В зависимости от закономерностей , характеризующих протекание, процессы химической технологии делят на пять основных групп.
1. Механические процессы , скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов.
2. Гидромеханические процессы , скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п.
3. Тепловые процессы , скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.
4. Массообменные (диффузионные) процессы , интенсивностькоторых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.
5. Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.
В соответствии с перечисленным делением процессов химические аппараты классифицируют следующим образом:
– измельчающие и классифицирующие машины;
– гидромеханические, тепловые, массообменныеаппараты;
– оборудование для осуществления химических превращений – реакторы.
По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.
В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис.1.1). В непрерывном процессе (рис.1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах).
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими, состоящими ввозможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т.п.
При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.
В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного ) смешения , аппараты идеального (полного ) вытеснения и аппараты промежуточного типа .
Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия различной конструкции. На рис.1.3,а представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителй меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар).
В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.3,б).
В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3,в).
Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:
1 –сырье; 2 –готовый продукт;3 –пар;4 –конденсат;5 –охлаждающая вода
Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса:
1– теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой; 3 – теплообменник-холодильник; I –сырье; II –готовый продукт;III –пар;IV –конденсат;
V –охлаждающая вода
Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б –полного смешения; в – промежуточного типа
Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность 
между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.
Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная –в аппаратах полного смешения.
Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительноувеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций.
Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4).
При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.
Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании
Лекция 1.
Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков.
В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:
1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей
2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. К тепловым процессам могут быть отнесены и процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Однако вследствие многих специфических особенностей эти процессы выделены ниже в отдельную группу холодильных процессов.
Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамнческнх условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.
3. Массообмснные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция, сушка, мембранные процессы. Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическиими условиями в фазах и на границе их раздела и часто - с сопутствующими массообмену процессами теплообмена.
4. Химические (реакционные) процессы протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов (особенно промышленных) зависит также от гидродинамических условий. Общие закономерности протекании химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальной литературе".
5. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов, К механическим процессам относится измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ.
Особую группу механических процессов составляют процессы переработки химических продуктов в изделия прессование, литье, экструзия и др. Эти процессы и машины для их проведения специфичны для производств синтетических материалов и рассматриваются в специальных курсах.
По способу организации основные процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные .
Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.
Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.
Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно.
Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: I) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку из нее продукции; 2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; 3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов; 4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы (на ремонты и пр.); 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов; возможность использования (рекуперации) отходящего тепла.
Благодаря указанным достоинствам непрерывных процессов при их проведении увеличивается производительность аппаратуры, уменьшается потребность в обслуживающем персонале, улучшаются условия труда и повышается качество продукции. По этим причинам в химических производствах осуществляют преимущественно непрерывные процессы.
Периодические процессы сохраняют свое значение в производствах небольшого масштаба (в том числе в опытных), где их применение позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших капитальных затратах.
Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные, или переходные).
В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в неустановившихся переменны, т. е. являются функциями не только положения каждой точки в пространстве, но и времени.
Непрерывные процессы отличаются от периодических по распределению времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действующем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, в то время как в непрерывно действующем аппарате времена пребывания их могут значительно различаться. По распределению времен пребывания и связанных с ним изменений во времени других факторов, влияющих на процесс (температур, концентраций н др.), различают две теоретических (предельных) модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения .
В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню. Время пребывания всех частиц в аппарате идеального вытеснения одинаково.
В аппаратах идеального смешении поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках объема мгновенно выравниваются значения параметров, характеризующих процесс. Время пребывания частиц в аппарате идеального смешения неодинаково.
Реальные непрерывно действующие аппараты представляют собой аппараты промежуточного типа. В них время пребывания частиц распределяется несколько более равномерно, чем в аппаратах идеального смешения, но никогда не выравнивается, как в аппаратах идеального вытеснения.
Химико тех процессы в зависимости от кинетических закономерностей характеризующих их протекание, делятся на пять групп:
1. Механические
2. Гидромеханические
3. Тепловые процессы
4. Массообменные процессы
5. Химические процессы
По организации производства делятся на периодические и непрерывные.
Для периодичного процессов характерно единство места всех стадий протекания процесса, в них операция загрузки сырья, проведения процесса и выгрузки сырья осуществляется в одном аппарате.
Для непрерывных процессов характерно единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. все стадии протекают одновременно, но в разных аппаратах.
Характеристикой периодичности процесса служит степень непрерывности Хn =тао\дельта тао.
тао - Продолжительность процесса, то есть время необходимое для завершения всех стадий процесса, начиная от загрузки сырья до выгрузки готовой продукции.
Дельта тао - период процесса, время протекающее от начала загрузки сырья, до загрузки следующей партии сырья.
Механические процессы:
1. Измельчение твердых материалов
2. Смешивание
3. Транспортировка сыпучих материалов
Гидромеханические процессы эти процессы используются в химической технологии, протекают в дисперсных системах, состоящих из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По агрегатному состоянию дисперсной среды дел на газовой(туманы, пыль) и жидкой(эмульсия, пена) фазой.
