Шпаркалка по "Химии"

    ослабления  лучистого теплообмена между  телами используют специальные перегородки - экраны. Обычно экраны изготавливают из тонкого материала, обладающего малой излучательной; и большой отражательной способностью ( ; R ), большой теплопроводностью (lim 0). Экранирование защищает также от вредного воздействия на человека сильного излучения.

    Тепловое  излучение газов. Теплоту излучают не только твердые тела, но также жидкости и газы, причем жидкости излучают ее очень интенсивно (близко к твердым телам). Но обычно излучением жидкостей пренебрегают, так как в них хорошо идет процесс переноса теплоты, и поэтому возникающая разность температур в разных точках жидкости мала, вследствие чего и доля теплового излучения в общем потоке теплоты ничтожно мала.

Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Газы являются проницаемыми в широких пределах длин волн и обладают заметным поглощением или излучением только в отдельных частях спектра, т. е. газы имеют линейчатый спектр, поглощая лучи только определенной длины волны, в то время как твердые тела имеют сплошной спектр поглощения, поскольку поглощают все падающие на них лучи любой длины. Одно-и двухатомные газы (воздух, N₂, O₂, Н₂ и др.) практически лучепрозрачны (диатермичны). Ряд многоатомных газов и паров могу г поглощать лучистую энергию в определенных интервалах длин волн

    4.4 КОНВЕКЦИЯ И ТЕПЛООТДАЧА

    Конвекция - передача теплоты при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты происходит как  механически - макрообъемными частицами потока теплоносителя. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью иногда и тепловым излучением. Поэтому конвекция в теплообменных аппаратах существенно усложняется вследствие образования у поверхности стенки пограничного слоя, в котором конвекция затухает. Поэтому под термином конвекция понимают только самый способ переноса теплоты потоками теплоносителя.

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 свою теплоту.

    Различают два Дальнейшая передача теплоты стенке происходит и в основном путем теплопроводности. При этом пограничный с представляет собой основное сопротивление процессу. Такой перенос теплоты называют теплоотдачей. При ламинарном режиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения сечения канала слоистой струей, и конвекция сводится к одному направлению - параллельному стенке.  При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном теплопроводностью.

    вида  движения реальной жидкости: ламинарное и турбулентное. При ламинарном, т. е. установившемся, движении слои жидкости не перемешиваются, при турбулентном, т. е. неустановившемся, движении частицы жидкости в потоке движутся беспорядочно.

    При движении вязкой жидкости в точках, где эта жидкость примыкает к твердой неподвижной стенке, скорость жидкости обращается в нуль. В связи с этим распределение скоростей жидкости по сечению трубы при ламинарном движении выглядит так, как представлено на фиг. 151. Следовательно, отдельные слои жидкости скользят друг по другу и между ними возникает сила трения, зависящая от многих причин и в том числе от коэффициента трения или от величины абсолютной вязкости жидкости. В гидравлике часто пользуются коэффициентом кинематической вязкости или просто кинематической вязкостью ν. Кинематическая вязкость, равная 1 см²/сек, называется стоксом.

    Абсолютная  вязкость измеряется в единицах, называемых пуазами, кинематическая вязкость измеряется стоксами. 1 м²/сек = 10000 стоксов. Ввиду трудности непосредственного измерения абсолютной или кинематической вязкости на практике обычно определяют условную или относительную вязкость при помощи приборов вискозиметров (по истечению жидкости через малое отверстие).

    Теплопроводность  — явление   молекулярное, конвекция — явление   макроскопическое,   при   котором   в   переносе теплоты участвуют  целые слои  теплоносителя с разными тем- пературами.  Совершенно  очевидно,  что  конвекцией теплота вносится   намного   быстрее,   чем   теплопроводностью,   поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективности переноса теплоты.

    Наличие гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности стенки приводит к возникновению в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 11-6), т.е. образованию теплового пограничного слоя толщиной , значение которой обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя Очевидно, что высокие скорости теплоносителя, интенсивное перемешивание вызывают как бы «сдирание» пограничных слоев, улучшая этим условия теплоотдачи.

    Теплоотдачу, так же как и конвекцию, подразделяют на свободную, или естественную (движение жидкости происходит вследствие разности плотностей в разных точках жидкости), и вынужденную, или принудительную   (движение   жидкости происходит вследствие затраты на  этот   процесс  энергии   извне   с помощью насоса, мешалки и т.п.) Обычно расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона, который в дальнейшем   будем   называть   уравнением теплоотдачи:

    Таким образом, коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты пере-дается 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 град.

