При теплових процесах тепло передається від однієї речовини до іншої. Ці речовини беруть участь в теплообмінних процесах називається теплоносієм. Речовини з більш високою температурою, які в процесі теплообміну віддають тепло, називаються гарячими теплоносіями, а речовини з більш низькою, які приймають тепло, - холодними теплоносіями.
Існує два основних технологічних способу проведення теплових процесу.
1. Шляхом безпосереднього зіткнення теплоносіїв (проводиться рідко)
2. Передача тепла через стінку (теплоносії в цьому випадку не змішуються, і кожен рухається по своєму каналу)
Передача тепла в другому випадку відбувається за допомогою:
Передача тепла теплопровідністю здійснюється шляхом перенесення тепла при безпосередньому контакті окремих частинок тіла. При цьому тепло передається від однієї частинки до іншої в результаті коливального руху частинок без їх переміщення один щодо одного. Спосіб в основному для металів. Передача тепла теплопровідністю описується законом Фур'є. Кількість тепла, що проходить за рахунок теплопровідності прямо пропорційно часу, градієнту температури і поверхні, нормальної до напрямку теплопередачі.
dQ = - # 955; d # 964; dF
# 955; (Лямбда) - коефіцієнт теплопровідності. Знак «-» відображає те, що температура зменшується в напрямку x (напрямку теплопередачі)
Коефіцієнт теплопровідності має наступні значення
Теплопровідність плоскої стінки (труби) можна розрахувати наступним чином:
- кількість тепла, що проходить через стінку
l - товщина стінки
Передача тепла конвекцією відбувається в рідини і газах шляхом переміщення їх часток в залежності від руху частинок внаслідок руху рідини або газу або різної їх щільністю в різних точках.
Передача тепла через цей прикордонний шар підкоряється закону Фур'є
# 916; - товщина прикордонного шару, t0 - температура на кордоні шару = t1
Величина = # 945; в цьому випадку називається коефіцієнтом тепловіддачі
# 945; - це кількість тепла, яке сприймає стінка площею 1м 2 за 1 годину і при різниці температур 1 ° С.
обчислення # 945; - завдання важке, так як товщина ламінарного шару визначається неточно внаслідок розмитих кордонів шару. У цьому шарі передача тепла відбувається і конвекцією і теплопровідністю. У загальному випадку # 945; є функцією багатьох змінних.
Розглянемо тепер передачу тепла через стінку.
При сталому режимі теплопередачі
Складаємо почленно праву частину і ліву частину, # 964; переносимо в праву частину, # 945 ;, # 955; - в ліву частину
= K - коефіцієнт теплопередачі тепла через стінку
Передача тепла випромінюванням відбувається за допомогою електромагнітних хвиль. При цьому теплова енергія перетворюється в променисту і потім знову в тепло при поглинанні променистої енергії іншим тілом. Тіла, які поглинають всю енергію, називаються абсолютно чорними тілами. Тіла, які повністю відображають енергію називаються абсолютно білими тілами. Це чисто теоретичні поняття. Радіаційний підкоряється закону Стефана - Больцмана.
Теплообмін випромінюванням - процес перенесення тепла у вигляді електромагнітних хвиль (фотонів). Цей вид теплообміну проходить в 3 етапи: внутрішня енергія тіла спочатку перетвориться в енергію випромінювання, яка на другому етапі поширюється в просторі, а на третьому етапі енергія випромінювання знову перетвориться в теплоту тіла, що поглинає променистий потік. Променистий обмін має місце між усіма тілами і є єдино можливими способом перенесення Q в вакуумі. При температурах, звичайних в техніці, основна кількість теплоти випромінюється в інфрачервоному діапазоні.
При попаданні потоку випромінювання на тіло він ділиться на 3 частини: Поглинену Епогл. отражаемую Еотр і пропущену Епроп
де А - поглинальна здатність тіла, R - відбивна здатність тіла, D - пропускна здатність тіла.
При А = 1; R = D> 0 - тіло абсолютно чорне
R = 1; А = D = 0 - тіло абсолютно біле
D = 1; А = R = 0 - тіло діатермічне (прозоре)
У природі немає ні абсолютно чорного тіла, ні абсолютно білого тіла. Властивістю абсолютно чорного тіла володіє отвір у стінці порожнього тіла.
Кількість тепла, випромінюваного тілом в одиницю часу, пропорційно поверхні тіла і четвертого ступеня його абсолютної температури:
C - коефіцієнт випромінювання
Якщо два тіла знаходяться на певній відстані один від одного і T1 CЧ = 5 • 10 -8 ккал / м 2 • год • (град к) 4 Cб = 1 • 10 -8 ккал / м 2 • год • (град к) 4
# 949; - ступінь чорноти
наприклад, # 949; міді = 0,023, # 949; азбесту = 0,96.
Апарати для теплообміну використовуються ті ж, що і для утилізації тепла (регенератори і рекуператори).
Із законів випромінювання для теплотехніки найбільше значення має закон Стефана-Больцмана: кількість енергії, що випромінюється одиницею поверхні абсолютно чорного тіла в одиницю часу, пропорційно четвертого ступеня його абсолютної температури:
де # 963; 0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.
При застосуванні закону до сірого тіла:
і їх співвідношення - ступінь наближення тіла до абсолютно чорного тіла
З усіх видів споживаної в хімічній промисловості енергії перше місце належить теплової енергії. Ступінь використання тепла при проведенні хіміко-технологічного процесу визначається тепловим К.П.Д .:
де Qт і Qпр відповідно кількість тепла, теоретично і практично затрачати-мого на здійснення реакції.
Використання вторинних енергетичних ресурсів (відходів) підвищує К.К.Д. Енергетичні відходи використовуються в хімічних та інших галузях промисловості для різних потреб.
Особливо велике значення в хімічній промисловості має утилізація тепла продуктів реакцій, що виходять з реакторів, для попереднього нагріву матеріалів, що надходять в ці ж реактори. Такий нагрів здійснюється в апаратах, званих регенераторами, рекуператорами і котлами-утилізаторами. Вони накопичують тепло відх-дящих газів або продуктів і віддають його для проведення процесів.
Регенератори представляють собою періодично діючі камери, заповнені насадкою. Для безперервного процесу необхідно мати, принаймні, 2 регенера-тора.
Гарячий газ спочатку проходить через регенератор А, нагріває його насадку, а сам охолодні-ється. Холодний газ проходить через регенератор Б і нагрівається від раніше нагрітої на-садки. Після нагріву насадки в А і охолодження в Б заслінки перекривають і т.д.
У рекуператорах реагенти надходять в теплообмінник, де нагріваються за рахунок ті-пла гарячих продуктів, що виходять з реакційного апарату, і потім подаються в реак-тор. Теплообмін відбувається через стінки трубок теплообмінника.
У котлах-утилізаторах тепло відхідних газів і продуктів реакції використовують для одержання пари.
Гарячі гази рухаються по трубах, розміщеним в корпусі котла. У міжтрубному про-просторі знаходиться вода. Пара, що утворюється, проходячи влагоотделитель, виходить з котла.