Конспект лекций. Закон теплоотдачи Вследствие сложности точного расчета теплоотдачи ее определяют по упрощенному закону. В качестве основного закона теплоотдачи принимают закон охлаждения Ньютона, по которому количество тепла
 Скачать 3.8 Mb.
|
|
4.6 Выбор направления тока жидкостей В тепловых процессах с установившимся тепловым режимом изменение температур жидкостей может происходить следующим образом. 1. Обе жидкости, участвующие в теплообмене, имеют постоянную температуру как по поверхности теплообмена, таки во времени. Такой случай наблюдается, например, когда по одну сторону разделяющей стенки происходит конденсация насыщенного пара, а по другую находится кипящая жидкость. 2. Одна из жидкостей, участвующих в теплообмене, имеет в течение всего времени протекания процесса теплообмена постоянную температуру, а температура другой изменяется от до . 3. Температура обеих жидкостей изменяется при любом направлении их движения вдоль разделяющей стенки. В первых двух случаях теплопередача и расход теплоносителя не зависят оттого, будут ли жидкости направлены параллельно, противотоком, перекрестным током или смешанным током, так как это не отразится ни на температурах, ни на разности температур. Поэтому направление тока жидкостей выбирают, исходя только из конструктивных и технологических соображений. Когда температура обеих жидкостей в процессе теплообмена изменяется, то направление их движения будет существенно сказываться на процессе теплообмена и прежде всего наконечной температуре жидкостей. При изменении конечных температур будут изменяться разность температур и расход теплоносителя. Наиболее расходящиеся результаты получаются при сравнении параллельного тока с противотоком. Обозначим G 1 и G 2 — количество теплой и холодной жидкости в кгс ; си с — удельная теплоемкость их в ккал/кгс·°С; и — начальная и конечная температура теплой жидкости в Си начальная и конечная температура холодной жидкости в С. При отсутствии потерь тепла, по закону сохранения энергии, должно соблюдаться равенство ; (4.6.1) из которого можно найти расход теплой жидкости при нагревании ; (4.6.2) или расход холодной жидкости при охлаждении ; (4.6.3) Из последнего уравнения следует, что при заданных значениях , , и расход охлаждающей жидкости зависит только от конечной ее температуры : с увеличением конечной температуры расход охлаждающей жидкости будет уменьшаться и, наоборот, с понижением температуры — увеличиваться. Температура жидкости при параллельном токе всегда меньше , в то время как при противотоке может быть больше , приближаясь как к пределу к Таким образом, при противотоке расход охлаждающей жидкости в процессе охлаждения или нагревающей жидкости в процессе нагревания может быть меньше, чем при параллельном токе. Сокращение расхода охлаждающей или нагревающей жидкости при противотоке достигается обычно некоторым уменьшением средней разности температура следовательно, и увеличением потребной поверхности теплообмена. Однако экономия от снижения расхода теплоносителя при противотоке всегда значительно превышает дополнительные затраты на изготовление аппарата больших размеров, который может потребоваться в случае противотока. Если конечную температуру охлаждающей жидкости при противотоке 48 принимают такой же, как и при параллельном токе, то расход теплоносителя остается в обоих случаях одинаковым, разность же температур будет большей при противотоке. Поэтому при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей всегда следует устанавливать теплообменники, работающие по принципу противотока. Перекрестный и смешанный токи жидкостей занимают по разности температур и расходу теплоносителя промежуточное положение между параллельным током и противотоком. Выбор перекрестного или смешанного тока диктуется не экономическими, а только конструктивными соображениями. 4.7 Температура стенок Для расчета теплового потока в процессах теплопередачи надо знать температуру, которую будет иметь стенка, разделяющая жидкости. Это требуется также для вычисления потерь тепла стенками аппаратов в окружающую среду. Количество передаваемого тепла для обеих сторон стенки находят по уравнениями) Из этих уравнений можно определить температуру стенок, а именно ; (4.7.2) ; (4.7.3) Подставив вместо Q его значение из уравнения теплопередачи ; (4.7.4) получим ; (4.7.5) и ; (4.7.6) откуда окончательно ; (4.7.7) и ; (4.7.8) Температура стенки всегда ближе к температуре теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи. 4.8 Средняя температура теплоносителей При