    В отличие от коэффициента теплопередачи  К коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкости, плотности, теплопроводности и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметра, длины), состояния поверхности омываемых теплоносителями стенок (шероховатая, полированная и т. п.), Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и простота уравнения (11.32) только кажущаяся, так как получить аналитическую зависимость для определения очень сложно.

    РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНАЯ ТЕПЛООТДАЧА

    Наиболее  характерный пример этого вида теплоотдачи – перенос теплоты  Q_П от стенки в окружающую среду (т. е. потери теплоты ) Для этого случая величина Q_n = Q_T + Q_И (где Q_T и Q_и - количество теплоты, переходящее от стенки соответственно за счет теплоотдачи и теплового излучения).

    Количество  теплоты, передаваемое теплоотдачей в  окружающую среду (воздух) с температурой t_возд, определяют по формуле

    Q_Т = .

    Коэффициент теплоотдачи тепловым излучением показывает, какое количество теплоты отдает окружающей среде за счет теплового излучения стенка поверхностью 1 м² за 1 с при разности температур между ней и средой 1 град.

    4.8 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

    Выведем уравнение переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку при условии постоянны к и  изменяющихся   вдоль   поверхности   теплообмена   температур теплоносителей.

    4.8.1 Теплопередача при  постоянных и переменных  температурах теплоносителей

    Рассмотрим  перенос теплоты при установившемся процессе через многослойную плоскую стенку (рис. 11-15). Полагаем, что t₁ > t₂(t₁ и t₂ - температуры горячего и холодного теплоносителя соответственно), = const.

    Количество  теплоты,  передаваемое  за  время    от  горячего теплоносителя стенке,

    Определение толщины тепловой изоляции. Как правило, все аппараты, в которых процесс протекает при температуре, отличной oт температуры окружающей среды (теплообменники, реакторы и др.), покрывают слоем (или слоями) тепловой изоляции

    В качестве теплоизоляционных материалов используют вещества с низкими коэффициентами теплопроводности _из, которые обычно имеют значение _из порядка 0,05-0,2 Вт/(м-К). К ним относят асбест, шлаковую вату, асбослюду и т.п. Обычно теплоизоляционные материалы имеют пористую структуру, причем поры материала заполнены воздухом, у которого очень низкий коэффициент теплопроводности.

    Величину  _ИЗ (рис. 11-22) находят из условия равенства теплового потока через стенку аппарата и слой тепловой изоляции и потока, уходящего от стенки изоляции в окружающую среду:

    Тогда

        (11.111)

    Температуру стенки изоляции t_CT2 со стороны стенки аппарата обычно  принимают равной  средней  температуре  теплоносители в аппарате (например, если в аппарат подается водяной пар, то t_CT2 принимают равной температуре пара). Температуру t_CT1 стенки изоляции со стороны окружающей среды выбирают в интервале 35-45 °С для аппаратов, работающих в помещении, и 0-10°С для аппаратов,   работающих  вне  помещения   (для  зимних  условий), и затем проверяют по формуле

      Для аппаратов с плоскими стенками очевидно, что с увеличением толщины стенки изоляции должно привести к снижению потерь теплоты в окружающую среду и температуры t_ст1. В аппаратах с цилиндрическими стенками с увеличением толщины стенки изоляции возрастает поверхность теплообмена с окружающей средой. Поэтому при определенных условиях (для цилиндрических стенок малого диаметра - обычно для трубопроводов, химических  реакторов очень малого диаметра и т. п.) потери теплоты с увеличением толщины стенки изоляции могут возрастать, несмотря на снижение t_ст1. Поэтому для данного случая теплообмена можно ожидать существование экстремума. Из уравнения (11.74) следует, что коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки К_l  зависит от  радиуса наружной стенки изоляции r₂. Дифференцируя уравнение (11.75) с учетом уравнения (11.74) по r₂, получим r_2кр = _из/ ₂.

      Глава 5 МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 

      Процессами  массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос  вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов (см. гл. 2). Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

      Массообменные процессы широко используются в промышленности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов). Например, практически в каждом химическом производстве взаимодействие обрабатываемых веществ осуществляется в реакторе, в котором обычно происходит только частичное превращение этих веществ в продукты реакции. Поэтому выходящую из реактора смесь продуктов реакции и непрореагировавшего сырья необходимо подвергнуть разделению, для чего эту смесь направляют в массообменную аппаратуру, из которой непрореагировавшее сырье возвращается в реактор, а продукты реакции направляются на дальнейшую переработку или использование.

      Наибольшее  распространение получили рассмотренные  ниже массообменные процессы.

      1. Абсорбция- избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

      Процесс, обратный абсорбции, т. е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.

      2. Перегонка и ректификация - разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения сверхчистых жидкостей и для других целей.

      3. Экстракция (жидкостная)- извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой /)азы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.