Теплопередача в химической аппаратуре
Химические процессы в большинстве случаев протекают в заданном направлении только при определенной температуре, которая обеспечивается путем подвода или отвода тепловой энергии.
Теплообмен - это процесс переноса энергии в форме теплоты между телами с различной температурой.
Теплообмен имеет исключительно важное значение для проведения процессов выпаривания, перегонки, сушки и др.
Процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла называются тепловыми процессами. Это нагревание, охлаждение, конденсация, испарение.
В тепловом процессе участвуют не менее двух сред с различной температурой. При этом тепло передается самопроизвольно от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.
Различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность - это процесс переноса теплоты путем беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. В газах и капельных жидкостях - это движение молекул. В твердых телах - колебание атомов или диффузия свободных электронов. Распределение тепла теплопроводностью происходит при неравенстве температур внутри тела (среды).
|
|
Конвекция - перенос теплоты вследствие движения макроскопических объемов. Происходит только в газах и жидкостях. Различают естественную (возникающую вследствие разности плотностей в различных точках объема) и вынужденную конвекцию - при принудительном перемешивании.
Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн.
Перечисленные выше элементарные виды теплообмена в реальных условиях встречаются в различных комбинациях
Теплопередача. Теплоотдача
Теплота от одной среды к другой может передаваться при непосредственном контакте или через стенку.
Если теплота переходит от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющуюстенку, то процесс называется теплопередачей.
Если теплота переносится от стенки к среде (или наоборот), то процесс называется теплоотдачей.
В химической технологии теплообменные процессы осуществляются в аппаратуре, которая называется теплообменной аппаратурой.
Жидкости или газы, участвующие в теплообмене, называются рабочими средами.
Основной характеристикой теплообменного аппарата является поверхность теплообмена.
Основное уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса
Связь между количеством теплоты передаваемым в аппарате и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим соотношением, которое называется о сновным уравнением теплопередачи:
|
|
(1)
- количество переданного тепла, Дж;
- локальный коэффициент теплопередачи между средами, ;
- разность температур между средами,0С;
- элемент поверхности теплообмена, м2 ;
- время теплообмена, с
- коэффициент теплопередачи средний для всей поверхности, .
Физический смысл коэффициента теплопередачи:
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты в Дж переходит в 1с от более нагретого тела к менее нагретому через поверхность теплообмена в 1м2 при средней разности температур равной 1 град. Коэффициент теплопередачи определяет интенсивность теплообмена. Из основного уравнения теплопередачи (1) можно определить поверхность теплопередачи . . (2)
определяется из уравнения теплового баланса:
(3)
- потоки тепла, которые поступают в аппарат с исходными продуктами;
- теплота реакций (теплота химических превращений; испарение жидкостей; выделение паров или газов из твердых поглотителей; теплота плавления и растворения). Для определения этих теплот используют справочные данные.
- потоки тепла, которые выходят из аппарата с конечными продуктами;
- потери тепла в окружающую среду (» 3¸5%).