Общие сведения по теории теплопередачи и аппаратурному
Оформлению процесса
Теплопередача в своем общем определении - это наука о процессах распространения теплоты. Различают три принципиально различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных теплоиспользующих установках теплота передается комбинированным путем, однако вклад этих трех составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, их агрегатным состоянием, температурными и гидродинамическими условиями и т.д. Обычно в типовых химических технологиях основными способами распространения теплоты являются теплопроводность и конвекция, а доля переноса теплоты тепловым излучением незначительна и ее практически не учитывают.
Движущей силой процесса теплообмена в общем случае является разность температур. При этом, в соответствии со вторым законом термодинамики, теплота самопроизвольно передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Теплообменные аппараты широко распространены в современных химических производствах и имеют весьма многообразное назначение. Вместе с тем, теплообменные аппараты должны отвечать определенным общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью в работе; обеспечивать заданные технологические условия процесса; быть просты по конструкции, сравнительно недороги по стоимости; компактны; обладать современным технологическим и эстетическим дизайном; иметь длительный срок службы; соответствовать требованиям СНИП (санитарным нормам и правилам) и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надежности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно - технологических параметров и аварийного их отключения. При проектировании всегда следует придерживаться следующего правила: чем более сложен аппарат по конструкции, тем менее он надежен в работе, т.е. при наличии достаточно большого числа компонующих элементов выход из строя какого-либо одного из них приводит к выходу из строя всего аппарата в целом.
Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку). В самом общем виде процесс теплопередачи между теплоносителями через стенку достаточно наглядно иллюстрируется следующей схемой (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Условная схема процесса теплопередачи
Основные уравнения, характеризующие процесс теплообмена для установившегося режима [1-3]:
1. Теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке:
(1.2)
2. Передача теплоты теплопроводностью через стенку (например через однослойную плоскую стенку):
(1.3)
3. Теплоотдача от стенки к холодному теплоносителю:
(1.4)
4. Теплопередача от горячего теплоносителя к холодному:
(1.5)
Основной задачей теплового расчета теплообменного аппарата является определение поверхности теплопередачи, в соответствии с которой по соответствующим каталогам подбирают нормализованный вариант заданной конструкции аппарата. Как следует из уравнения 1.5, необходимая поверхность теплопередачи может быть определена следующим образом:
(1.6)
Следовательно, чтобы рассчитать необходимую поверхность теплообмена нужно определить тепловую нагрузку аппарата, движущую силу процесса теплопередачи и коэффициент теплопередачи.