Тепловые процессы химическое производство требует больших затрат тепловой энергии, для подвода и отвода тепла используются тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и выпаривание.
Массообменные процессы - это процессы характеризующие переносы вещества между фазами, движущей силой является разность концентрации вещества между фазами. Относятся процессы:
1. Адсорбция – это процесс поглощения газов или паров твердым поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.
2. Абсорбция – процесс поглощения газов или паров жидкими поглотителями
3. Десорбция – обратный процесс от абсорбции
4. Ректификация – процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их компоненты.
5. Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой фазой.
6. Сушка – процесс удаления летучего компонента из твердых материалов, путем его испарения и отвода образующегося пара.
Химические процессы – процессы представляющие собой одну или н6есколько хим реакций, сопровождающ явл тепло и массо обмена.
Химические реакции:
По фазовому состоянию: гомо и гетере генные
По механизму взаимодействия реагентов: гомолитические и гетеролитические
По тепловому эффекту: экзотермические и эндотермические
По температуре: низко температурные, высоко температурные
По виду реакции: сложные и простые
По использованию катализатора: каталитические и некаталитические
Роль тепловых процессов в химической технологии. Особенности тепловых процессов
Промышленные способы подвода и отвода тепла . Виды теплоносителей и области их применения. Нагревание водяным паром. Особенности использования насыщенного пара в качестве греющего агента, основные достоинства и область применения. Тепловые балансы при нагревании «острым» и «глухим» паром. Нагревание горячими жидкостями, достоинства и недостатки. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Охлаждающие агенты.
Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция, сравнительные характеристики. Змеевиковые теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Теплообменники с плоской поверхностью: конструкции, достоинства и недостатки. Смесительные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Регенеративные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки.
Расчет поверхностных теплообменников. Выбор теплообменных аппаратов. Проектный расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.
Выпаривание . Назначение процесса. Классификация выпарных процессов и аппаратов. Однократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Многократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Выпаривание с тепловым насосом.
Выпарные аппараты. Классификация выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: конструкции, достоинства и недостатки. Пленочные выпарные аппараты: конструкции, достоинства и недостатки.
Выбор выпарных аппаратов. Расчет непрерывно действующей выпарной установки. Пути повышения экономичности выпарных установок. Назначение конденсатора, барометрической трубы, вакуум-насоса, конденсатоотводчика.
Материал, изученный в предыдущем семестре
(повторение)
Общие сведения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, температурный градиент. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс.
Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической, однослойной и многослойной стенок.
Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.
Конвективный перенос тепла. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи. Тепловое подобие: критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния (конденсация пара, кипение жидкостей).
Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Термические сопротивления. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей.
Объем модуля и виды учебных занятий
Перечень необходимых средств для выполнения
Программы модуля
Лабораторные установки
«Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе»
«Испытание двухкорпусной выпарной установки»
3.4.2 Учебники
3.4.3 ЭВМ с соответствующим программным обеспечением (электронная экспертно-обучающая система см. Приложение Е)
План-график изучения модуля «Тепловые процессы»
План-график модуля составлен, исходя из того, что студент еженедельно 4…5 часов самостоятельно выполняет задания, и представлен в таблице 1.1.
Планы практических занятий
Основные правила проведения занятий изложены в Приложении А.
Занятие №1
Тема : Теоретические основы теплопередачи.
Цель занятия : Изучить основные закономерности процесса теплопередачи.
План проведения занятия:
– методы составления тепловых балансов
а) при изменении агрегатного состояния теплоносителя;
б) без изменения агрегатного состояния теплоносителя;
– движущая сила теплопереноса: расчет, влияние различных факторов;
– скорость теплопереноса: лимитирующие стадия и факторы, влияющие на нее;
– способы интенсификации процессов теплопереноса.
2. Решение задач: 4-40, 42, 45 .
Таблица 1.1 – План-график изучения модуля
| № недели | № лекции | Тема лекции | Практические занятия (п. 1.6) | Лабораторные работы | Самостоятельная работа студента | Форма контроля |
| Тепловые процессы и аппараты: классификация, область применения, значение в ХТ. Нагревающие агенты и способы нагрева. | Занятие №1: «Теоретические основы теплопередачи» | 1. Подготовка к занятиям. 2. Повторение раздела «Основы теплопередачи» | Проверка конспектов, зарисовок схем аппаратов, устный опрос на практических занятиях, проведение и защита лабораторных работ, выполнение и защита ИРЗ, занятия с электронной экспертно-обучающей системой, модульный экзамен | |||
| Теплообменные аппараты: классификация, достоинства и недостатки. Выбор и расчет теплообменников. | Занятие №2: «Конструкция, выбор и расчет теплообменников | 1. Изучение работы теплообменника типа «труба в трубе» | 1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка схем аппаратов, | |||
| Выпаривание: общие положения, значение в ХТ. Классификация выпарных аппаратов. Расчет однокорпусных выпарных аппаратов. | Занятие №3: «ОВУ: принцип расчета» | 1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка | ||||
| Многокорпусные выпарные установки: принцип действия, схемы. Особенности расчета. Выпарные установки с тепловым насосом. | Занятие №4: «МВУ: принцип расчета» | 2. Изучение работы двухкорпусной выпарной установки | 1. Подготовка к занятиям. 2. Выполнение ИРЗ | |||
| 5 Консультации | ||||||
| 5 Модульный экзамен |
Подготовка к занятию:
1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 293-299, стр. 318-332.
2. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).
3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №1 (см. Приложение Б).
Основные термины и понятия:
капельная конденсация пара;
конвекция;
коэффициент теплопередачи;
коэффициент теплоотдачи;
коэффициент теплопроводности;
критерии теплового подобия;
лимитирующая стадия;
основное уравнение теплопередачи;
пленочная конденсация пара;
пленочное кипение;
пузырьковое кипение;
скорость тепловых процессов;
средняя разность температур;
теплообмен;
теплоотдача;
теплопередача;
теплопроводность;
термическое сопротивление системы;
удельная теплота фазовых превращений;
удельная теплоемкость.
Занятие №2
Тема : Конструкции, выбор и расчет теплообменников.
Цель занятия: Получить навыки выбора и расчета теплообменной аппаратуры.
План проведения занятия:
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
– технические теплоносители и области их применения;
– классификация теплообменников и их выбор;
– расчет теплообменников; интенсификация работы теплообменников.
2. Решение задач: 4- 38, 44, 52 .
Подготовка к занятию:
1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 333-355.
2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций теплообменников: рисунки №№ 13.1, 13.4, 13.6, 13.7, 13.8, 13.10, 13.13, 13.14, 13.15, 13.17, 13.18, 13.19.
4. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №2 (см. Приложение Б).
Основные термины и понятия:
водоотводчик;
водяной пар;
«глухой» пар;
критический коэффициент теплоотдачи;
критический температурный напор;
оптимизирующие факторы;
оптимизация;
«острый» пар;
поверхностные теплообменники;
пролетный водяной пар;
промежуточный теплоноситель;
проектный расчет теплообменников;
проверочный расчет теплообменников;
регенеративные теплообменники;
смесительные теплообменники;
температура точки росы.
Занятие №3
Тема: Однокорпусные выпарные установки (ОВУ).
Цель занятия: Изучить конструкции выпарных аппаратов. Получить практические навыки расчета однокорпусных выпарных установок.
План проведения занятия:
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
– сущность процесса выпаривания, области применения. С какой целью в выпарных аппаратах создают условия для циркуляции выпариваемого раствора?
– классификация выпарных аппаратов, области применения выпарных аппаратов различных конструкций;
– негативные процессы, сопровождающие выпаривание;
– факторы, которые следует учитывать при выборе выпарного аппарата;
– расчет однокорпусных выпарных аппаратов.
2. Решение задач: 5-3, 15, 18, 21, 25 .
Подготовка к занятию:
1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 359-365.
2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.1, 14.7, 14.8, 14.9, 14.10, 14.11.
3. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).
4. . Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №3 (см. Приложение Б).
Основные термины и понятия:
вторичный пар;
выпаривание;
гидравлическая депрессия;
гидростатическая депрессия;
греющий пар;
ионный обмен;
концентрация вещества;
многокорпусная выпарная установка;
однокорпусная выпарная установка;
полезная разность температур;
полная депрессия;
самоиспарение;
температурная депрессия;
экстра-пар;
Занятие №4
Тема: Многокорпусные выпарные установки (МВУ).
Цель занятия: Изучить факторы, определяющие выбор схемы выпарной установки. Получить практические навыки расчета МВУ.
План проведения занятия:
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
– сущность, области эффективного применения, различные способы повышения экономичности работы выпарных установок:
Выпарные установки с тепловым насосом;
Использование компенсирующего теплового насоса;
Отбор экстра-пара.
– факторы, определяющие выбор схемы МВУ;
– последовательность расчета МВУ.
2. Решение задач: 5-29, 30, 33, 34* .
Подготовка к занятию:
1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебниках , стр. 365-374.
2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.2, 14.6.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №4 (см. Приложение Б).
Планы лабораторных занятий
План лабораторных занятий, правила и требования к студентам при подготовке к ним, выполнении и защите лабораторных работ изложены в Приложении А данного учебного пособия, а также в учебнике .
Особая значимость лабораторных занятий при изучении модуля определяется тем, что экспериментальная часть является логическим завершением всех работ по модулю и позволяет не только подтвердить экспериментально ранее изученные базовые зависимости процессов, но и получить практические навыки работы с тепловым оборудованием.
Хорошо успевающим студентам преподаватель может предложить проведение индивидуальной научно-исследовательской работы по теме, являющейся составной частью научной проблематики кафедры, и, в случае ее успешного завершения, студенту засчитывается максимальное количество баллов по экспериментальной части модуля.
