Что относится к тепловым процессам

Тепловой процесс.

Тепловые процессы подразделяются на обратимые и необратимые.

Как демонстрирует практическая деятельность, большинство тепловых процессов получится провести лишь в одном направлении. Указанные процессы принято обозначать как необратимые.

К примеру, при тепловом контакте пары тел с различными температурами тепловой поток бессменно устремлен от сильнее нагретого к менее горячему. Никогда не встречается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Значит, процесс теплообмена при конечной разности температур будет необратимым.

Обратимыми процессами называют процедуру перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которую можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.

Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы выступают идеализацией реальных процессов.

Можно выделить несколько простых, но нашедших широкое применение в практической деятельности, тепловых процессов:

Адиабатный процесс — совершающийся без теплообмена с окружающей средой;

Изохорный процесс — совершающийся при неизменном объёме;

Изобарный процесс — совершающийся при неизменном давлении;

Изотермический процесс — совершающийся при неизменной температуре;

Политропный процесс — совершающийся при неизменной теплоёмкости;

В технике важны круговые процессы (циклы), то есть повторяющиеся процессы, к примеру, цикл Карно, цикл Ренкина.

Источник

Тепловой процесс

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 состояниями. Такой процесс приближённо реализуется в тех случаях, когда изменения происходят достаточно медленно, т. е. процесс является квазистатическим.

Тепловые процессы можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Процессы принято классифицировать по тем термодинамическим величинам, которые остаются неизменными в ходе процесса. Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

* Адиабатный процесс — без теплообмена с окр. 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.Иногда в течение всего процесса неизменными оказываются не одна, а несколько термодинамических величин. Так, например, испарение и конденсация в системе жидкость — пар, когда одновременно постоянны и давление и температура, есть процессы изобарно-изотермические.

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.

Источник

Тепловые процессы

4.4.1. Общая характеристика тепловых процессов

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называются тепловыми процессами, а аппаратура, предназначенная для проведения этих процессов, называется тепловой, или теплоисполъзующей, аппаратурой. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, испарение и конденсация.

Нагревание — повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение — понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Конденсация — сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

Испарение — перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла.

Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания — концентрирования при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем две среды с различными температурами, при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты работы) только от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене тепло, называется теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая при теплообмене тепло, называется холодильным агентом (хладоагентом).

В химической технике приходится осуществлять тепловые процессы при самых различных температурах — от близких к абсолютному нулю до нескольких тысяч градусов. Для каждого конкретного процесса, протекающего в определенном интервале температур, подбираются наиболее подходящие теплоносители и хладоагенты. Выбранные теплоносители и хладоагенты должны быть вполне химически стойкими в рабочих условиях процесса, не давать отложений на стенках аппаратов, не вызывать коррозии аппаратуры и легко транспортироваться по трубам.

Перечень наиболее распространенных в химической технике теплоносителей и хладоагентов с указанием условий их применения приведен в табл. 4.1.

Наиболее распространенные теплоносители (хладоагенты)

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество передаваемого в процессе тепла; от этой величины зависят размеры тепловой аппаратуры. Основным размером теплового аппарата является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена.

Часто в процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые материалы изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденсируются, плавятся или кристаллизуются. Особенности таких процессов теплообмена заключаются в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре и распространяется не в одной, а в двух фазах.

5.4.2. Нагревание

Нагревание широко применяется в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и химических превращений. В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяются разнообразные методы нагревания. Для каждого конкретного процесса приходится выбирать наиболее оправданный в технологическом и экономическом отношении метод нагревания.

Наибольшее распространение в химической технике получили следующие методы нагревания: водяным паром, топочными газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.

НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар при абсолютных давлениях до 10—12 ат. Использование пара большего давления требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, что, как правило, экономически не оправдывается. Соответственно абсолютному давлению 10—12 ат нагревание насыщенным водяным паром ограничено температурой —180°С. В процессе нагре­вания насыщенный пар конденсируется, выделяя при этом тепло, равное теплоте испарения жидкости.

