Тепловые процессы и аппараты. Классификация. Устройство. Испарение и конденсация. Механизмы конденсации: плёночная, капельная. Устройство

Министерство образования и  науки РФ

ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный  университет имени 

М. К. Аммосова»

Медицинский институт

Кафедра фармакологии и фармации

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тепловые процессы и аппараты. Классификация. Устройство. Испарение и конденсация. Механизмы конденсации: плёночная, капельная. Устройство конденсаторов

 

 

 

                                                           

 

 

                                                                                                  Выполнил

Студент  ФАРМ-401/1

         Божедонов В. Г.                                                                                              Проверила:

Абрамова Я. И.

                                                                                                  Доцент к. ф. н.

 

 

 

 

 

Якутск 2012 год.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….…….............................3

 

ГЛАВА I. Тепловые процессы и аппараты. Классификация. Конструкции.

1.1. Тепловые процессы....................................................................................4

1.2. Тепловые аппараты. Классификация. Конструкции.................................7

 

ГЛАВА II.   Испарение и конденсация. Механизмы конденсации.   Устройство конденсаторов.

2.1. Испарение и конденсация.........................................................................15

2.2. Механизмы конденсации: Плёночная и капельная.................................19

2.3. Устройство конденсаторов.......................................................................21

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

        Больпшнство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определенной температуре, которая достигается путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют теплообменниками.

Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах (с неоднородным распределением температур), но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу. При их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА I. Тепловые процессы и аппараты. Классификация. Конструкции.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Тепловой процесс (термодинамический процесс) — изменение макроскопического состояния термодинамической системы. Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловые процессы можно  разделить на равновесные и неравновесные.

Равновесным называется процесс, при котором все состояния, через которые проходит система, являются равновесными.

Тепловые процессы можно  разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Можно выделить несколько  простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

• Адиабатный процесс — происходящий без теплообмена с окружающей

 средой;

• Изохорный процесс — происходящий при постоянном объёме;

• Изобарный процесс — происходящий при постоянном давлении;

• Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;

• Изоэнтропийный процесс — происходящий при постоянной энтропии;

• Изоэнтальпийный процесс — происходящий при постоянной энтальпии;

• Политропный процесс — происходящий при постоянной теплоёмкости;

В технике важны круговые процессы (циклы), то есть повторяющиеся процессы, например, цикл Карно, цикл Ренкина.

 

Теория тепловых процессов  применяется для проектирования двигателей, холодильных установок, в химической промышленности, в метеорологии.

Тепловые процессы  могут  происходить при постоянных давлении (Изобарный процесс), температуре (Изотермический процесс), объёме (Изохорный процесс). Тепловой процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным процессом; при обратимом адиабатном процессе энтропия системы остаётся постоянной, то есть процесс изоэнтропийный. Необратимый адиабатный процесс сопровождается увеличением энтропии. Тепловой процесс, при котором остаётся постоянной энтальпия (теплосодержание) системы, — изоэнтальпийный процесс. Круговые процессы, при осуществлении которых производятся работа, теплота или холод, в технике называются циклами         

Графическое изображение  тепловых процессов на диаграмме  р — V (давление — объём): 1 — изобара; 2 — изотерма; 3 — адиабата; 4 —  изохора.

    Адиабатный процесс - термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством. Серьёзное исследование адиабатических процессов началось в XVIII веке.

Адиабатический  процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянна. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит.

Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона:

 

где   - объём,   - показатель адиабаты,   и  - теплоёмкости газа при постоянном давлении и постоянном объёме.

 

    Изохорный процесс  -  термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.

 

    Изобарный процесс - термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и постоянной массе идеального газа.

 

Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе  .

 

Работа, совершаемая газом при  расширении или сжатии газа, равна  .

 

Количество теплоты, получаемое или  отдаваемое газом, характеризуется  изменением энтальпии:  .

 

    Изотермический процесс - термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.

Для осуществления изотермического  процесса систему обычно помещают в термостат (массивное тело, находящееся в тепловом равновесии), теплопроводность которого велика, так что теплообмен с системой происходит достаточно быстро по сравнению со скоростью протекания процесса, и, температура системы в любой момент практически не отличается от температуры термостата.

 

     Изоэнтропийный процесс  -  тепловой процесс, происходящий при постоянной энтропии.

Условия, при которых тепловой процесс  будет изоэнтропийным, можно получить из равенства Клаузиуса для обратимых процессов:  ,

где   — приращение (дифференциал) энтропии, а   — бесконечно малое полученное количество теплоты. Отсюда следует, что из обратимых процессов изоэнтропийным является только обратимый адиабатный процесс.