расчете коэффициентов теплоотдачи необходимо знать среднюю температуру теплоносителя с каждой стороны стенки. Если процесс теплообмена происходит при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей (конденсация, кипение, то его температура остается неизменной вдоль поверхности нагрева , а среднюю температуру второго теплоносителя находят по формуле ; (4.8.1) В общем случае средняя температура теплоносителей при неизменном агрегатном их состоянии с обеих сторон поверхности нагрева может быть определена по формулам, предложенным Е. Я. Соколовым: для противотока ; (4.8.2) для прямотока ; (4.8.3) где 4.9 Определение поверхности нагрева при переменных теплоемкостях и переменных коэффициентах теплопередачи При выводе формул для определения средней разности температур теплоемкости участвующих в теплообмене веществ и коэффициенты теплопередачи были приближенно приняты постоянными. Если теплоемкость и коэффициент теплопередачи значительно (более чем в два раза) изменяются в заданном интервале температур, то поверхность теплообмена F определяют методом графического интегрирования из общего уравнения теплопередачи ; (Принимая ряд промежуточных значений t 2 между и , определяют по тепловому балансу соответствующие им значения t 1 , а также величины си К и строят кривую в зависимости от t 2 . Площадь, ограниченная кривой, осью 50 абсцисс и ординатами, соответствующими и , равна величине F. Аналогично можно вести расчет, приняв ряд значений t 1 4.10 Уравнения теплопередачи для неустановившегося процесса теплообмена В тех случаях, когда процесс теплообмена проводится периодически, те. когда вся нагреваемая или охлаждаемая жидкость помещена водном сосуде и обменивается теплом с другой жидкостью, протекающей вдоль разделяющей их стенки, процесс теплопередачи будет неустановившимся и температуры меняются непрерывно вдоль поверхности и во времени. Средняя разность температур обеих жидкостей здесь уже не может быть вычислена обычным способом, так как конечная температура непрерывно протекающей жидкости будет изменяться в течение всего процесса теплообмена. Примером одновременного изменения температур как во времени, таки по поверхности может служить процесс теплообмена при охлаждении неподвижной (или перемешиваемой при помощи мешалок) жидкости в сосуде холодной водой, непрерывно протекающей по змеевику. Рассмотрим метод расчета теплообмена при неустановившемся состоянии процесса для случая охлаждения жидкости (предложен Г. П. Питерским. Обозначим t 1 н — начальная температура охлаждаемой жидкости t 1 к — конечная температура охлаждаемой жидкости t 2 н — начальная температура охлаждающей жидкости t 2 к — конечная температура охлаждающей жидкости t — температура охлаждаемой жидкости в любой момент t 2 с р . к — средняя конечная температура охлаждающей жидкости — количество охлаждаемой жидкости в кгс; с — теплоемкость охлаждаемой жидкости в ккал/кгс С — расход охлаждающей жидкости в кгс; с — теплоемкость охлаждающей жидкости в ккал/кгс·°С; — часовой расход охлаждающей жидкости в кгс/час ; К — коэффициент теплопередачи в ккал/м 2 ·час·°С; F — поверхность теплопередачи в ж τ — продолжительность процесса теплообмена в час. Начальные и конечные температуры обеих жидкостей являются заданными. За промежуток времени dτ на нагрев охлаждающей жидкости будет затрачено тепла — ; (Это количество тепла должно пройти через стенку и, следовательно, может быть выражено так ; (где ; (4.10.3) Для любого момента теплопередачи начальная разность температур конечная разность температур Подставив эти значения в выражение средней разности температур, получим ; (4.10.4) При этом уравнение теплопередачи принимает вид — ; (4.10.5) откуда ; (4.10.6) При заданных условиях теплообмена величина является постоянной и, следовательно. ; (Из последнего равенства ; (4.10.8) Количество тепла, отдаваемое более нагретой жидкостью за любой промежуток времени dτ, равно ; (4.10.9) Подставив найденное значение t 2 к, получим ; (4.10.10) или ; (4.10.11) Интегрируя последнее уравнение в пределах от 0 дои от t 1 н док, получим ; (4.10.12) 52 или ; (4.10.13) откуда, умножая обе части уравнения на величину ( ) и производя соответствующие преобразования, найдем ; (Следовательно, в данном случае уравнение теплопередачи имеет вид (4.10.15) где ; (4.10.16) Общий расход охлаждающей жидкости равен кгс (4.10.17) причем средняя конечная температура определяется следующим путем. Для всего процесса охлаждения соответствует уравнение теплопередачи ; (4.10.18) следовательно, ; (4.10.19) Из