Довольно широкому распространению способа нагревания водяным паром способствовали преимущества этого метода обогрева, а именно:

1) большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы водяного пара (539—476 ккал на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 1—12 ат);

2) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре.

Нагревание «острым» паром.При нагревании «острым» паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость; конденсируясь, он отдает тепло нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью.

Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер — трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 4.18)

(7.1)

При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом — водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание «глухим» паром.Если нагреваемая жидкость взаимодействует с водой, контакт между ними недопустим или нельзя разбавлять нагреваемую жидкость, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, со змеевиками и т. д.

Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата может быть принята с достаточной точностью равной температуре насыщенного греющего пара.

Источник

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Общая характеристика тепловых процессов

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов – теплообменными.

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и частный случай испарения – выпаривание.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем две среды с различными температурами; при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой (называемой теплоносителем) к среде с более низкой температурой (наз. хладоагентом или холодильным агентом). Часто оба тела, участвующие в теплообмене, называют просто теплоносителями, соответственно горячий и холодный теплоноситель.

Одним из важнейших и экономических факторов большинства химических производств является температура. Поддержание в аппаратах требуемой температуры почти всегда сопряжено с необходимостью подвода или отвода тепла – с целью нагревания или охлаждения обрабатываемых веществ.

Нагревание – повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение – понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Конденсация – сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

Испарение – перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла.

Перенос тепла возможен тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Каждый из этих способов омет свой закономерности, составляющие предмет теории теплопередачи.

Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении и имеющими различные температуры. При этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения, их перемещения не происходит. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких слоях жидкостей и газов.

Конвекцией называют процесс переноса тепла вследствие движения или перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловым излучением или лучистым теплообменом называется процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн, сопровождающийся превращением тепловой энергии в лучистую и обратно из лучистой в тепловую. Этот вид теплообмена возможен между телами любого агрегатного состояния как удаленными друг от друга, так и соприкасающимися.

На практике перечисленные способы теплообмена редко встречаются в обособленном виде. Чаще всего приходится иметь дело с сочетанием двух или даже всех трех способов при их последовательном или одновременном действии, т. е. происходит сложный теплообмен.

Условимся в дальнейшем различать два случая теплообмена: теплоотдачу и теплопередачу.

Теплоотдачей называют процесс теплообмена между твердым телом (напр. стенкой аппарата) и соприкасающейся с ней жидкостью или газом.

Теплопередачей наз. теплообмен м/у средами (жидкостями, газами, м/у жидкостью и газом) через разделяющую стенку.

Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени наз. тепловой нагрузкой или тепловым потоком Q.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности от одного тела к другому, наз. удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока.

; .

Основная характеристика любого теплового процесса – количество передаваемого тепла: от этой величины зависят размеры теплообменных аппаратов. Основным размером теплообменного аппарата является теплопередающая поверхность (поверхность теплообмена).

Расчет теплообменной аппаратуры сводится к:

1. определение теплового потока путем составления и решения тепловых балансов.

2. определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. F находят из основного уравнения теплопередачи.

Тепловой баланс

Температура – это степень нагретости тела. Существует несколько температурных шкал: фаренгейта, Реомюра, Цельсия и Кельвина.

Кипение воды – 212 0 F, 80 0 R, 100 0 С, 373 0 К

Таяние льда – 32 0 F, 0 0 R, 0 0 С, 273 0 К (- 273 0 С, 0 0 К)

Температура в 0 С – t, в 0 К – T

Разность температур выражается в К.

t₁ = 20 0 C; t₂ = 2 0 C; ∆t = 20 – 2 = 18 К.

Теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо подвести к 1 кг или 1 кмолю или 1 м 3 вещества для нагревания его на 1 0 С или 1 К.

В основном пользуются удельной теплоемкостью С.

.

Теплота физических превращений – (т. е. теплота испарения и конденсации), это количество тепла, которое выдерживается или поглощается 1 кг или 1 кмолем или 1 м 3 вещества при изменении агрегатного состояния при данной температуре или данном давлении.

r – удельная теплота парообразования, конденсации или конденсации

Теплосодержание (энтальпия) – это количество тепла, которое содержит в себе 1 кг, 1 кмоль или 1 м 3 вещества при данной температуре или данном давлении.