 

    Изоэнтальпи́йный проце́сс - тепловой процесс, происходящий при постоянной энтальпии.

 

  Политропный процесс -  термодинамический процесс, во время которого удельная теплоёмкость газа остаётся неизменной.

В соответствии с сущностью понятия  теплоёмкости , предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс ( ) и адиабатный процесс ( ).

 

Тепловые аппараты. Классификация. Конструкции.

Тепловые аппараты (теплообменник) - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

В теплообменных аппаратах могут происходить процессы нагрева, испарения, кипения, конденсации и т.д. Число теплоносителей может быть равно двум и более. Передача теплоты может осуществляться от одного теплоносителя к нескольким теплоносителям и наоборот.

В зависимости от технологического назначения теплообменники могут называться подогревателями, испарителями, конденсаторами, паропреобразователями.

По конструктивным признакам теплообменники делятся  на 2 группы:

1) теплообменные аппараты  поверхностного типа;

2) смесительные теплообменные  аппараты.

В поверхностных теплообменниках каждый теплоноситель ограничен твердой поверхностью, которая полностью или частично участвует в теплообмене.

Поверхность нагрева (поверхность теплообмена) - поверхность, участвующая в теплообмене.

Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные.

• Рекуперативные аппараты - аппараты непрерывного действия.

В рекуперативных теплообменниках  передача теплоты осуществляется от горячего теплоносителя к холодному  через стенку разделяющую их. Тепловой поток направлен от горячего теплоносителя  к холодному.

 

 

 

• Регенеративные аппараты - аппараты периодического действия и работают циклами.

Цикл включает в себя два периода:

1) Через аппарат пропускают горячий теплоноситель. От горячего теплоносителя теплота передается поверхности стенки, стенка аккумулирует теплоту и нагревается;

      2) Через теплообменник пропускают холодный теплоноситель, разогретая стенка отдает теплоту холодному теплоносителю, стенка охлаждается, холодный теплоноситель нагревается.

    Смесительные теплообменные аппараты - аппараты, в которых нет стенки, разделяющей теплоносители. В этих теплообменниках происходит непосредственное смешение горячего и холодного теплоносителя.

Смесительные теплообменные  аппараты, в которых осуществляется конденсация каких-либо паров холодной жидкостью, называют конденсаторами смешения. Их широко применяют для конденсации водяных паров водой. По способу вывода потоков из аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, образующийся конденсат и неконденсирующиеся газы (обычно воздух) откачиваются из аппарата мокровоздушным насосом совместно. В сухих конденсаторах охлаждающая вода и конденсат выводятся из нижней части аппарата самотеком по одной трубе, а неконденсирующиеся газы откачиваются вакуум-насосом из верхней части аппарата по другой трубе.

Тепловой расчет теплообменного аппарата поверхностного типа.

Цель: определить поверхность теплообмена и конструктивные размеры аппарата. Расчет основан на использовании  уравнения тепловых балансов и теплопередач.   1. Если теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния, то уравнение теплового баланса будет иметь вид: G1 - расход горячего теплоносителя; G2 - расход холодного теплоносителя; Т1', Т1'' - температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата; с1 - средняя теплоемкость горячего теплоносителя; Т2', Т2'' - температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из аппарата; с2 - средняя теплоемкость холодного теплоносителя; η - коэффициент, учитывающий  тепловые потери; Q - теплопроизводительность  аппарата. 2. Если один из теплоносителей в теплообменнике меняет агрегатное состояние, то уравнение баланса имеет вид: D1 - расход пара; h1 - теплосодержание пара на входе; hк - теплосодержание конденсата на выходе. 3. Оба теплоносителя меняют свое агрегатное состояние: D2 - расход пара при испарении холодной воды; h2 - теплосодержание пара на выходе; hпв - теплосодержание питательной воды.

Для определения необходимой  поверхности теплообмена записывается уравнение теплопередачи: Чтобы найти F нужно знать средний температурный напор ΔТ и коэффициент теплопередачи k. Средний температурный напор: ΔТ - зависит от характера движение теплоносителя (прямоток, противоток) и от водяных эквивалентов (w1 и w2) теплоносителей. Рассмотрим изменение  температур теплоносителей вдоль поверхности  теплообмена в зависимости от характера движения теплоносителя: При противотоке и при  условии равенства водяных эквивалентов нельзя пользоваться формулой: Так как зависимости изменения  температур вдоль поверхности являются параллельными прямыми: Также формулой пользоваться нельзя, когда водяные эквиваленты  непостоянны. В этом случае вся  поверхность теплообмена делится на несколько зон, в пределах каждой зоны определяют усредненные постоянные значения водяных эквивалентов и для каждой зоны - средний температурный напор ΔТ.