21. Теплоотдача при течении жидкости в трубах.

22. Процессы массообмена, общие положения и расчётные зависимости

Для проведения процессов массопереноса между газом (паром) и жидкостью (соответственно при абсорбции и ректификации) используют колонные массообменные аппараты. Наиболее распространены насадочные и тарельчатые колонны, причем каждый тип имеет свою область применения. Так, насадочные колонны применяют, если требуется невысокое гидравлическое сопротивление по газовому потоку. Когда этот фактор не имеет существенного значения (ректификация при атмосферном и повышенном давлении), используют тарельчатые колонны. Расчетными технологическими характеристиками являются: Dк – диаметр колонны; nд – число реальных тарелок, обеспечивающее заданную степень разделения, высоту колонны H = nдHмт , (где Hмт – расстояние между тарелками); ∆Р – гидравлическое сопротивление единичной тарелки (полное гидравлическое сопротивление колонны ∆РΣ = ∆Рnд ). Число тарелок д n определяют в массообменном (технологическом) расчете, а диаметр колонны DК и гидравлическое сопротивление ∆Р – в гидравлическом расчете. В тарельчатых абсорбционных и ректификационных колоннах процесс массообмена между газовой (паровой) и жидкой фазами происходит на тарелках, которые разделяются на беспереливные, лишенные специальных переливных устройств для жидкости, где газ и жидкость проходят через отверстия в тарелке, и на тарелки с организованным переливом. Последние обладают широким диапазоном устойчивой работы и поэтому получили большое распространение.

23. Теплоотдача при свободной конвекции.

Свободная конвекция наблюдается у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках и т.д. Свободное движение , или свободный конвективный теплообмен, возникает в жидкости (газе) за счет массовых (гравитационных) сил в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место из окружающего пространства поступают более холодные слоя. Так происходит свободное движение.

Как показывает опыт, теплоотдача при свободной конвекции зависит, в основном, от режима движения жидкости в пограничном слое, ее физических свойств, а также от геометрических размеров, формы и расположения тела в пространстве.

Одним из методов определения коэффициента теплоотдачи как при свободной, так и при вынужденной конвекции является метод регулярного теплового режима.

Из теории теплопроводности известно, что охлаждение нагретого тела в среде с постоянной температурой проходит в стадии:

1) стадия неупорядоченного процесса, когда процесс охлаждения зависит от начального распределения температур в теле и имеет случайный характер;

2) стадия регулярного режима, когда с некоторого момента времени =₁ начальные условия начинают играть второстепенную роль и процесс полностью определяется только условиями охлаждения на поверхности тела, его физическими свойствами, геометрической формулой и размерами;

3) стадия теплового равновесия, когда температура во всех точках тела становится равной температуре жидкости.

Стадия регулярного режима характеризуется тем, что темп охлаждения m(с^-1) для всех точек тела является одинаковой величиной, постоянной во времени, и определяется следующим выражением: где избыточная температура. Согласно формуле (1), темп охлаждения имеет физический смысл относительной скорости изменения избыточной температуры. Интегрируя уравнение (1), получим

(2)

Таким образом, в стадии регулярного режима зависимость имеет линейный характер. Теория регулярного режима применима к телам любой формы и устанавливает связь между темпом охлаждения тела, его физическими свойствами, геометрическими параметрами и внешними условиями теплообмена. На основании первой теоремы Кондратьева, зная темп охлаждения, можно определить среднее значение коэффициента теплоотдачи по формуле

(3)

Чтобы установить темп охлаждения, по опытным данным строится график зависимости Затем на линейном участке графика, который соответствует стадии регулярного режима, выбираются две достаточно удаленные друг от друга точки, для которых находят По этим данным темп охлаждения может быть определен из уравнения

(4)

Теплофизические свойства материала с, Дж/(кгК), и , кг/м³ берутся из таблиц. Значения объема тела V, м³ и площади поверхности F, м² вычисляются по результатам измерения размеров тела.

На основании обобщения экспериментальных данных по исследованию теплообмена при свободной конвекции для тел простой формы (пластина, цилиндр) получено обобщенное уравнение подобия

, (5)

где - опытная поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости (для газов при небольших значениях );

- число Нуссельта; - число Рэлея; - число Грассгофа; - число Прандтля; - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); l - определяющий размер, м (для вертикальных пластин и цилиндров - высота, для горизонтальных цилиндров - диаметр); - теплопроводность жидкости, Вт/(мК); g - ускорение свободного падения, м/с²; - коэффициент объемного расширения среды, К^-1; - кинематическая вязкость, м²/с; - температуропроводность, м²/с; - температурный напор, ⁰С.

Коэффициент C и показатель степени n в формуле (5) зависят от значения числа Рэлея:

1) если , то С = 1,18; n = 1|8;

2) если , то С = 0,54; n = 1/4;

3) если , то С = 0,135; n = 1/3.

Здесь 1 - слаборазвитое движение в пограничном слое (режим псевдотеплопроводности); 2 - режим развитой ламинарной конвекции; 3 - переходный и турбулентный режимы течения в пограничном слое.