Основы теплопереноса

Теплоперенос, иначе — перенос теплоты от тела к телу, от объекта к объекту, от точки к точке занимает особое место среди явлений и процессов переноса.

Во-первых, он широко распространен в химической технологии (в тепловых процессах, во многих процессах разделения, в собственно химических процессах), так что устанавливаемые в этой и следующих главах понятия и закономерности, а также полученные в них соотношения будут прямо использованы при изучении ряда последующих глав (выпаривание, дистилляция и ректификация, сушка и др.) и учебных дисциплин (АСУ ТП, спецтехнологии и т.д.). Этими понятиями, закономерностями, соотношениями очень часто пользуются исследователи, проектировщики, производственники.

Во-вторых, несмотря на множество еще не разрешенных проблем, описание явлений и процессов теплопереноса зача­стую проще, нежели массопереноса (во многих проявлениях проще и переноса импульса) в силу линейности значительного числа задач — из-за существенного постоянства входящих в них теплофизических величин. Поэтому подходы здесь нагляднее, легче усваиваются, а сами задачи чаще удается довести до аналитических решений.

И в-третьих, подходы и решения задач теплопереноса нередко служат основой и отправной точкой при анализе более сложных задач — переноса вещества и других субстанций.

Основные цели теплопереноса обусловлены характером техно­логического процесса. Наиболее часто они связаны со следую­щими моментами:

— подвод теплоты к системе, рабочему телу (целевому про­дукту, теплоносителю, хладоагенту) для повышения (или от­вод — для понижения) температуры либо изменения агрегатного состояния (плавления — затвердевания, кипения — конденса­ции и т.п.); здесь цель — сам теплоперенос;

Сущность самого технологического процесса, заключающегося в подводе (отводе) теплоты, иногда — в изменении агрегатного состояния; здесь без теплопереноса процесс просто невозможен;

Выделение (поглощение) теплоты в ходе химических превращений (экзо- и эндотермические реакции), так что необходимо обеспечивать отвод и подвод теплоты реакции либо учитывать влияние накопления теплоты на изменение температуры и ход этой реакции.

Часто в осуществлении химико-технологического процесса реализуются все или несколько из этих целей.

Нередко теплопереносу сопутствует перенос вещества (из одной системы в другую, из одной фазы в другую); как правило, теплоперенос связан с переносом количества движения (импульса) — эту связь учитывают при описании процессов теплопереноса.

В наиболее распространенных случаях (далее будут рассматриваться и другие ситуации) поток теплоты передается от теп­лоносителя с высокой температурой Т к теплоносителю с низ­кой — t через теплопередающую стенку. Принципиальная схема такого теплопереноса для фрагмента теплообменного аппарата представлена на рис.

Общая схема теплопереноса:

1 — теплопередаюшая стенка (поверхность), 2 — по­граничные пленки, 3 — области движения теплоносителей вдоль поверхности;

Теплота (ее поток изображен левой вертикальной стрелкой) вводится в исследуемый фрагмент теплообменника с потоком горячего теплоносителя под действием постороннего побудителя (например, насоса). Далее поток теплоты через пограничную пленку, примыкающую к поверхности со стороны горячего теплоносителя, передается к границе поверхности, проходит через поверхность (стенку), затем через пограничную пленку со стороны холодного теплоносителя (эти потоки теплоты изображены горизонтальными стрелками). Наконец, теплота выводится из исследуемого фрагмента с холодным теплоносителем (правая вертикальная стрелка).

Происходящие в ходе переноса теплоты процессы — в целом или на отдельных стадиях — именуются по-разному. В целях большей четкости разграничения понятий в учебнике принята следующая терминология (она выдержана и для процессов массопереноса).

Теплопереносом (иначе — тепловым процессом) именуется любое явление (процесс), связанное с переносом теплоты на любой стадии или в целом.

Элементом (видом, способом) процесса теплопереноса называется стадия (акт), относящаяся к какой-либо одной составляющей теплопереноса: через пограничную пленку — теплоотдача; в твердой стенке или другой среде возможен кондуктивный перенос; теплоперенос излучением (на схеме не показан); потоковый теплоперенос с движущимся теплоносителем.

Под теплопередачей будем понимать перенос теплоты через теплопередающую поверхность (нормально к ней); для схемы на рис. 6.1 это три стадии: перенос теплоты через пограничные пленки и через стенку.

Под теплообменом будем понимать теплоперенос в целом, включающий отвод (подвод) теплоты с горячим и холодным теплоносителями; для схемы на рис. теплообмен включает пять стадий: три стадии теплопередачи и две — переноса теплоты с потоками теплоносителей.

Рассматриваются явления и процессы переноса теплоты, относящиеся к отдельным стадиям.