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.


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:

dвн, dн, dср - 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;

Rз - 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 dср = dвн;

если α1 > α2 , то dср = dн;

если α1 = α2 , то dср = (dвн+dн)/2;

если (dн/dвн) <= 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.

  1. 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).

  1. Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара изменяет равновесное давление и инициирует капиллярную конденсацию.

  1. 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.

  1. 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).