Запитання для самоконтролю

1. Яка основна ознака класифікації неоднорідних систем?

2. Охарактеризуйте процес відстоювання та рушійну силу процесу.

3. Запишіть способи визначення процесу осадження.

4. Запишіть формулу Стокса.

5. Складіть рівняння фільтрування.

6. Яка основна ознака класифікації фільтрів?

7. Назвіть основні елементи фільтрів.

8. Назвіть мембранні методи розділення.

9. Які ви знаєте методи контролю технологічних параметрів фільтрування?

10. Охарактеризуйте апарат для розділення неоднорідних систем як об’єкту автоматизації.

Модуль 4. Теплові процеси та їх апаратна реалізація

Тема 1. Процеси теплообміну та їх апаратна реалізація

1. Фізико-хімічні основи теплопередачі

Передача енергії в багаточисельних різноманітних технологічних процесах (від згорання пального в котельних установках до перекачування насосом рідини трубопроводом) описується одним і тим же законом. Зокрема, енергія (теплова, електрична, гідравлічна) при всіх її перетвореннях зберігається відповідно до першого закону термодинаміки.

У деяких процесах, наприклад, в процесі теплообміну, енергія передається від однієї речовини до іншої без перетворення. У інших процесах передача енергії відбувається внаслідоксупроводжується перетворення її зіз однієї форми в іншу. Такі процеси, що реалізуються в хімічних і ядерних реакторах, промислових печах, насосах, компресорах і інших апаратах, повинні вивчатися більш глибоко. Регулювання передачі енергії полягає в регулюванні швидкості потоку енергії, тобто в регулюванні її потужності. Основною умовою регулювання технологічних процесів є збереження їх матеріального і енергетичного балансів.

Передача енергії у вигляді тепла, що відбувається між тілами з різною температурою, називається теплообміном. Рушійною силою будь-якого процесу теплообміну є різниця температур, при якій тепло самочинно (відповідно до другого закону термодинаміки) переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Внаслідок теплообміну інтенсивність руху частинок більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого – зростає. Тіла (речовини), які беруть участь у теплообміні, називаються теплоносіями.

Теплопередача – наука про процеси поширення тепла. Закони теплопередачі лежать в основі теплових процесів – нагрівання, охолодження, конденсації парів, випаровування – і мають велике практичне значення для проведення багатьох хімічних процесів, що відбуваються при підведенні або відведенні тепла.

Розрізняють три принципово різних елементарних способи поширення тепла: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання. Теплопровідність – перенесення тепла внаслідок хаотичного (теплового) руху мікрочастинок, які безпосередньо стикаються між собою. У твердих тілах теплопровідність є основним видом поширення тепла.

Конвекцією називають перенесення тепла внаслідок руху і перемішування мікроскопічних об'ємів газу чи рідини.

Тепловипромінювання – це процес поширення електромагнітних коливань з різною довжиною хвиль, який зумовлений тепловим рухом атомів або молекул тіла, що випромінює тепло. Всі тіла здатні випромінювати енергію, яка поглинається іншими тілами і знову перетворюється в тепло. Таким чином, здійснюється променевий теплообмін; він складається з процесів випромінювання і поглинання променів.

Перенесення тепла від стінки апарата до газу чи рідини або навпаки називається тепловіддачею. Процес передачі тепла від більш нагрітого газу чи рідини до менш нагрітих речовин через стінку або якусь поверхню, що їх розділяє, називається теплопередачею.

Розрахунок теплообмінної апаратури включає:

1. Визначення теплового потоку, тобто кількості теплоти Q, яку потрібно передати за певний час (в безперервнодіючих апаратах – за 1 с чи за 1 год.; в періодичнодіючих – за одну операцію) від одного теплоносія до іншого. Тепловий потік визначається складанням і розрахунком теплових балансів.

