1) ПАХТ все лекции в одной. Лекция 1 предмет и задачи курса процессы и аппараты химической технологии уравнение неразрывности в курсе Процессы и аппараты химической технологии изучаются физико химическая сущность и теория процессов,
 Скачать 7.99 Mb.
|
Монтежю Рис. 8.8. Схема монтежю: 1 – корпус 2 – рабочее колесо 3 – лопатки 4 – линия для залива насоса перед пуском 5 – всасывающий трубопровод 6 – обратный клапан 7 – фильтр 8 – нагнетательный трубопровод 9 – вал 10 – сальник. Основным рабочим органом центробежного насоса является свободно вращающееся внутри спиралевидного (или улитообразного) корпуса колесо, насаженное навал. Между дисками колеса, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти лопатки, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопаток образуют межлопастные каналы колеса, которые при работе колеса заполнены перекачиваемой жидкостью. Всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении колеса. Высокий кпд Высокая производительность и равномерная подача Простота устройства, высокая надежность и долговечность Перекачивание загрязненных жидкостей и жидкостей, содержащих твердые взвешенные частицы Компактность и быстроходность. Недостатки Низкий напор Уменьшение производительности при увеличении сопротивления сети Снижение кпд приуменьшении производительности Непригодность при перекачивания высоковязких жидкостей Применение являются основными насосами химической промышленности Осевой (пропеллерный) насос Рис. 8.12. Осевой насос 1 – рабочее колесо 2 – корпус 3 – направляющий аппарат. Рабочее колесо 1 с лопатками винтового профиля при вращении в корпусе 2 сообщает жидкости движение в осевом направлении. При этом поток несколько закручивается. Для преобразования вращательного движения жидкости на выходе из колеса в поступательное в корпусе 2 устанавливают направляющий аппарат 3. Достоинства Высокий кпд Плавная, непрерывная и высокая подача Простота устройства Высокая надежность и долговечность Компактность и быстроходность. Недостатки Небольшие напоры. Применение Перемещение больших объемов жидкостей при невысоких напорах; Перемещение загрязненных и кристаллизующихся жидкостей В области больших подач (до 1500 м 3 /мин) при небольших напорах дом ЛЕКЦИЯ 9 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ И ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ. ЗАКОН ФУРЬЕ Перенос энергии в форме теплоты. Понятие о теплоотдаче и теплопередаче Механизмы переноса теплоты Процесс переноса теплоты называют теплообменом. В химической технологии принято называть жидкости или газы, участвующие в теплообмене, теплоносителями. В процессах теплообмена всегда присутствуют, как минимум, два теплоносителя - горячий и холодный. Перенос теплоты осуществляется тремя способами (механизмами 1. Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов. В чистом виде теплопроводность наблюдается только в неподвижных средах - твердых телах. 2. Перенос теплоты конвекцией. Такой способ возможен только в подвижных средах, те. в жидкостях и газах. Теплота переносится макрообъемами среды при их перемещении под действием каких-либо сил. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью 3. Перенос теплоты излучением. В этом случае энергия переносится в виде электромагнитных волн через оптически прозрачную среду. При этом внутренняя энергия переходит в лучистую, которая впоследствии поглощается другими телами. В чистом виде такой механизм наблюдается в вакууме. Пример – Солнце и планеты. В химической технологии существуют все три механизма переноса теплоты в жидкостях – это конвекция и теплопроводность в твердых телах – только теплопроводность в газах – это одновременно теплопроводность, конвекция и излучение. При описании процессов теплообмена, происходящих в промышленном оборудовании, различают два понятия 1. Теплоотдача - перенос теплоты в пределах одной фазы от границы раздела или от стенки к жидкому (газообразному) теплоносителю (или наоборот 2. Теплопередача - перенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному через границу раздела или через разделяющую теплоносители теплопередающую твердую стенку. 