; c, r, i – величины справочные.

При теплообмене происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя.

I. Внешний метод составления теплового баланса

G, g – соот-но количества горячего и хол. т/нос.

I₁, i₁ – начальная энтальпии гор. и хол.

I₂, i₂ – конечные энтальпии гор. и хол.

Согласно закона сохранения энергии

— приход тепла = расходу.

или можно записать

— количество тепла отданного гор. т/нос-ем.

— количество тепла, сообщенного хол. теплоносителю.

Внутренний метод составления теплового баланса энтальпию представляет через

Можно выделить 2 случаяпри составлении теплового баланса.

§ нагревание, охлаждение (т. е. без изменения агрегатного состояния вещества).

§ конденсация, испарение – т. е. с изменением агрегатного состояния вещества.

1. без изменения агрегатного состояния вещества

Таким образом, при нагревании и охлаждении тепловую нагрузку считают

2. при изменении агрегатного состояния – особенностью таких процессов теплообмена заключается в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре (т. к. процессы конденсации, испарения, плавления или кристаллизации протекают при постоянной температуре).

D – количество пара, кг/с

I, i – теплосодержание пара и конденсата, Дж/кг

Величины I, i_конд, r находят по табл. 56 и 57 П. Р. по t или P_пара (абсолютному).

Основное уравнение теплопередачи

Связь между количеством передаваемого в аппарате тепла и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим уравнением переноса тепла.

Количество тепла передаваемого от одного теплоносителя к другому пропорционально температурному напору, поверхности теплообмена и времени.

Для установившихся процессов

не зависит от ( = соnst).

Для протекания любого теплового процесса необходимо наличие разности температур.

Движущей силой процесса теплопередачи является разность температур м/у горячим и холодным теплоносителем t.

t – тепловой напор, чем выше t, тем выше скорость передачи тепла.

К – коэффициент теплопередачи – количество тепла передаваемого через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре равном единице.

В реальных процессах при движении сред t меняется по длине, поэтому в уравнение теплопередачи входит величина t_ср – средняя разность температур.

Определение средней движущей силы

Движущая сила теплового процесса – разница температур. Поскольку движущая сила меняется вдоль поверхности т/обмена, то в расчетах используют среднюю разность температур. Средняя разность температур зависит от направления движения сред: прямоток, противоток, перекрестный ток или смешанный ток.

Прямоток – параллельное однонаправленное движение ( ).

Противоток – параллельное встречное движение ( ).

Перекрестный ток – движение во взаимно перпендикулярном направлении (

)Смешанные токи – один или оба теплоносителя совершают несколько ходов в аппарате, омывая часть поверхности по схеме прямотока, а другую – по схеме противотока или перекрестного тока.

1.Для прямотока и противотока

и — max и min разность температур на концах теплоносителей.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Если в твердом теле, неподвижной жидкости или газе температура в различных точках неодинакова, то, как показывает опыт, тепло самопроизвольно переносится от участков тела с более высокой температурой к участкам с более

низкой температурой. Такой процесс наз. теплопроводностью. Внутренний механизм явления теплопроводности объясняется на основе молекулярно-кинетических представлений. Перенос энергии (тепла) осуществляется вследствие теплового движения или энергетического взаимодействия между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами), из которых состоит данное тело.

Закон Фурье

На основании опытного изучения процесса распространения тепла в твердых телах Фурье установил основной закон теплопроводности, который гласит:

Количество тепла, передаваемое теплопроводностью через элементарную поверхность перпендикулярную тепловому потоку, за единицу времени прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности и времени .

.

(-) указывает на убыль температуры в направлении переноса тепла, а поскольку , то

.

коэффициент теплопроводности, размерность , показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при температурном градиенте равном 1.

Величина , характеризует способность тел проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры, давления и некоторых других факторов.

При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы, худшими – газы.

Источник