3.8 Индивидуальное расчетное задание (ИРЗ)
Целью выполнения ИРЗ является получение практических навыков анализа и расчета основных параметров и количественных характеристик тепловых процессов и аппаратов, работы с учебной и справочной литературой, оформления текстовых документов.
Последовательность работы над выполнением ИРЗ:
● этап 1 : рассмотрение физической сущности и назначения процесса, анализ задания и всех имеющихся данных для его выполнения, отсев избыточных и определение недостающих характеристик;
● этап 2 : выбор соответствующей схемы процесса и конструкции аппарата, что предполагает не только знание факторов, влияющих на технико-экономические показатели процесса, и характера этого влияния, но и умение находить оптимальное решение;
● этап 3 : расчет заданных параметров процесса и аппарата. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета (расчетной модели). При этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению ее с заданными условиями;
● этап 4 : анализ полученных результатов, определение возможных путей интенсификации и совершенствования процесса и его аппаратурного оформления;
● этап 5 : оформление пояснительной записки.
Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Текстовые материалы оформляются, как правило, рукописным способом, причем можно использовать обе стороны листа. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением сокращений, установленных стандартом.
Все расчетные формулы в пояснительной записке приводятся сначала в общем виде, нумеруются, дается объяснение обозначений и размерностей всех входящих в формулу величин. Затем в формулу подставляют численные значения величин и записывают результат расчета.
Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи) именуются рисунками, которые так же, как уравнения и таблицы нумеруются.
Подписи под рисунками и названиями таблиц должны быть краткими.
В списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте или по алфавиту (по фамилии первого автора работы).
Варианты ИРЗ указаны в Приложении В.
3.9 Самостоятельная работа студентов
Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.
Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других факторов.
Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.
Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.
Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она по своей сути должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.
Самостоятельная работа в модульно-рейтинговой технологии обучения включена во все виды учебной работы и реализуется в виде совокупности приемов и средств, среди которых на первое место выдвигается самостоятельное изучение теоретического материала учебной программы модуля с последующим выполнением индивидуального задания.
В качестве основного методического материала при изучении модуля «Тепловые процессы» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела.
Для контроля и самоконтроля эффективности самостоятельной работы студентов используется тестовая система с применением ПЭВМ и единых баз учебных знаний.
Модульный экзамен
По завершении изучения модуля «Тепловые процессы» студент сдает промежуточный (модульный) экзамен (ПЭ). Полученные им баллы за все предыдущие и последующие промежуточные экзамены суммируются и составляют его рейтинг по курсу ПАХТ. При получении достаточной суммы баллов за все промежуточные экзамены их результаты могут записываться ему как итоговый экзамен.
Модульный экзамен проводится в письменной форме. Содержание экзаменационных заданий включает пять вопросов, соответствующих структуре модуля.
Необходимыми условиями допуска к сдаче промежуточных экзаменов являются:
– выполнение студентом планов практических и лабораторных занятий;
– успешная защита индивидуального расчетного задания;
– положительный результат (более 6 баллов) степени усвоения программного материала модуля с использованием электронного экспертно-обучающего комплекса.
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
Тесты к занятию №1
1. Какое из перечисленных ниже тел при прочих равных условиях быстрее нагреется, если его теплопроводность l, плотность r и удельная теплоемкость с ?
а) асбест: l = 0,151 Вт/м К; r = 600 кг/м 3 ; с = 0,84 кДж/кг К;
б) дерево: l = 0,150 Вт/м; r = 600 кг/м 3 ; с = 2,72 кДж/кг К;
в) торфоплита: l = 0,064Вт/м К; r = 220 кг/м 3 ; с=0,75 кДж/кг К.
2. Какое количество тепла (Дж) необходимо для нагревания 5 л воды от 20 до 100 0 С, если средняя теплоемкость воды составляет 4,2 кДж/кг·К; плотность r = 980 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении r = 2258,4 кДж/кг; коэффициент теплопроводности воды l = 0,65 Вт/м 2 ×К?
а) 5 × 80 × 4,2 × 10 3 = 1,68 × 10 6 ;
б) 5 × 80 × 4,2 × 980 × 10 -3 × 10 3 = 1,65 × 10 6 ;
в) 5 × 10 -3 × 980 × 2258,4 × 10 3 = 11,07 × 10 6 ;
г) 5 × 980 × 4,2 × 80 ×10 3 = 1,65 × 10 9 ;
д) 5 × 980 × 0,05 = 3,185.
3. Какое количество тепла (Дж) необходимо для испарения 5 л воды при атмосферном давлении, если удельная теплоемкость воды при температуре кипения с = 4,23 кДж/кг×К; плотность r = 958 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования r = 2258,4 кДж/кг?
а) 5 × 4,23 × 958 × 10 -3 = 20,26;
б) 5 × 2258,4 = 11,29 × 10 3 ;
в) 5 × 958 × 2258,4 × = 10,82 × 10 6 ;
г) 5 × 958 × 2258,4 × 10 3 = 10,82 × 10 9 .
4. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?
а) Nu = f (Fo,Рr,Re);
б) Nu = f (Рr,Re);
в) Nu = f (Рr,Gr);
г) Nu = f (Ре,Gr).
5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации на ней пара?
а) не влияет;
б) с увеличением длины трубы α п увеличивается;
в) с увеличением длины α п уменьшается.
6. Как влияет число горизонтальных труб (n) в пучке на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации пара?
а) не влияет;
б) с увеличением n увеличивается α п;
в) с увеличением n уменьшается α п.
7. С увеличением шероховатости стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…
а) не изменяется;
б) увеличивается;
в) уменьшается.
8. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей в трубах будет больше в зонах …
а) «гладкого» течения;
б) «шероховатого» течения.
9. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей при прочих равных условиях больше в…
а) прямых трубах;
б) змеевиках.
10. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?
а) не влияет;
б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;
в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.
11. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…
а) не зависит от их взаимного расположения;
б) больше при «коридорном» расположении;
в) больше при «шахматном» расположении.
12. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…
а) всегда;
13. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…
а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;
б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;
в) термического сопротивления наибольшее;
г) термического сопротивления наименьшее;
д) коэффициента теплопроводности наименьшее.
14. С какой стороны стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целесообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?
а) со стороны воздуха;
б) со стороны воды;
в) с обеих сторон.
15. С увеличением скорости движения теплоносителя вероятнее всего…
а) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника увеличиваются;
б) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника уменьшаются;
в) «К» - увеличиваются, а «Э» - уменьшаются;
г) «К» - уменьшаются, а «Э» - увеличиваются.
16. Температура поверхности стенки t ст1 , которая покрывается загрязнениями, при стационарном непрерывном процессе теплопередачи…
| а) не изменяется; б) возрастает; в) уменьшается. | t ст1 t ст2 Q загрязнения |
17. Повышение скорости движения теплоносителя не приводит к существенной интенсификации процесса, если…
а) этот теплоноситель – газ;
б) этот теплоноситель – жидкость;
в) термическое сопротивление стенки вследствие ее загрязнения очень велико.
18. При выборе метода интенсификации теплообмена критерием его оптимальности в большинстве случаев является…
а) его доступность;
б) влияние на коэффициент теплопередачи;
в) влияние на массу аппарата;
г) экономическая эффективность.
Тесты к занятию №2
1. При конденсации пара в процессе теплообмена движущая сила…
а) увеличивается при противотоке;
б) уменьшается при противотоке;
в) не зависит от взаимного направления теплоносителей.
2. Расход теплоносителей зависит от взаимного направления их движения…
а) всегда;
б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;
в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.
3. Противоточное движение теплоносителей позволяет увеличить конечную температуру “холодного” теплоносителя. Это приводит…
а) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и уменьшению движущей силы процесса Dt ср;
б) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср;
в) к увеличению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср.
4. Выбор теплоносителя, прежде всего, определяется…
а) доступностью, дешевизной;
б) величиной температуры нагревания;
в) конструкцией аппарата.
5. Теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплопередачи. Поэтому он должен обладать…
а) низкими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;
б) низкими значениями плотности и теплоемкости, высокой вязкостью;
в) высокими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;
г) высокими значениями плотности и теплоемкости, низкой вязкостью.
6. Недостатком насыщенного водяного пара как теплоносителя является…
а) низкий коэффициент теплоотдачи;
б) зависимость давления пара от температуры;
в) равномерность обогрева;
г) невозможность передачи пара на большие расстояния.
7. Присутствие неконденсирующихся газов (N 2 , O 2 , CO 2 и т.д.) в паровом пространстве аппарата …
а) приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;
б) приводит к снижению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;
в) не влияет на величину коэффициента теплоотдачи.
8. Основным преимуществом высокотемпературных органических теплоносителей является…
а) доступность, дешевизна;
б) равномерность нагревания;
в) возможность получения высоких рабочих температур;
г) высокий коэффициент теплоотдачи.
9. Какое движение теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике наиболее эффективно:
а) горячий теплоноситель – снизу, холодный – сверху (противоток);
б) горячий теплоноситель – сверху, холодный – сверху (прямоток);
в) горячий теплоноситель – сверху, холодный – снизу (противоток)?
10. В каких случаях применяют многоходовые кожухотрубчатые теплообменники?
а) при небольшой скорости движения теплоносителя;
б) при большом расходе теплоносителя;
в) для увеличения производительности;
г) для снижения стоимости установки?
11. В многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила …
а) увеличивается;
б) уменьшается.
12. Кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции применяют…
а) при большой разности температур труб и кожуха;
б) при использовании высоких давлений;
в) для повышения эффективности теплообмена;
г) для снижения капитальных затрат.
13. Для увеличения коэффициента теплоотдачи в змеевиковых теплообменниках повышают скорость движения жидкости. Этого достигают…
а) увеличением количества витков змеевика;
б) уменьшением диаметра змеевика;
в) установкой внутри змеевика стакана.
14. Оросительные теплообменники в основном применяют для…
а) нагревания жидкостей и газов;
б) охлаждения жидкостей и газов.
15. Какие теплообменники целесообразно применить в случае, если коэффициенты теплоотдачи резко отличаются по величине по обе стороны поверхности теплопередачи?
а) кожухотрубчатые;
б) змеевиковые;
в) смесительные;
г) оребренные.
16. Пластинчатые и спиральные теплообменники нельзя применять, если…
а) требуется создать высокое давление;
б) необходима высокая скорость теплоносителей;
в) один из теплоносителей имеет слишком низкую температуру.
17. В смесительных теплообменниках используется…
а) «острый» пар;
б) «глухой» пар;
в) горячая вода.
18. Какой параметр не задается при проектном расчете теплообменника?
а) расход одного из теплоносителей;
б) начальная и конечная температуры одного теплоносителя;
в) начальная температура второго теплоносителя;
г) поверхность теплообмена.
19. Целью проверочного расчета теплообменника является определение …
а) поверхности теплообмена;
б) количества передаваемой теплоты;
в) режима работы теплообменника;
г) конечных температур теплоносителей.
20. При решении задач выбора оптимального теплообменника критерием оптимальности чаще всего является…
а) экономическая эффективность аппарата;
б) масса аппарата;
в) расход теплоносителей.
21. В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель, выделяющий загрязнения, целесообразно направить…
а) в трубное пространство;
б) в межтрубное пространство.
Тесты к занятию №3
1. Какое условие необходимо для процесса выпаривания?
а) разность температур;
б) перемещение тепла;
в) температура выше 0 о С.
2. Тепло, необходимое для выпаривания чаще всего подводится …
а) топочными газами;
б) насыщенным водяным паром;
в) кипящей жидкостью;
г) любым из перечисленных способов.
3. Пар, образующийся при выпаривании растворов, называют..
а) греющим;
б) насыщенным;
в) перегретым;
г) вторичным.
4. Наименее экономичным способом является выпаривание …
а) под избыточным давлением;
б) под вакуумом;
в) под атмосферным давлением.
5. Выпаривание под избыточным давлением чаще всего применяют для удаления растворителя из …
а) термически стойких растворов;
б) термически нестойких растворов;
в) любых растворов.
6. Экстра-пар – это ….
а) свежий пар, подаваемый в первый корпус;
б) вторичный пар, используемый для нагрева последующего корпуса;
в) вторичный пар, используемый для других нужд.
7. В выпарных аппаратах непрерывного действия гидродинамическая структура потоков близка к…
а) модели идеального смешения;
б) модели идеального вытеснения;
в) ячеечной модели;
г) диффузионной модели.
8. В процессе выпаривания температура кипения раствора …
а) остается неизменной;
б) уменьшается;
в) увеличивается.
9. При выпаривании по мере роста концентрации раствора значение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору …
а) увеличивается;
б) уменьшается;
в) остается неизменным.
10. Как записывается материальный баланс для непрерывного процесса выпаривания?
a) G K = G H + W;
б) G H = G K – W;
в) G H = G K + W;
где G H ,G K – расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с;
W – выход вторичного пара, кг/с.
11. Тепловой баланс выпарной установки, как правило, применяется для определения…
а) конечной температуры раствора;
б) расхода греющего пара;
в) температурных потерь.
12. Движущей силой процесса выпаривания является…
а) средняя разность температур;
б) полная (общая) разность температур;
в) полезная разность температур.
13. Движущая сила процесса выпаривания находится как разность между температурой греющего пара и …
а) начальной температурой раствора;
б) температурой вторичного пара;
в) температурой кипящего раствора.
14. Температурная депрессия представляет собой разность между…
а) температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности;
б) температурами кипения раствора и чистого растворителя;
в) температурами образующегося вторичного пара и вторичного пара в конце паропровода.
15. Возрастание температурных потерь …
а) приводит к увеличению ∆t пол;
б) приводит к уменьшению ∆t пол;
в) не влияет на ∆t пол.
16. В процессе выпаривания с повышением концентрации и вязкости раствора значение коэффициента теплопередачи …
а) остается неизменным;
б) увеличивается;
в) уменьшается.
17. Циркуляция раствора в выпарном аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны…
а) разделяющей стенки;
б) греющего пара;
в) кипящего раствора.
18. Для нетермостойких растворов целесообразно использовать…
19. Для выпаривания высоковязких и кристаллизующихся растворов лучше всего применить…
а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;
б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;
в) пленочные выпарные аппараты;
г) барботажные выпарные аппараты.
20. Наиболее подходящими для выпаривания агрессивных жидкостей являются…
а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;
б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;
в) пленочные выпарные аппараты;
г) барботажные выпарные аппараты.
