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

Предпочтительным является противоточное  движение теплоносителя.

 

 

Достоинства:

1) более высокий коэффициент  теплопередачи, следовательно, меньшая  поверхность теплообмена;

2) при прямотоке ограничением  на конечную температуру холодного  теплоносителя является температура  гоячего теплоносителя на выходе. При противотоке ограничением  для конечной температуры холодного  теплоносителя является температура  горячего теплоносителя на входе,  поэтому при проектировании новых  теплообменников нужно принимать  противоточную схему теплоносителя,  если не срабатывают производственные  ограничения.

Кроме прямотока и противотока  есть система перекрестного тока:

Перекрестный прямоток

Перекрестный противоток

При перекрестном токе есть понятие  перемешивающаяся жидкость и неперемешивающаяся жидкость. Жидкость, которая движется по вертикальным трубам - неперемешивающаяся, в змеевике - перемешивающаяся. Если жидкость перемешивающаяся, то ее температура  может выравниваться поперечным сечением теплообменника.

При перекрестном прямотоке:

При перекрестном противотоке:

ψ₁ и ψ₂ - поправочные коэффициенты, которые определяются в справочной литературе

 
Коэффициент теплопередачи

Для круглой трубы:

d_вн, d_н, d_ср - соответственно внутренний, наружный и средний диаметры трубы;

α₁ - коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы;

α₂ - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубы;

λ - коэффициент теплопроводности материала трубы;

R_з - термическое сопротивление загрязнений на поверхности трубы (сажа, накипь);

σ₁ и σ₂ - толщина отложений  на внутренней и наружной поверхности труб;

λ₁ и λ₂  - коэффициент теплопроводности материала трубы;

Средний диаметр трубы  принято определять следующим образом:

если α₁ < α₂ , то d_ср = d_вн;

если α₁ > α₂ , то d_ср = d_н;

если α₁ = α₂ , то d_ср = (d_вн+d_н)/2;

если (d_н/d_вн) <= 1.5:

σ - толщина стенки трубы;

если σ <= 2.5, то кривизной  трубы можно пренебречь и коэффициент  теплопередачи рассчитать по формуле  для плоской стенки:

Таким образом, можно рассчитать коэффициент теплопередачи, если при  этом известны коэффициенты теплоотдачи  на внутреннем и наружном диаметре труб - α₁ и α₂.

Расчет α₁ и α₂ будет рассмотрен далее.

 

 

 

Конструкции теплообменников

Конструкционно теплообменники подразделяют на:

• Объемные, одна из сред имеет значительный объем в теплообменнике, одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая протекает через змеевик. Змеевик – это длинная металлическая, стеклянная, фарфоровая (керамическая) или пластиковая трубка, изогнутая некоторым регулярным или иррегулярным способом, предназначенная для того, чтобы в минимальном объёме пространства обеспечить максимальный теплообмен между двумя средами, разделёнными стенками змеевика.
• Скоростные, среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи, много мелких трубочек находятся в одной большой (кожух), среды движутся одна в межтрубном пространстве, другая внутри трубочек, обычно в трубочках находится более «грязная» среда, так как их легче чистить;
• Пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, среды движутся между пластинами, прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), хорошая эффективность (большая площадь контакта через пластины).
• Пластинчато-ребристый теплообменник в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме
• Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

Испарение.

Испарение — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации. Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельную теплоту испарения относят к 1 молю жидкости (молярная теплота испарения, Дж/моль) или к единице её массы (массовая теплота испарения, Дж/кг). Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [моль/(см²) или кг/(см²)]. Наибольшее значение достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды испарение замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основной массе парогазовой смеси.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества. При ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Молекулярный уровень

Молекулы, обладающие достаточной энергией (скоростью) для преодоления притяжения соседних молекул, вырываются за границы вещества (жидкости). При этом жидкость теряет часть своей энергии (остывает).