2 Расчет теплообменной аппаратуры заключается в следующем 1. Определение тепловых нагрузок или тепловых потоков отдельных аппаратов 2. Определение требуемой поверхности теплопередачи с целью дальнейшего расчета основных размеров тепловых аппаратов. Уравнения тепловых балансов при изменении и без изменения агрегатного состояния Количество теплоты, передаваемого от более нагретого тела к менее нагретому за единицу времени, можно охарактеризовать величиной теплового потока Q (Вт) или величиной удельного теплового потока (плотность потока) q (Вт/м 2 ); где A - поверхность теплообмена (м. Теплообменник - аппарат, в котором происходит теплообмен между двумя теплоносителями горячим (индекс 1) и холодным (индекс 2) (Рис) Рис. Схема потоков в теплообменном аппарате В теплообменнике массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, и ṁ 2 , соответственно температуры горячего теплоносителя на входе T 1вх и выходе T 1вых ; температуры холодного теплоносителя на входе T 2вх и выходе T 2вых Количество теплоты, отдаваемой в единицу времени горячим теплоносителем и получаемое холодным теплоносителем , определяется по формуле пот 1 (9.1) вых вх H H Q 1 1 1 − = (9.2) вх вых H H Q 2 2 2 − = (9.3) 3 где H 1вх и H 1вых – энтальпии горячего теплоносителя при температурах на входе в аппарат и выходе из аппарата, соответственно, Вт H 2вх и H 2вых – энтальпии холодного теплоносителя при температурах на входе в аппарат и выходе из аппарата, соответственно, Вт пот - тепловые потери в окружающую среду, Вт. Уравнения тепловых балансов без изменения агрегатного состояния теплоносителей Если теплоноситель не изменяет своего агрегатного состояния, для определения количества теплоты формулы (9.2) и (9.3) можно преобразовать к виду ( ) вых вх T T c m Q 1 1 1 1 1 − = (9.4) ( ) вх вых T T c m Q 2 2 2 2 2 − = (9.5) 1 m и 2 m – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; 1 c - удельная изобарная теплоемкость горячего теплоносителя (Дж/кгК) при его средней температуре 2 1 1 1 вых вх ср T T T + = ; 2 c - удельная изобарная теплоемкость холодного теплоносителя (Дж/кг К) при его средней температуре 2 2 2 вых вх ср T T T + = Уравнения тепловых балансов с изменением агрегатного состояния теплоносителей 1. Если теплоноситель изменяет свое агрегатного состояния, например, конденсируется насыщенный пар, то для определения количества теплоты формулу (9.2) можно записать следующим образом вых вых пара T c m h m Q 1 1 1 1 1 1 − = (9.6) 1 m – массовый расход пара, кг/с; пара – удельная энтальпия конденсирующегося пара, (Дж/кг); вых c 1 - удельная изобарная теплоемкость конденсата при температуре вых T 1 . (Дж/кгК). Если конденсат пара выводится при температуре конденсации, те. конд вых T T 1 1 = , можно записать ( ) 1 1 1 1 1 1 1 r m T c h m Q конд конд пара = − = (9.7) r 1 - удельная теплота конденсации насыщенного пара (Дж/кг). 4 2. В случае, если жидкий теплоноситель кипит, то для определения количества теплоты формулу (9.3) можно записать следующим образом ( ) 2 2 2 2 2 2 2 r m T c h m Q кип кип пара = − = (9.8) 2 m – массовый расход кипящей жидкости h пара – удельная энтальпия образующегося при кипении пара кип - удельная изобарная теплоемкость жидкости при температуре кипения кип r 2 - удельная теплота парообразования жидкости. Молекулярный и конвективный перенос. Феноменологический закон теплопроводности Фурье Температурным полем называют совокупность значений температур во всех точках рассматриваемой среды. Оно характеризует распределение температур в пространстве и во времени, может быть стационарным или нестационарным. Изотермическая поверхность - геометрическое место точек в среде с одинаковой температурой. Температурный градиент - вектор, направленный в сторону максимального возрастания температуры, те. являющийся производной по нормали к изотермической поверхности. gradT n T = , где n - единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности. Фурье экспериментально установил, что при переносе теплоты теплопроводностью удельный тепловой поток q пропорционален градиенту температур, те gradT n T q T T − = − = , (9.9) где λ T - коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)). Знак "-" указывает, что теплота переносится в сторону уменьшения температуры. Уравнение (9.9) называется феноменологическим законом теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности для металлов равен 10400 Вт/(мК); для жидкостей 0,2 0,7 Вт/(мК); для газов 0,01 0,06 Вт/(мК). 5 Перенос теплоты конвекцией Уравнение теплоотдачи Перенос теплоты конвекцией осуществляется движущимися макрообъемами подвижной среды - жидкостью или газом. Различают 1. Естественную (свободную конвекцию, которая вызвана разностью плотностей в различных точках объема (например, из-за разности температур 2. Вынужденную конвекцию, возникающую в условиях принудительного движения жидкостей и газов с применением мешалок и насосов. Конвективный перенос намного интенсивнее молекулярной теплопроводности. В ядре потока, в турбулентной области, теплота переносится в основном конвекцией, а вблизи границы раздела или твердой стенки - только теплопроводностью. Главное термическое сопротивление переносу теплоты из ядра потока к твердой стенке или наоборот сосредоточено в тепловом пограничном слое. Уменьшая его толщину перемешиванием или увеличивая скорость потока, можно интенсифицировать теплоотдачу. Толщина теплового пограничного слоя пропорциональна коэффициенту температуропроводности а, мс p T c a = , (9.10) Толщина гидродинамического пограничного слоя пропорциональна коэффициенту кинематической вязкости = , мс, те. δ тепл a, гидр. Отношение a = Pr называется теплообменным критерием Прандтля. В общем случае δ тепл ≠ δ гидр Если Pr = 1, то толщина теплового пограничного слоя равна толщине гидродинамического пограничного слоя. Такая картина характерна для газов. При этом будет наблюдаться подобие поля температур и поля скоростей, появляется возможность моделирования одного процесса другим. Таким образом, можно сделать вывод, что теплоотдача - процесс достаточно сложный. Математически описать ее непросто, т.к. неизвестен температурный градиенту стенки, также неизвестен профиль температур вдоль поверхности теплообмена. 6 Уравнение для описания теплоотдачи было экспериментально получено И.Ньютоном. Он установил, что скорость переноса теплоты пропорциональна разности температур между ядром потока теплоносителя и температурой на стенке. Уравнение теплоотдачи ст) где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2 К, Т - температура в ядре потока теплоносителя, T ст - температура стенки, A - поверхность стенки, м 2 Коэффициент теплоотдачи показывает, сколько теплоты в единицу времени передается через единицу поверхности из ядра потока к разделяющей теплоносители стенке (или наоборот - от стенки в ядро потока) при разности температур между ядром потока и стенкой в 1 градус. Использование этой зависимости для расчета теплоотдачи на практике достаточно сложно, т.к. неизвестна температура стенки. Величина коэффициента теплоотдачи зависит от множества параметров скорости движения теплоносителя, геометрических размеров аппарата, физическо- химиеских свойств (плотности, вязкости, теплоемкости и теплопроводности теплоносителя, состояния поверхности и т.д. Получить значения коэффициента теплоотдачи аналитически, решая уравнения описывающие теплообмен, затруднительно. Поэтому, также как ив гидравлике, приходится применять теорию подобия, обобщая опытные данные в виде критериальных зависимостей для типовых случаев теплоотдачи. 1 ЛЕКЦИЯ 10 ПОТЕНЦИАЛ ПЕРЕНОСА. УРАВНЕНИЕ ФУРЬЕ-КИРХГОФА ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ В ТЕПЛООБМЕНЕ Потенциал переноса Рассмотрим газовую или жидкую сплошную среду. Примем все точки среды находятся в неравновесном состоянии. Это приводит к возникновению полей концентраций, температур, давлений, а наличие градиентов этих параметров вызывает перенос массы и энергии. Выделим элемент объема движущейся жидкости в неоднородном поле некоторого потенциала переноса. Под потенциалом переноса понимают удельную массу или энергию (отнесѐнную к единице объѐма). (x, y, z) - скалярная величина. Из курса математики известно, что скалярная функция называется потенциалом векторной функции , если между ними существует связь в форме grad q (10.1) Под градиентом скалярной функции grad подразумевают векторную функцию k z j y i x grad (10.2) где k j i , , – базисные векторы или орты. В дальнейшем будем понимать связь между q и как пропорциональность grad q (10.2 ) Таким образом, поток переносимой субстанции (массы или энергии) является векторной величиной В случае переноса массы под потенциалом переноса обычно понимают концентрацию компонента в смеси i i V m (10.3) где m i – масса го компонента в объѐме V, кг i; i – концентрация го компонента в смеси, кг м 2 При переносе энергии в качестве потенциала переноса рассматривают энтальпию единицы объема среды T c V T c V P P (10.4) Здесь с р – изобарная теплоѐмкость среды , Дж (кг К T – температура, К - плотность, кг/м 3 ; V – объем, м Дж T c V P 3 м Дж T c P В рассматриваемой среде могут существовать, так называемые, объемные непрерывно распределѐнные по объѐму) источники или стоки массы и энергии. В