Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу icon

Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу


Скачать 380.99 Kb.
НазваниеФедеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу
страница1/3
Дата публикации01.11.2013
Размер380.99 Kb.
ТипДокументы
  1   2   3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ


Методическое указание по курсу

«Общая химическая технология, ч.1»


для студентов 3 курса химического факультета

Башгосуниверситета


Уфа

РИО БашГУ

2007


Методическое указание печатается в соответствии с решением кафедры ВМС и ОХТ (протокол № 6 от 30.01.2007 г.)


^ Составители: д.х.н., профессор Захаров В.П.

к.х.н., доцент Базунова М.В.


Объектами исследований химической технологии являются значительное многообразие процессов, что часто затрудняет разработку их единой классификации. Наиболее распространена классификация процессов, основанная на различии в основных законах, описывающих скорость их протекания. В соответствии с этой классификацией различают:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых описывается законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов.

2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи.

3. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующие перенос одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз.

4. Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики.

5. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел.

Значительную роль в современном химическом производстве играют тепловые процессы, связанные с управлением потоков движения тепла в технологической цепочке получения синтетических продуктов.

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями (один, более нагретый - горячим, а другой, менее нагретый - холодным теплоносителем). Различают три способа распространения тепла:

1) Теплопроводность – перенос тепла вследствие теплового движения микрочастиц (молекулы, колебание атомов в решетке, диффузия электронов) непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это вид распространения тепла является основным в твердых телах (в частности, в металлической стенке теплообменных и реакционных устройств).

2) Конвекция – перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают естественную (свободную) конвекцию при движении макроскопических объемов разной температуры и, соответственно, плотности, а также вынужденную (механическое перемешивание). Конвекция является основным видом распространения тепла при движении теплового потока в газовой или жидкой фазе от объема к разделяющей поверхности (металлической стенке).

3) ^ Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучаемого тела. За счет теплового излучение происходит передача тепла от нагревательных приборов (электронагревательные плитки, колбогреи и т.д.).

Теоретические основы тепловых процессов

Основное уравнение теплопередачи

Важным законом, описывающим тепловые процессы в химической технологии является основное уравнение теплопередачи, выражающее связь между тепловым потоком Q и поверхностью теплопередачи F:

Q = КFtср (1)

где К - коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса теплоты через разделяющую поверхность; Δtср - средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор), вдоль всей поверхности теплопередачи; τ - время.

^ Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м2 стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1 градусу.

Для непрерывного процесса переноса тепла основное уравнение теплопередачи принимает следующий вид:

Q = КFtср (2)

При расчете процесса теплопередачи важным этапом является расчет теплового потока Q. Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния в процессе теплопередачи, то количество теплоты, переносимое через теплопроводящую поверхность оценивается при составлении теплового баланса:

Q=Q1=Q2=G1Cp1(t-t)=G2Cp2(t-t), (3)

где Q1 и Q2 – количество теплоты, отдаваемое (горячим теплоносителем) и принимаемое (холодным теплоносителем), соответственно; Cp1 и Cp2 - теплоемкости горячего и холодного теплоносителя (при средней температуре теплоносителя); G1, G2 - расход горячего и холодного теплоносителей; tи t– начальная и конечная температура горячего теплоносителя; tи t – начальная и конечная температура холодного теплоносителя.

В реальных условиях при оценке величины теплового потока потери теплоты в окружающую среду теплоизолированными стенками аппаратов (теплообменники, реакторы и т.д.) обычно составляет 3-5% от общего количества передаваемого тепла системы.

Основное уравнение теплопередачи используется для расчета требуемой поверхности теплообмена в теплообменной аппаратуре и коэффициента теплопередачи. Следует отметить тот факт, что значение коэффициента теплопередачи зависит от ряда факторов, в том числе от вклада в общую скорость процессов переноса теплоты скоростей отдельных видов переноса - теплопроводности, теплового излучения, конвекции.

^ Различные способы переноса тепла

Теплопроводность. Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой

разности температур в отдельных точках, определяют по закону Фурьеосновному закону теплопроводности:

, (4)

где dQ – количество тепла, передаваемое посредством теплопроводности; dF площадь поверхности теплообмена, - температурный градиент.

Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом (изменение температуры по толщине теплопроводящего материала). Вектор температурного градиента направлен в сторону повышения температуры. Перемещение тепла Q происходит по , но в противоположную сторону (ввиду того, что тепло передается от более нагретого тела) (рис. 1).

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

^ Коэффициент теплопроводности является физической характеристикой вещества, определяющей способность тела проводить теплоту. Он зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем лучше тело проводит тепло путем теплопроводности, что наглядно видно из приведенных величин для некоторых веществ (ккал/мчград): медь – 340, сталь – 22, воздух – 0,023.



Рис. 1. Направление теплового потока и вектора температурного градиента при теплопередаче.



Тепловое излучение. Длины волн теплового излучения лежат в невидимой (инфракрасной) части спектра: 0,8-40 мкм (для примера, длина световых волн составляет 0,4-0,8 мкм). Твердые тела испускают волны всех длин при любой температуре. Интенсивность теплового излучения увеличивается с ростом температуры тела. На поверхности всякого нагретого тела непрерывно протекает процесс перехода тепловой энергии в лучистую, т.е. колеблющиеся частицы тела отдают избыток своей энергии в виде электромагнитных колебаний различной частоты.