Тесты к занятию №4
1. Температура кипения раствора во втором корпусе многокорпусной выпарной установки…
а) равна температуре кипения раствора в первом корпусе;
б) выше, чем в первом корпусе;
в) ниже, чем в первом корпусе.
2. На каком рисунке изображена противоточная выпарная установка?
а)
б)
3. Чему равно количество греющего пара, поступающего в корпус m многократного выпаривания?
а) ∆ m = W m -1 - E m -1 ;
б) ∆ m = E m -1 - W m -1 ;
в) ∆ m = W m -1 + E m -1 .
где W m -1 – количество воды;
E m -1 – экстра-пар.
4. Вторичный пар из последнего корпуса…
а) идет на технологические нужды;
б) подается насосом в первый корпус;
в) отводится в барометрический конденсатор.
5. Число корпусов установки многократного выпаривания определяется…
а) суммой затрат на проведение процесса;
б) амортизационными расходами;
в) затратами по производству пара;
г) причинами, указанными в а), б) и в).
6. Недостатками прямоточной схемы многокорпусной выпарной установки являются…
а) понижение температуры кипения и понижение концентрации раствора от 1-го корпуса к последующему;
б) повышение температуры кипения и понижение концентрации раствора от первого корпуса к последующему;
в) повышение температуры кипения и повышение концентрации раствора;
г) понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора.
7. Многокорпусные установки могут быть…
а) прямоточные;
б) противоточные;
в) комбинированные;
г) все вышеперечисленные.
8. Общая поверхность нагрева двухкорпусной выпарной установки может быть выражена как…
а)
;
б)
;
в)
.
9. Преимуществами прямоточной многокорпусной выпарной установки являются…
а) раствор идет самотеком;
РАЗДЕЛ 5 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Понятие тепловых процессов
Тепловыми называются процессы, предназначенные для передачи тепла от одного тела к другому.
Тела, участвующие в тепловом процессе, называются теплоносителями .
Теплоноситель, который отдает тепло и при этом охлаждается, называется горячим . Теплоноситель, который принимает тепло и при этом нагревается, называется холодным .
Движущей силой теплового процесса является разность температур между теплоносителями.
Основы теории передачи тепла
Различают три принципиально отличающиеся способа переноса тепла
Теплопроводность;
Конвекция;
Излучение.
Теплопроводность – перенос тепла, обусловленный тепловым движением микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это может быть движение свободных электронов в металле, движение молекул в капельных жидкостях и газах, колебания ионов в кристаллической решетке твердых тел.
Величину теплового потока , возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, можно определить по уравнению Фурье
, Вт. (5.1)
Закон Фурье читается следующим образом:
количество тепла, передаваемое в единицу времени, путем теплопроводности через поверхность F, прямо пропорционально величине поверхности и градиенту температуры .
В уравнении (5.1) - коэффициент теплопроводности , размерность которого
Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты, проходящей вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при изменении температуры на один градус на единице длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициент теплопроводности характеризует способность тела проводить теплоту и зависит от природы вещества, структуры, температуры и других факторов.
Наибольшее значение имеют металлы, наименьшее – газы. Жидкости занимают промежуточное положение между металлами и газами. В расчетах значение коэффициента теплопроводности определяется при средней температуре тела по справочной литературе.
Конвекция – перенос тепла, обусловленный движением и перемешиванием макроколичеств газа и жидкости.
Различают свободную (или естественную) и вынужденную конвекцию.
Свободная (естественная) конвекция обусловлена движением макроколичеств газа или жидкости вследствие разности плотностей в разных точках потока, имеющих различную температуру.
При вынужденной (принудительной) конвекции движение потока газа или жидкости происходит вследствие затраты энергии извне с помощью газодувки, насоса, мешалки и т.п.
Уравнение Ньютона позволяет количественно описать конвективный теплообмен
В соответствии с законом Ньютона:
количество тепла в единицу времени, передаваемое из ядра потока, имеющего температуру к стенке поверхностью F, имеющую температуру , (или наоборот) прямо пропорционально величине поверхности и разности температур.
В уравнении Ньютона (5.2) коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи , а уравнение (5.2) – уравнением теплоотдачи .
Размерность коэффициента теплоотдачи
.
Коэффициент теплоотдачи показывает количество теплоты, отдается от теплоносителя к 1 м поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.
Коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе и зависит от многих факторов: гидродинамического режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметр, длина), состояния поверхности стенок (шероховатая, гладкая).
Коэффициент можно определить экспериментальным путем либо расчетным по обобщенному критериальному уравнению, которое можно получить путем подобного преобразования дифференциального уравнения конвективного теплообмена.
