Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни.

II. Теплообмен при непосредственном контакте газа (жидкости) с твердым зернистым материалом

подразделяют в зависимости от состояния слоя этого материала: он может быть неподвижным, движущимся и псевдоожиженным.

Система твердые частицы (неподвижные) – газ. Процесс теплообмена состоит из переноса теплоты из сплошной фазы теплоносителя к поверхности частиц материала (внешняя теплоотдача) и переноса теплоты внутри частиц.

Теплоотдача при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала зависит от:

- размера и формы частиц;

- пористости слоя;

- физических свойств теплоносителя и др.

Предложен ряд зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи

.                                       (70)

Здесь A, n₁, n₂ – экспериментальные данные, при разных значениях Re_м они разные (Re_м – модифицированный критерий Рейнольдса).

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее.

Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом характеризуется критерием Био

,                                                (71)

Здесь a – коэффициент теплоотдачи внешний фазы; l – характерный линейный (размер для шара l = R); l₃ – теплопроводность твердого материала.

При малых значениях B_i – основное сопротивление во внешней фазе; при больших значениях B_i - основное сопротивление внутри твердой фазы.

Для первого случая расчет теплообмена можно проводить по формуле (70). Для второго – материалы в специальной литературе [3].

Теплопередача  в  движущемся  слое  зернистого  материала.

Основное отличие движущегося плотного слоя от неподвижного – это увеличение его порозности, особенно у стенок аппарата.

Лимитирующей стадией теплопереноса в движущемся слое является внешняя теплоотдача. Коэффициент теплоотдачи внешней фазы ниже,
чем в случае неподвижного слоя.

Теплообмен в псевдоожиженном слое.

Благодаря большой поверхности твердых частиц теплообмен в псевдоожиженном слое протекает очень интенсивно. Расчет затруднен из-за невозможности определения истинной поверхности и действительной разности температур между твердыми частицами и газом (жидкостью).

Обработка опытных данных критериальная: например, для переноса тепла от среды к частице предлагается зависимость

,                                     (72)

где  0,4 < e < 0,8.

В аппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды a увеличивается и достигает a_max, затем начинает уменьшаться. Обычно максимальное значение a достигается при скорости сплошной фазы, превышающей примерно в 2 раза скорости начала псевдоожижения.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются процессы кондуктивного и конвективного теплообмена?

2. Напишите уравнения кондуктивного и конвективного теплообмена для плоской стенки.

3. Напишите уравнение теплопроводности для многослойной цилиндрической стенки.

4. Чем отличаются теплообменные задачи в изотермической
и неизотермической постановке?

5. Дайте определение гидродинамического и теплового пограничного слоев. Какой вид будут они иметь для плоской пластины?

6. Какие допущения принимаются для получения уравнений гидродинамического и теплового пограничных слоев на плоскости пластины?

7. Чем отличаются ламинарные гидродинамические и тепловые пограничные слои от турбулентных?

8. Почему и как меняется локальный коэффициент теплоотдачи
по длине горизонтальной пластины для турбулентного пограничного слоя?

9. Дайте для горизонтальной круглой трубы определение начальных участков гидродинамической и тепловой стабилизации.

10. Для круглой трубы в области стабилизированного теплообмена локальный коэффициент теплоотдачи равен предельному a_пр = 3,66l/d
или Νu_пр = 3,66. Почему?

11. Как влияет на теплообмен изменение теплофизических характеристик теплоносителя?

12. В чем заключается механизм переноса тепла при конденсации пара?

13. В чем заключается механизм конденсации паровых смесей
и парогазовых смесей?

14. В чем специфика теплообмена при изменении фазового состояния теплоносителя?

15. Почему коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении жидкости меньше, чем при пузырчатом?

16. В каких случаях необходимо учитывать перенос тепла излучением?

17. Сформулируйте определение абсолютно черного, абсолютно белого и серого тепла.

18. Как определить коэффициент теплоотдачи за счет излучения
от твердой стенки к газу?

19. Как определить количество теплоты, переходящее от более нагретого тепла к менее нагретому, вследствие теплового излучения?

20. В чем заключается задача оптимизации теплообмена
в теплообменниках?

21. Каковы способы интенсификации теплообмена?

22. Что понимают под критическим температурным напором при кипении?

23. В каких случаях применяется физическое моделирование теплообмена и в чем его суть?