химической технологии подними подразумеваются химические превращения. Известно, что процессы тепло- и массообмена осуществляются двумя основными механизмами молекулярными конвективным. Молекулярный перенос (диффузия, теплопроводность) возникает в результате стремления системы к термодинамическому равновесию, а конвективный вызывается наличием поля скоростей в жидком или газовом объѐме V. Следует отметить, что в случае переноса энергии в форме теплоты существует ещѐ и радиантный перенос (тепловое излучение, вклад которого учитывают при достаточно высоких температурах. Молекулярный перенос является определяющим в неподвижных средах, хотя он вызывает естественную конвекцию и практически всегда ею сопровождается. Процессы молекулярного переноса массы и энергии описываются соответствующими феноменологическими уравнениями, являющимися, как правило, линейными градиентными законами. Молекулярный перенос массы (молекулярная диффузия) подчиняется первому закону Фика: i Mm grad D - q (10.5) где – коэффициент молекулярной диффузии, мс- плотность массового потока, кг i мс. Молекулярный перенос энергии в форме теплоты описывается законом Фурье T T T grad - q M (10.6) 3 где T – коэффициент теплопроводности, Вт м T M q - плотность теплового потока, Дж см Вт мВ более общей форме закон Фурье можно переписать следующим образом T c a T c c c T c P P P T P P T T grad grad - grad - q M (10.7) Здесь P T c a – коэффициент температуропроводности, мс. Следует обратить внимание, что коэффициенты диффузии D и температуропроводности а имеют одинаковую размерность (мс) и называются молекулярными коэффициентами переноса. Таким образом, молекулярный перенос массы и энергии описываются одинаковыми по форме законами, и они могут быть обобщены следующим выражением grad - q M k (10.8) При конвективном переносе масса и энергия транспортируются макроскопическим путѐм, движущейся со скоростью v средой. Плотность конвективного потока массы и энергии на каждом участке поверхности А можно выразить следующим образом v A A v K q (10.9) где А – участок поверхности, ориентированный перпендикулярно вектору скорости Размерность q – – плотность потока массы или энергии, соответственно. T c v P KT q (10.10) Таким образом, в случае молекулярного и конвективного переноса общая плотность потока массы или энергии складывается из двух векторных величин K M q q q (10.11) 4 Рис. К выводу балансовых уравнений переноса В газовой или жидкой среде, находящейся в движении, выделим произвольный объѐм V, ограниченный поверхностью А (рис. 10.1). На поверхности А выделим элемент поверхности Аи представим его в векторной форме, умножив на единичный вектор , нормальный к этому элементу и направленный из объѐма, Составим балансовое уравнение по типу Накопление внутри объёма = Вход – Выход + Образование Примем, что в произвольном объеме нет источников субстанции или стоков, те. образование равно нулю. Плотность потока субстанции через элементарную площадку будет Знак “–“ в этом произведении делает входящие потоки положительными, а выходящие – отрицательными. Результирующий поток массы или энергии (Вход минус Выход) будет получен суммированием всех потоков через замкнутую поверхность A: A A d q (10.12) Таким образом, физически этот интеграл представляет разницу между входящими и выходящими потоками субстанции через всю поверхность А. 5 Если в объѐме V происходит накопление субстанции, то это вызовет изменение потенциала переноса во времени, которое для элементарного объѐма dV можно представить как, а для всего объема как интеграл V dV dt d M (10.13) Приравняв выражения (10.12) и (10.13), получим V A dV dt d A d q (10.14) Согласно теореме Остроградского-Гаусса, дающей преобразование интеграла, взятого по объѐму V, ограниченному поверхностью A, в интеграл, взятый по этой поверхности, будем иметь V A dV q div A d q (10.15) С учѐтом (10.15) соотношение (10.14) примет вид V dV q div t (10.16) Интеграл, взятый по произвольному объѐму, может быть равен нулю только в случае равенства нулю подынтегральной функции 0 q div t (10.17) Полученное выражение (10.17) и есть основное дифференциальное уравнение переноса субстанции – массы или энергии, как будет показано далее. В случае изотропных сплошных сред сего помощью можно получать поля температурили концентраций в однофазной среде. Искомой величиной является плотность потока субстанции , которая определяет удельный поток массы или энергии. 