Критериальное уравнение теплоотдачи для неустановившегося процесса имеет вид:
В уравнении (5.3)
Критерий Нуссельта. Характеризует отношение переноса теплоты конвекцией к теплоте, передаваемой теплопроводностью ( - определяющий геометрический размер; для потока, движущегося в трубе - диаметр трубы);
- критерий Рейнольдса;
Критерий Прандтля. Характеризует подобие физических свойств теплоносителей (здесь - удельная теплоемкость теплоносителя, ). Для газов 1; для жидкостей 10…100;
Критерий Фруда (мера отношения сил инерции в потоке к силе тяжести);
Критерий гомохронности (мера отношения пути, пройденного потоком со скоростью за время , к характерному размеру l )
Для установившегося процесса теплообмена ( =0) критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид
. (5.4)
При вынужденной теплоотдаче (например, при напорном движении теплоносителя по трубам) влиянием силы тяжести можно пренебречь ( =0). Тогда
. (5.5)
или в виде степенной зависимости
, (5.6)
где - определяются экспериментальным путем.
Так, для вынужденного движения теплоносителя внутри труб уравнение (5.6) имеет вид
- при турбулентном режиме ()
. (5.7)
В случае значительного изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена используется уравнение
, (5.8)
где - критерий Прандтля теплоносителя, физические свойства которого определяются при температуре ;
- при переходном режиме
(
)
- при ламинарном режиме ()
, (5.10)
где 
- критерий Грасгофа, учитывающий влияние на теплоотдачу свободной конвекции;
Коэффициент объемного расширения, град ;
Разность между температурами стенки и теплоносителя.
Схема расчета коэффициента теплоотдачи
Определяется гидродинамический режим движения теплоносителя (Re);
Выбирается расчетное уравнение для определения критерия Нуссельта (уравнения 5.7-5.10);
Определяется коэффициент теплоотдачипо формуле
Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний различной длиной волны, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.
Основное уравнение теплопередачи
Процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку называется теплопередачей .
Связь между тепловым потоком и поверхностью теплопередачи F можно описать кинетическим уравнением, которое называется основным уравнением теплопередачи и для установившегося теплового процесса имеет вид
, (5.12)
где - тепловой поток (тепловая нагрузка), Вт;
Средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор);
Коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость передачи теплоты.
Коэффициент теплопередачи
имеет размерность 
, и показывает количество теплоты, передаваемой в единицу времени через поверхность 1м от горячего теплоносителя к холодному при разности температур 1 градус.
Для плоской стенки коэффициент теплопередачи можно определить по уравнению
, (5.13)
где - коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны горячего и холодного теплоносителей, ;
Толщина стенки, м,
Коэффициент теплопроводности материала стенки, .
Схема теплопередачи через плоскую стенку приведена на рисунке 5.1.
Выражение (5.13) называют уравнением аддитивности термических сопротивлений; причем частные сопротивления могут сильно различаться.
В теплообменных аппаратах кожухотрубчатого типа применяются трубки, толщина стенок которых составляет 2,0…2,5 мм. Поэтому величину термического сопротивления стенки () можно считать пренебрежимо малой. Тогда и после несложных преобразований можно записать .
Если принять, что значение коэффициента теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя значительно превышает значение коэффициента теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя (т.е. ), то из последнего выражения имеем
т.е. коэффициент теплопередачи численно равен меньшему из коэффициентов теплоотдачи. В реальных условиях коэффициент теплопередачи ниже меньшего из коэффициентов теплоотдачи, а именно
Из последнего выражения следует практический вывод: для интенсификации теплового процесса необходимо увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи (например, путем увеличения скорости теплоносителя).
Движущая сила теплового процесса или температурный напор зависит от направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают следующие схемы относительного движения теплоносителей:
- прямоток , при котором теплоносители движутся в одном направлении (рисунок 5.2.а);
- противоток , при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях (рисунок 5.2б);
- перекрестный ток , при котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярном направлении (рисунок 5.2в);
- смешанный ток , при котором один теплоноситель в одном направлении, а другой попеременно как прямотоком (рисунок 5.2г), так и противотоком (рисунок 5.2д).
Рассмотрим расчет средней движущей силы
для установившегося процесса теплопередачи, т.е. температура в каждой точке теплопередающей стенки остается постоянной во времени, но изменяется вдоль ее поверхности. Примерное изменение температуры вдоль поверхности стенки при прямоточном (а) и противоточном (б) движении теплоносителей приведено на рисунке 5.3.
Температура на входе и выходе для горячих теплоносителей.
Температура на входе и выходе для холодных теплоносителей.
а-прямоток; б-противоток
Рисунок 5.3 - К расчету средней движущей силы
Из рисунка 5.3 видно, что при противотоке теплоносителей величина температурного напора вдоль поверхности теплообмена более постоянна, поэтому условия нагрева или охлаждения сред более “мягкие”. При этом холодный теплоноситель можно нагреть до более высокой температуры, чем температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата (), что исключено в случае прямоточной схемы движения. Поэтому (при одинаковых значениях температур) расход холодного теплоносителя снижается на 10…15%. Кроме того, процесс теплообмена протекает более интенсивно.
Поправочный коэффициент, значение которого всегда меньше единицы и определяется в зависимости от соотношения температур теплоносителей и схемы их движения.