приведенного выше равенства следует ; (4.10.20) Подставив это значение в уравнение, получим откуда ; (4.10.21) откуда ; (4.10.22) Распространяя предыдущий вывод на теплообмен с неустановившимся состоянием процесса при периодическом нагревании, аналогичным путем найдем ; (4.10.23) где — начальная температура греющей жидкости — конечная температура греющей жидкости t — температура нагреваемой жидкости в любой момент. Примем обозначения — начальная температура нагреваемой жидкости ; — конечная температура нагреваемой жидкости Тогда средняя разность температур для всего процесса нагревания может быть определена по формуле ; (4.10.24) а средняя температура греющей жидкости ; (4.10.25) 4.11 Потери тепла в окружающую среду Во всяком тепловом процессе возникают потери тепла вследствие теплообмена между нагретыми поверхностями стенок аппаратов и окружающим воздухом. Потери тепла в окружающую среду могут быть определены суммированием результатов двух самостоятельных процессов : перехода тепла в окружающую среду путем конвекции и путем теплового излучения. Так как температура стенок в процессе потерь тепла в окружающую среду будет выше температуры воздуха, то уравнение теплоотдачи можно написать следующим образом — ккал (4.11.1) где — коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, равный сумме коэффициентов теплоотдачи конвекцией и теплоотдачи лучеиспусканием те. ккал/м 2 ·час·°С; — температура наружной стенки — температура окружающего воздуха. Числовое значение коэффициента теплоотдачи от стенки к окружающему воздуху, находящемуся в состоянии естественной конвекции, определяют по уравнениям . Для приближенных расчетов уравнения упрощают подстановкой в них средних значений физических констант для воздуха и подбором коэффициентов пропорциональности опытным путем. При температуре стенки 50—350° применима приближенная формула, предложенная В. П. Линчевским: ккал/м 2 ·час·°С; (4.11.2) Для воздуха, движущегося вдоль плоских шероховатых стенок вынужденная конвекция, можно приближенно принимать при ω ≤ 5 м/сек ккал/м 2 ·час·°С; (4.11.3) при ω > 5 м/сек 54 ккал/м 2 ·час·°С; (4.11.4) где ω — скорость движения воздуха в м/сек. Источники тепла и методы нагревания Нагревание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения многих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и других процессов. Тепловая энергия для проведения технологических процессов может быть получена различными способами и от разных источников. Прямыми источниками тепла являются 1) дымовые газы 2) электрический ток. В качестве промежуточных теплоносителей, воспринимающих тепло от указанных источников тепла и передающих его нагреваемому веществу, применяют 1) водяной парили горячую воду 2) минеральные масла 3) специальные теплоносители перегретую воду, высококипящие жидкости и их пары, расплавленные неорганические соли и их смеси, некоторые углеводороды и металлы (в жидком состоянии. Кроме того, для нагревания может быть использовано тепло отходящих газов и жидкостей, обладающих относительно высокой температурой. Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются l) температура нагрева и возможность ее регулирования 2) упругость пара и термическая устойчивость теплоносителя 3) токсичность и химическая активность теплоносителя 4) безопасность нагревания 5) стоимость и доступность теплоносителя. Применяемые теплоносители и методы обогрева имеют специфические преимущества и недостатки. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо выбирать метод нагревания, исходя из условий производственного процесса и сравнительной стоимости обогрева. Краткая характеристика различных способов нагревания приводится ниже. Нагревание насыщенным водяным паром широко применяется в химической технологии. При таком нагревании можно точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагревании, например, дымовыми газами. Паровые нагревательные устройства при использовании тепла конденсата работают при очень высоком кпд. Однако применяя в качестве теплоносителя водяной пар, трудно получить высокую температуру нагрева, так как для этого требуется резко увеличить давление пара. Так, например, для достижения температуры С потребовалось бы поднять давление пара до 180 атм максимальная температура насыщенного водяного пара равна 374° (критическая температура. Поэтому нагревание водяным паром ведут обычно до температур не более 180°. Нагревание горячей водой применяют значительно реже, чем водяным паром, хотя по своим теплотехническим свойствам вода почти не отличается от пара. Ограниченное использование воды объясняется тем, что для нагрева необходимы парили дымовые газы, причем горячая вода должка иметь более высокую начальную температуру, чем пар, так как она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре. Применяют главным образом отработанную горячую воду или паровой конденсат. Нагревание специальными теплоносителями. С развитием химической технологии увеличивается число процессов, проводимых при температурах 500—600° и более. Для получения температур выше 180° наиболее рационально использовать перегретую воду или пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют так называемые органические теплоносители — дифенил и дифениловый эфир, эвтектическую смесь дифенила и дифенилового эфира и др, а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества (жидкости или пары) отдают тепло нагреваемому материалу через стенки аппаратов. Применение специальных теплоносителей для нагревания требует устройства 56 специфических нагревательных систем некоторые из них будут описаны ниже. Нагревание электрическим током. При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева например, в электропечах для сжигания атмосферного азота температура равна 3200°. Электрические нагревательные устройства работают при более высоком кпд, чем устройства для нагрева другими теплоносителями при нагревании электрическим током используется до 95% электрической энергии, вводимой в нагревательный аппарат. Однако нагревание электрическим током мало распространено вследствие сравнительно высокой стоимости и дефицитности электроэнергии, а также сложности аппаратуры. Нагревание дымовыми газами наиболее распространено при этом можно достигнуть температуры 1000° и выше. Вместе стем обогрев дымовыми газами имеет и существенные недостатки. Коэффициент полезного действия печей обычно не превышает 30%, так как значительная часть тепла уходит в атмосферу с отходящими газами, которые имеют высокую температуру (вследствие того что поверхности теплообмена обогреваемых аппаратов обычно невелики) . При обогреве дымовыми газами нельзя быстро регулировать температуру нагрева, а коэффициенты теплоотдачи очень низки. Но так как газы имеют высокую температуру удается достичь значительных разностей температур теплоносителя и нагреваемого продукта, что отчасти компенсирует малую величину коэффициентов теплоотдачи. Вследствие высоких температур и трудности их регулирования возможны перегревы нагреваемых продуктов, пригорание их и возникновение нежелательных побочных процессов. Нагревание дымовыми газами л егколетучих и легковоспламеняющихся материалов опасно. Следует указать также на значительный объемный расход дымовых газов (из-за низкой теплоемкости) и сложность их транспортирования (из-за больших объемов и высокой температуры. Во многих процессах нагревания возникает необходимость снижать температуру газов. Для этого газы после выхода из топки смешивают с холодным воздухом, но это приводит к повышенному содержанию кислорода в газах и окислению металла аппаратуры. Усовершенствование техники нагревания дымовыми газами позволило в известной мере преодолеть недостатки этого способа нагревания. В современных нагревательных системах осуществляют рециркуляцию дымовых газов, те. разбавляют их не воздухом, а самими охлажденными дымовыми газами, уже прошедшими через теплообменный аппарат. Рециркуляцию проводят, используя вентилятор (дымосос) или эжектор. Возвращая на разбавление то или другое количество дымовых газов, можно довольно точно регулировать температуру нагрева. Кроме того, при рециркуляции через теплообменный аппарат проходит больше газов и соответственно меньше снижается их температура, что повышает равномерность нагревания. В связи с недостатками, свойственными непосредственному обогреву дымовыми газами, все шире для обогрева до температуры ≈500° применяются различные промежуточные теплоносители. Нагревание отходящими газами и жидкостями дает возможность использовать остающееся в них тепло, ибо в ряде процессов отходят газы и жидкости с высокой температурой. Использование отбросанного тепла компенсирует расходы по сооружению устройств для его использования. Нагревание водяным паром Нагревание острым паром Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание острым паром, те. паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Этот пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Простейшее приспособление для нагревания жидкости острым паром представляет собой трубу, опущенную открытым концом в резервуар с нагреваемой жидкостью. В тех случаях, когда одновременно с нагреванием жидкости необходимо и перемешивать ее, острый пар подводят через так называемые барботеры — трубы с небольшими отверстиями, укладываемые на дно резервуара в виде спиралей, колец или нескольких параллельных прямых труб. 58 Рис 6.1.1 Простейшее устройство для нагрева жидкости острым паром резервуар паровая труба запорный вентиль 4 обратный клапан продувочный вентиль В бесшумных нагревателях струя пара увлекает жидкость в боковые отверстия сопла нагревателя. Смешение пара с жидкостью происходит непосредственно в самом сопле, поэтому здесь нет шума, возникающего в обычных нагревателях барботажного типа. Рис 6.1.2 Схема устройства парового барботера 1 – резервуар барботер. На пароподводящей трубе устанавливают обратные клапаны, которые пропускают пар в аппаратно задерживают жидкость, поднимающуюся из аппарата в случае, когда давление в паропроводе ниже давления в аппарате. Для того чтобы избежать введения излишних количеств воды в нагреваемую жидкость, на паровой трубе устанавливают продувочные вентили, через которые перед нагреванием удаляют накопившийся в трубе конденсат. При нагревании острым паром в жидкость неизбежно вводится большое количество воды, получающейся при конденсации пара. Поэтому такой способ нагрева можно применять только в тех случаях, когда разбавление жидкости водой не имеет существенного значения и нагреваемая жидкость не реагирует с водой. Обычно острый пар применяют Вследствие быстрой конденсации пара на выходе из трубы в ней мог бы возникнуть почти абсолютный вакуум, если бы парне содержал некоторого количества воздуха. Так как пар содержит воздух, в трубе происходит только падение давления. Жидкость постепенно нагревается теплом, выделяющимся при конденсации пара, и достигает температуры насыщенного пара при давлении, равном давлению в аппарате. Если же аппарат работает при атмосферном давлении, то температура жидкости независимо от температуры пара не будет превышать температуры кипения. При нагревании воды острым паром до температуры кипения пар конденсируется вводе и ее вес соответственно увеличивается. Если же вода кипит, то при отсутствии тепловых потерь из нее образуется столько же пара, сколько в нее подводится, и вес воды остается неизменным. Расход острого пара определяют из уравнения теплового баланса. Обозначим G 2 — количество нагреваемой жидкости в кгс; с — ее теплоемкость в ккал/кгс·°С; t 2 н — начальная температура жидкости в С t 2 к — конечная температура жидкости в С D — расход греющего пара в кгс; нас теплосодержание греющего пара в ккал /кгс; п — потери тепла аппаратом в окружающую среду в ккал/час; τ — продолжительность нагрева в час. Тогда получим уравнение теплового баланса ; (6.1.1) откуда расход пара ; (6.1.2) Нагревание глухим паром Если свойства обогреваемого материала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание острым паром, применяют устройства для нагрева через стенки, разделяющие пари нагреваемую жидкость, те. ведут нагревание 60 глухим паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змеевики, трубчатые и спиральные теплообменники и др. Обычно поступающий в теплообменник пар отдает всю скрытую теплоту парообразования стенкам аппарата и истекает в виде конденсата. Для нагревания почти всегда используют насыщенный водяной пар с высоким коэффициентом теплоотдачи, имеющий большую скрытую теплоту конденсации. Применение перегретого пара нецелесообразно вследствие низкого коэффициента теплопередачи и небольшой величины теплоты перегрева. При конденсации пара на стенках нагревательного устройства образуется непрерывно стекающая вниз водяная пленка. Температура одной стороны пленки равна температуре пара, а другой — температуре стенки. Со стороны пара температура стенки практически приближается к температуре пара. Поэтому температуру конденсата с достаточной точностью можно принимать равной температуре пара. При таком допущении передача тепла происходит при постоянной температуре одного из теплоносителей, и для теплообмена взаимное направление движения жидкости и пара не имеет значения. Однако в теплообменный аппарат пар обычно подводят сверху, для того чтобы конденсат мог свободно стекать сверху вниз и удаляться из аппарата. Расход глухого пара определяют из уравнения теплового баланса ; (6.2.1) где п — потеря тепла в окружающую среду в ккал/час; — теплосодержание пара в ккал/кгс; — температура конденсата в С. Остальные обозначения в формуле те же, что ив формуле. |