6 Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Уравнение Фурье-Кирхгофа) Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена является частным случаем уравнения переноса энергии в форме теплоты в однофазной сплошной изотропной среде. При этом теплоѐмкость с, теплопроводность T и плотность среды считаются постоянными отсутствует также перенос энергии в форме теплового излучения и объѐмное источники (стоки) теплоты. Как было отмечено выше, потенциалом переноса теплоты является энтальпия единицы объѐма среды (ур. 10.4): T c P (10.4) Тогда с учѐтом выражений (10.7) и (10.9), будем иметь v T c T c a q q q P P KT MT T grad (10.18) Где T q – плотность потока теплоты, представляющая векторную сумму молекулярной и конвективной KT q компонент. Основное уравнение переноса субстанции (10.17) в этом случае примет следующий вид 0 v T c T c a div t T c P P P grad (10.19) 0 v T a div t T T grad (10.20) При a = const получим T a a div 2 T grad (10.21) 2 - оператор Лапласа Дифференциальная операция сопоставляет скалярную функцию и скалярную функцию 2 2 2 2 2 Примем также, что гидродинамически среда является стационарной, тогда с учѐтом уравнение неразрывности имеет вид 0 v div (10.23) 7 Дивергенцию от v T , как произведения векторной и скалярной величины, можно представить в виде T grad v v div T v div T (10.24) С учѐтом (10.21), (10.23) и (10.24) выражение (10.20) примет вид T a v t T 2 T grad (10.25) Полученное выражение (10.25) называется дифференциальным уравнением конвективного теплообмена или уравнением Фурье-Кирхгофа. Оно является частным случаем дифференциального баланса энергии в форме теплоты в движущейся среде, где имеет место перенос энергии теплопроводностью. Полная форма уравнения конвективного теплообмена в скалярном виде будет 2 2 2 2 2 2 z T y T x T a z T v y T v x T v t T z y x (10.26) Левая часть этого соотношения представляет собой субстанциональную производную Решением дифференциального уравнения конвективного теплообмена в общем виде является функция , которая представляет собой нестационарное поле температур в движущейся среде. В неподвижной среде и выражение (10.25) принимает вид T a t T 2 (10.27) Уравнение (10.27) описывает нестационарное температурное поле в неподвижной среде, может применяться также для твѐрдых тел и называется уравнением нестационарной теплопроводности. Уравнение для установившегося процесса в неподвижной среде или в твердом теле имеет вид 0 2 T (10.28) Отметим, что согласно уравнению (10.27), локальное изменение температуры пропорционально коэффициенту температуропроводности a, который, таким образом, характеризует теплоинерционные свойства среды. При прочих равных условиях быстрее нагреется или охладится то тело, которое имеет бόльший коэффициент температуропроводности. 8 Граничное условие Уравнения Фурье-Кирхгофа на практике используется совместно с граничным условием, те. условием на границе среды у неподвижной твердой стенки. Вблизи твердой стенки теплота передается только теплопроводностью внутри пограничного слоя. Следовательно, по закону Фурье dA gradT dA n T Q T T (10.29) В тоже время, количество теплоты, передаваемой из ядра потока к твердой стенке, можно выразить законом Ньютона (уравнение теплоотдачи ст) Если перенос тепла стационарный, это один и тот же тепловой поток dA T T dA gradT Q ст T ст T T T gradT (10.31) Это и будет граничным условием, дополняющим уравнение Фурье-Кирхгофа. Элементы теории подобия в теплообмене Рассмотрим гидродинамически одномерный поток жидкости. Запишем уравнение Фурье-Кирхгофа: T a z T v t T z 2 (10.32) Получим приближенное решение этого уравнения методами теории подобия. Для этого зададим константы подобия, выражающие отношения величин, входящих в уравнение Фурье-Кирхгофа: a l , a t , a T , a a , a v Умножим каждый из элементов дифференциального уравнения (10.32) на соответствующую константу подобия, причем последняя как постоянная величина, выносится за знак дифференциала. T a a a a z T v a a a t T a a l T a z l T v t T 2 2 (10.33) Для сохранения тождественности полученного и исходного уравнений необходимо выполнение следующего условия 9 2 l T a l T v t T a a a a a a a a (10.34) Разделим поочередно дробина правую дробь. Отношения будут равны единице, т.к. они все являются индикаторами подобия, ау подобных явлений индикаторы равны единице.После деления заменим константы подобия их значениями a l = l 1 /l 2 , a t = t 1 /t 2 , а = а а, a T = T 1 / Первый комплекс при делении 1 Критерий Фурье |