Тепловое и световое излучение имеют одинаковую природу. Поток, лучеиспускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого лучеиспускающего тела, частично поглощается (Qпогл), частично отражается (Qотр) и частично проходит сквозь тело без изменений (Qпр).

Общая энергия падающих на тело лучей:

Q=Qпогл+Qотр+Qпр или (5)

При () – абсолютно черное тело.


При () – абсолютно белое тело.

При () – абсолютно прозрачное тело.

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе не существует. Все тела немного поглощают, отражают и пропускают лучи – все они серые.

Количество энергии, излучаемое телом единицей поверхности ^ F тела, характеризует лучеиспускательную способность Е тела:

, (6)

где Qл – энергия, излучаемая телом.

Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела E0 пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности (закон Стефана-Больцмана):

, (7)

где ^ Т – абсолютная температура тела, К0 – константа лучеиспускания абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа связывает лучеиспускательную (E) и лучепоглощающую () способность серых тел:

(8)

Отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощающей способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

Конвекция. Под конвекцией понимают передачу теплоты при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты происходит как бы механически - макрообъемными частицами потока теплоносителя. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Это проявляется в образовании у поверхности стенки пограничного слоя, движущегося с низкой скорость (вплоть до покоя), в котором конвекция затухает. Поэтому под термином конвекция понимают только сам способ переноса теплоты потоками теплоносителя. Этот процесс отличается от реального, более сложного процесса переноса теплоты к стенке, в котором конвекция также принимает участие. Перенос тепла совместно конвекцией и теплообменом в этом случае называется конвективным теплообменом.

При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит в основном путем теплопроводности. При этом пограничный слой представляет собой основное сопротивление процессу. Такой вид переноса теплоты называют теплоотдачей. При ламинарном режиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения всего сечения канала слоистой струей, и конвекция сводится к одному направлению - параллельному стенке. При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном теплопроводностью.

Теплопроводность и конвекция - два совершенно различных физических процесса. ^ Теплопроводность - явление молекулярное, конвекция - явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Перенос тепла конвекцией осуществляется значительно быстрее, чем теплопроводностью, поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективного переноса теплоты.

Наличие гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности стенки приводит к возникновению в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 2), т.е. образованию теплового пограничного слоя толщиной δт, значение, которой обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя δг. Высокие скорости движения теплоносителя, интенсивное перемешивание (турбулентный режим движения теплоносителя) вызывают снижение толщины пограничных слоев (как гидродинамического, так и теплового), увеличивая эффективность теплоотдачи.

Обычно расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона или уравнения теплоотдачи:

dQ = (tж-tст)dFd (9)

При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи F уравнение (9) принимает вид:

Q = (tж-tст)F (10)

Здесь tст и tж – температура теплопроводящей стенки и жидкости; - коэффициент теплоотдачи.




Рис. 2. Гидродинамический и тепловой граничные слои в турбулентном потоке.



Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.

В отличие от коэффициента теплопередачи ^ К коэффициент теплоотдачи α характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. На коэффициент теплоотдачи влияют следующие определяющие факторы:

1. ^ Характер движения теплоносителя и его скорость. При турбулентном режиме с увеличением скорости теплоносителя толщина пограничного слоя уменьшается и α увеличивается.

2. ^ Физические свойства теплоносителя (вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и т.д.). Коэффициент теплоотдачи увеличивается с уменьшением вязкости и увеличением , , Ср. Поскольку физические свойства жидкостей и газов изменяются с температурой, следовательно, значение α зависит и от температуры.

3. ^ Размеры и форма поверхности теплообмена, ее обработка (гладкая, шероховатая и т. д.).

Теплоотдача

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменной аппаратуры важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя и равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются пограничные слои толщиной δг, (гидродинамический) и δт, (тепловой) (рис. 3, а). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (lг) и тепловой (lт) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев (рис. 3,б). Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей lт.

Рис. 3. Формирование полей скоростей w, температур t (а) и изменение коэффициента теплоотдачи (б) на начальном участке труб при ламинарном движении теплоносителя.




Теплоотдача при естественной конвекции. Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрообъемы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также перемещаются вверх. Таким образом, возникают конвекционные токи теплоносителя. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя. Очевидно, что при естественной конвекции скорость движения теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов.

Теплопередача

В основе приближенных расчетов процессов теплообмена лежит уравнение переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку при условии постоянных и изменяющихся вдоль поверхности теплообмена температур теплоносителей.

Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей. Рассмотрим перенос теплоты при установившемся процессе через многослойную плоскую стенку (рис. 5). Передача тепла в этом случае состоит из трех стадий: теплоотдача в объеме одного теплоносителя от ядра потока к стенке, перенос тепла через многослойную стенку (например, металлическая стенка реактора и накипь на ней) путем теплопроводности, теплоотдача в объеме другого теплоносителя от стенки в ядро потока. Полагаем, что t1 > t2 (t1 и t2 – температуры горячего и холодного теплоносителя, соответственно), = const.


Рис. 5. Схема к выводу уравнения теплопередачи через плоскую стенку при постоянных температурах теплоносителей


  1   2   3



Похожие:

Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №5 от 12. 2006 г.)
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный педагогический университет»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Федеральное агенство по образованию РФ государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования башкирский государственный университет тепловые процессы методическое указание по курсу iconФедеральное агенство связи государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Тема: «Кассы аэрофлота»
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы