8.2. Основные виды теплообмена

Все процессы переработки нефти и газа связаны с нагреванием или охлаждением материальных потоков, т.е. подводом или отводом тепла. Многие тепловые установки представляют собой теплообменные аппараты, т.е. устройства, в которых одно тело (жидкость, пар или газ) отдает теплоту другому. Работа таких аппаратов во многом зависит от условий, в которых теплота от одного тела или его участка передается к другому. Во всех случаях используется теплоноситель – движущаяся среда, используемая для переноса тепла.

Различают: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность – процесс распространения теплоты внутри тела путем взаимного соприкосновения части, при условии отсутствия перемещения масс. При этом кинетическая энергия хаотического движения молекул более нагретых участков частично передается молекулам менее нагретых участков. Из сказанного можно сделать вывод, что в твердых телах распространение теплоты от более нагретых участков к менее нагретым возможно только теплопроводностью.

Теплопроводность нефтепродуктов зависит от их химического состава, фазового состояния, температуры и давления. Наименьшей теплопроводностью обладают газы и пары, наибольшей – твёрдые нефтепродукты, промежуточное положение занимают жидкости. Теплопроводность углеводородных газов и нефтяных паров в противоположность жидким нефтепродуктам увеличивается с повышением температуры.

Конвективный теплообмен – перенос тепла из одного места в пространстве в другое с перемещающимися объёмами жидкости или газа (теплоносителями). Он пред­ставляет собой теплообмен между твердым телом и жидкостью (или газом), сопровождающийся одновременно теплопроводностью и конвекцией.

Явление теплопроводности в жидкости, как и в твердом теле, полностью определяется свойствами самой жидкости, в частности коэффициентом теплопроводности и градиентом температуры.

В основном конвективный теплообмен происходит при:

• продольном вынужденном течении жидкости, например теплообмен между стенками трубы и жидкостью, текущей но ней;

• поперечном вынужденном обтекании, например теплообмен при смывании жидкостью поперечного пучка труб;

• свободном движении, например тепло­обмен между жидкостью и вертикальной поверхностью, которую она омывает;

• изменении агрегатного состояния, например тепло­обмен между поверхностью и жидкостью, в результате которого жидкость закипает или происходит конденсация ее паров.

Лучистым теплообменом (теплообмен излучением или радиационный обмен) называют процесс передачи теплоты от одного тела к другому в форме лу­чистой энергии (излучением). Он обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучения и поглощением её веществом, предназначенным для нагрева.

Понятие о сложном теплообмене. На практике отдельные виды теплообмена встречаются не изолированно, а в совокупности. Например, в топке печи передача теплоты от раскаленных газов и поверхности топки к наружной поверхности продуктового змеевика происходит одновременно излучением и конвекцией, передача теплоты через стенку змеевика – теплопроводностью и, наконец, теплоотдача от внутренней стенки змеевика жидкости, находящееся в нём, происходит главным образом путем конвекции.

Рассмотрим процесс теплопередачи от одной жидкости к дру­гой, отделенной от первой плоской перегородкой. Теплообмен в этом случае осуществляется: а) конвективно – на границе греющая жидкость – поверхность перегородки; б) теплопроводностью при распространении потока теплоты через перегородку; в) конвективно – на границе поверхности перегородки и нагревающейся жидкости.