Основные закономерности теплообмена - Моделирование теплообменных аппаратов в стационарном режиме

Тепловые процессы в химической технологии имеют как самостоятельное значение при сушке, выпаривании, нагревании, охлаждении и т. д., так и сопровождают химические и массообменные процессы [3-5].

Теплообмен обусловлен стремлением системы к тепловому равновесию, т. е. к равенству температур в системе. В случае неоднородности поля температур возникает поток энергии. Связь между градиентом температуры и молекулярным потоком теплоты (qT) определена законом теплопроводности Фурье:

, (1)

Где - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(мК);

QT, Вт/м2.

При движении в жидкостях и газах происходит конвективный перенос энергии веществом:

, (2)

Где u - скорость движения среды, м/с;

- плотность вещества, кг/м3;

I - энтальпия, Дж/кг.

Таким образом, при конвективном теплообмене плотность теплового потока q определяется суммой молекулярной и конвективной составляющих:

. (3)

Этот процесс достаточно сложный, поэтому для удобства расчета переноса теплоты между поверхностью твердого тела и движущейся сплошной средой используют закон теплоотдачи Ньютона - Рихмана:

, (4)

Где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

F - поверхность теплообмена, м2;

Тс - температура стенки;

Тж - температура среды.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости движения жидкости, ее плотности и вязкости, от тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости, теплопроводности), от формы и определяющих размеров стенки и других факторов.

Теплоотдача определяется не только тепловыми, но и гидродинамическими условиями. Поэтому конвективный теплообмен описывается дифференциальным уравнением Фурье - Кирхгофа

, (5)

Где - коэффициент температуропроводности, м2/с;

T - время, с.

Количество тепла, передаваемое от нагретого теплоносителя к холодному теплоносителю, определяется основным уравнением теплопередачи [5, 13]

, (6)

Где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2С);

- средняя разность температур между теплоносителями.

При теплопередаче через стенку толщиной с коэффициент тепло-передачи можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

, (7)

Где 1 и 2 - коэффициенты теплоотдачи от жидкости к стенке и от стенки к другой жидкости соответственно, Вт/(м2К), (Дж/с м2К);

С - теплопроводность материала стенки, Вт/(мК);

RЗ1 и rЗ2 - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, м2К/Вт.

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что ( и - наружный и внутренний радиусы цилиндра соответственно).

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи KТ в Вт/(м2К), а также значения теплопроводности загрязнений стенок в Вт/(м2К) приведены ниже.

Вид теплообмена

Коэффициент теплопередачи

Для вынужденного движения

Для свободного движения

От газа к газу.

От газа к жидкости.

От конденсирующегося пара к газу.

От жидкости к жидкости:

    - для воды; - для углеводорода, масел.

От конденсирующегося водяного пара к воде.

От конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям.

От конденсирующегося пара органических жидкостей к воде.

От конденсирующегося водяного пара к кипящей жидкости
    10-40 10-60 10-60 800-1700 120-270 800-3500 120-340 300-800 -
    4-12 6-20 6-12 140-340 30-60 300-1200 60-170 230-460 300-2500

Теплоноситель.

Вода:

    - загрязненная; - среднего качества; - хорошего качества; - дистиллированная.
    1400-1860 1860-2900 2900-5800 11600

Воздух.

Нефтепродукты, масла, пары хладагентов.

Нефтепродукты сырые.

Органические жидкости, рассолы, жидкие хладагенты.

Водяной пар, содержащий масла.

Пары органических жидкостей
    2800 2900 1160 5800 5800 11600

Похожие статьи




Основные закономерности теплообмена - Моделирование теплообменных аппаратов в стационарном режиме

Предыдущая | Следующая