2. Визначення поверхні теплообміну F апарата, яка забезпечує передачу певної кількості тепла Q в заданий час. Величина поверхні теплообміну визначається швидкістю теплопередачі, яка залежить від механізму передачі тепла – теплопровідності, конвекції, випромінювання. Поверхню теплообміну знаходять з основного рівняння теплопередачі. Рівняння теплового балансу має вигляд:

(151)

де W₁ і W₂ – відповідно теплові еквіваленти нагрітого і холодного теплоносія; t_П і t_К – відповідно температура на вході в апарат і на виході з апарату, ⁰С.

В основу матема­тичних| моделей цих процесів покладені такі|слідуючі| рівняння:

1. Загальна кінетична залежність для процесів теплопередачі, яка виражає зв'язок між тепловим потоком Q і поверхнею теплообміну F_Т , є основним рівнянням теплопередачі:

(152)

де К – коефіцієнт теплопередачі; F_T – площа теплообміну; ∆t_C – середня різниця температур між теплоносіями або температурний напір; τ – час.

Відповідно до рівняння (152) кількість теплоти, що передається від більш нагрітого до більш холодного теплоносія, пропорційна поверхні теплообміну F_Т , середньому температурному напору ∆t і часу τ.

Отже, коефіцієнт теплопередачі показує, яка кількість теплоти (Дж) переходить за 1 с від більш нагрітого до більш холодного теплоносія через поверхню теплообміну 1 м² при середній різниці температур між теплоносіями в 1 градус.

Якщо теплообмін відбувається між твердою стінкою апарату і газовим середовищем, наприклад, повітрям, то тепло передається конвекцією і випромінюванням. Подібні процеси перенесення тепла називаються складною тепловіддачею. Типовим прикладом складної тепловіддачі є втрати тепла стінками апаратів в оточуюче середовище.

2. Рівняння теплопровідності. Кількість теплоти dQ, що передається за час dτ за допомогою теплопровідності через елемент поверхні dF, перпендикулярний до теплового потоку, прямо пропорційна температурному градієнту , поверхні dF і часу dτ:

, (153)

або кількість теплоти, що передається через одиницю поверхні в одиницю часу, дорівнює:

(154)

де – температурний градієнт (похідна температури по нормалі до ізотермічної поверхні).

Величина Q_T називається щільністю теплового потоку; λ – коефіцієнт теплопровідності, що характеризує здатність тіла проводити теплоту за допомогою теплопровідності і залежить від природи речовини, її структури, температури тощо.

За звичайних умов кращими провідниками тепла є метали, гіршими – гази.

3. Теплове випромінювання. Закон Стефана-Больцмана. Кількість енергії, що випромінюється тілом в одиницю часу одиницею поверхні F в усьому інтервалі довжини хвилі (від λ=0 до λ=∞), характеризує випромінювальну здатність тіла Е

. (155)

Закон Стефана-Больцмана можна записати:

, (156)

де С₀ = К₀ ^.10⁸ = 5,67 – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

Закон Стефана-Больцмана застосовується також і до сірих тіл:

, (157)

де – відносний коефіцієнт випромінювання або ступінь чорноти сірого тіла; С – коефіцієнт випромінювання сірого тіла.

4. Рівняння конвективного перенесення тепла:

(158)

де – коефіцієнт тепловіддачі, який характеризує кількість тепла, що передається від 1м² поверхні стінки до рідини (або від рідини до стінки) за одиницю часу при різниці температур між стінкою та рідиною в 1⁰С; t_CT, t_P – температури стінки та рідини.

5. Рівняння для визначення коефіцієнта теплопередачі че­рез| стінку:

(159)

де α₁ – коефіцієнт тепловіддачі від більш нагрітого середовища до стінки апарата; α₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарата до менш нагрітого середовища; δ_i – товщина стінки; λ_i – коефіцієнт теплопередачі матеріалу стінки.

6. Співвідношення для визначення середньологарифмічної| різниці| температур:

(160)

де ∆t₁ – різниця початкових температур, ∆t₂ – різниця кінцевих температур.