    Нарушение термодинамического равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщенного пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободной конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при испарении пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основном в результате молекулярной диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового  потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду.

Распределение температур при различных режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.

 

 

 

 

Скорость испарения.

Скорость испарения  при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d, может быть найдена по формуле Стефана:  , где

D — коэффициент взаимной диффузии,  — газовая постоянная пара,

T — температура смеси, р — давление парогазовой смеси,

 — парциальные давления пара у поверхности  раздела и на наружной границе слоя смеси.

 

 

 

Конденсация.

Конденсация – это  переход вещества из газообразного в жидкое состояние. 
Молекулы жидкости, покинувшие ее в процессе испарения, находятся в воздухе в состоянии непрерывного теплового движения. Так как движение молекул хаотичное, то какая-то часть молекул вновь попадает в жидкость. Число таких молекул тем больше, чем больше давление пара над жидкостью.

 

Виды конденсации.

1. Конденсация насыщенных паров

При наличии жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь  угодно малых пересыщениях и очень  быстро. В этом случае возникает  подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися  парами.  Уравнение Клапейрона — Клаузиуса определяет параметры этого равновесия — в частности, выделение тепла при конденсации и охлаждение при испарении.

где 

 — удельная теплота фазового перехода,   — изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.

2. Конденсация перенасыщенного пара

Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:

• отсутствие жидкой или твёрдой фазы того же вещества.
• отсутствие ядер конденсации — взвешенных в атмосфере твёрдых частиц или капелек жидкости, а также ионов (наиболее активные ядра конденсации).
• конденсация в атмосфере другого газа — в этом случае скорость конденсации ограничена скоростью диффузии паров из газа к поверхности жидкости.

Прибор ядерной физики — камера Вильсона — основана на явлении конденсации на ионах.

При отсутствии ядер конденсации пересыщение может достигать 800—1000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флуктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества).

3. Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара изменяет равновесное давление и инициирует капиллярную конденсацию.

4. Конденсация в твёрдую фазу

Конденсация, минуя жидкую фазу, происходит через образование мелких кристалликов (десублимация). Это возможно в случае давления паров ниже давления в тройной точке при пониженной температуре.

5. Конденсат на окнах

Образование конденсата на стеклах, происходит в холодное время года - либо зимой, либо поздней осенью. С точки зрения физики, образования конденсата на окнах происходит из-за разницы температур соприкасающихся поверхностей, особенно в местах стыка рамы и самого стекла. Чем больше эта разница, тем большее  количество влаги оседает на единице  поверхности за единицу времени. Если разница температур превышает 55-60°, то осевший конденсат может  превратиться в тонкую корочку льда или инея. Причина образование  конденсата на стекле состоит в замедленном  циркулировании воздуха в помещении, а также в чрезмерной влажности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизмы конденсации: Плёночная и капельная.

Механизм передачи теплоты при пленочной конденсации заключается в том, что теплота конденсации передается к поверхности сквозь жидкую пленку, в то время как гравитационные силы обусловливают расход конденсата. Скорость конденсации намного меньше максимального значения, которое определяется максвелловской скоростью молекул. Поэтому можно считать, что температура на поверхности раздела пар — жидкость равна температуре насыщенного пара. Это допущение применимо в большинстве практически важных случаев, однако для жидких металлов (ртуть) его справедливость обязательно должна проверяться.

Пленочная конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое на гидрофильной (хорошо смачиваемой жидкостью) поверхности твердого тела, при котором образуется сплошная пленка конденсата. Пленочная конденсация возникает на смачиваемой поверхности.

Если водяной  пар и металлическая поверхность чистые, то происходит пленочная конденсация, т. е. выпадающие на поверхности капли воды быстро растекаются по поверхности и сливаются вместе в сплошную пленку. При этом: между водяным паром и холодной поверхностью образуется сплошная пленка конденсата, затрудняющая теплоотдачу. Интенсивность пленочной конденсации будет ниже капельной (в 5— 10 раз).