Асбест..........................................................................................0,151

Войлок шерстяной......................................................................0,163

Изоляционный кирпич..........................................................0,116...0,209

Пенопласт....................................................................................0,047

Стеклянная вата.....................................................................0,035...0,070

Шлаковая вата.............................................................................0,076

Контрольные вопросы

1. Что является движущей силой тепловых процессов?

2. Какие механизмы передачи теплоты существуют?

3. От чего зависит коэффициент теплопроводности?

4. В чем состоят различия между естественной и вынужденной конвекцией?

5. От каких параметров наиболее существенно зависит коэффициент теплоотдачи?

6. Какие критерии относятся к критериям теплового подобия и каков физический смысл?

7. На чем основывается механизм передачи теплоты излучением?

8. В чем заключается сущность процесса теплопередачи?

9. Как определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи?

10. Какие теплоизоляционные материалы применяются в промышленности?