Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой в химической технологии имеет большое практическое значение, особенно при теплообмене между движущимся теплоносителем и неподвижным слоем зернистого материала (насадки), а также теплоносителем и псевдоожиженным или кипящим слоем. Такой вид теплообмена сопровождает многие контактно-каталитические и массообменные процессы.
Теплообмен при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала или насадки зависит от формы и размера зерен (элементов насадки), материала насадки, прозрачности слоя, физических свойств теплоносителя, температур теплоносителя и твердой фазы и т.д.
Коэффициенты теплоотдачи от газа к неподвижным частицам зернистого материала (насадки) могут быть рассчитаны по критериальным уравнениям:
при 40 < Re < 200
Nu= 0,1 Re; (7.122)
при 200 < Re < 610
Nu = 0,286 Re0,8, (7.123)
где 
; 
(
– коэффициент теплоотдачи от газа к неподвижным частицам или насадке; 
г – коэффициент теплопроводности газа; d – диаметр зерна или насадочного тела; w – скорость газа, отнесенная к полному сечению аппарата).
Для расчета коэффициента теплоотдачи при движении газа через неподвижную насадку с малой теплопроводностью [ = 0,13÷1,7 Вт/м·К] в области Re = 50–2000 рекомендуется эмпирическое уравнение
Nu = 0,123Re0,83, (7.124)
где 
; 
(d экв – эквивалентный диаметр насадки; W = w ρг – массовая скорость газа).
Аналогично для насадки с высокой теплопроводностью [ = 37÷383 Вт/м·К] в области Re = 50–1770 расчетное уравнение имеет вид
, (7.125)
где н – теплопроводность насадки.
Теплоотдача от псевдоожиженного слоя к поверхности теплообмена (или в обратном направлении) относится к наиболее интенсивному виду теплообмена с зернистыми материалами. Коэффициент теплоотдачи для этого случая теплообмена зависит от свойств зернистого материала, физических свойств и скорости ожижающего агента, а также от расположения и конструкции поверхности теплообмена (поверхности стенок аппарата, труб или других теплообменных элементов, помещенных внутри слоя).
При возрастании скорости ожижающего агента коэффициент теплоотдачи увеличивается, достигает своего максимального значения max, после чего обычно уменьшается, что объясняется возрастающим противоположным действием на теплообмен интенсивности движения частиц около поверхности теплообмена и увеличением порозности слоя ε. Очевидно, что наиболее эффективный теплообмен достигается при максимальных значениях коэффициента теплоотдачи, которым соответствует оптимальная скорость w опт:
. (7.126)
При этом 
.
Рисунок 7.15 – Изменение коэффициента теплоотдачи от поверхности к псевдоожиженному слою с изменением скорости газа
|
В диапазоне от скорости начала псевдоожижения до w опт величина резко возрастает по очень сложной закономерности (рис. 7.15), которую со значительным запасом можно принять линейной. За пределами w опт величина на некотором участке остается неизменной, после чего монотонно падает.
Коэффициент теплоотдачи от несущей газовой среды к твердым частицам в потоке газовзвеси может быть рассчитан по следующим формулам:
В области изменений j = 1¸5; (rт/rг) < 1100;
при 30 < Reг < 480
; (7.127)
при 480 < Reг < 2000
;
в случае 5 < φ <30; 
. (7.128)
В формулах (7.127) и (7.128) φ – относительная массовая концентрация твердых частиц в потоке газовзвеси, кг/кг; ρт – плотность твердых частиц. В качестве определяющего линейного размера принят размер твердых частиц.
Теплоотдача от газового потока к внутренней поверхности труб, заполненных твердыми частицами, описывается критериальным уравнением
; (7.129)
при Reг < 40 с = 1,18·10–3; т = 1,5;
при 40 < Reг < 1200 с = 3,35·10-3; т = 1,2;
при Reг > 1200 с = 2,95·10–2; т = 0,9.
Теплоотдача от жидкостного потока к внутренней поверхности труб, заполненных твердыми частицами:
. (7.130)
Сложная теплоотдача
Разделение общего процесса переноса тепла на элементарные – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение – является лишь методическим приемом. В действительности эти явления протекают одновременно и, естественно, влияют друг на друга. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью или лучеиспусканием; теплопроводность в пористых телах – конвекцией и лучеиспусканием в порах, а лучеиспускание – теплопроводностью и конвекцией.
В практических расчетах разделение таких сложных процессов на элементарные не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат одновременного действия отдельных элементарных процессов приписывают одному из них, которое принимают главным. Влияние же остальных сказывается лишь на величине количественной характеристики основного.
Если теплообмен происходит между твердой стенкой и газообразной средой (например, воздухом), то тепло передается совместно конвекцией и излучением. Такой процесс переноса тепла получил название сложной теплоотдачи. Типичным примером сложной теплоотдачи являются потери тепла стенками аппаратов в окружающую среду.
Количество тепла, отдаваемое стенкой в единицу времени омывающему ее газу, за счет конвективного теплообмена составит 
, а за счет теплового излучения
.
Если ввести обозначения
, (7.131)
где 
– коэффициент теплоотдачи при лучеиспускании, то количество тепла, переданное излучением, выразится равенством
. (7.132)
Общее количество тепла, отданное стенкой в единицу времени, составит:
, (7.133)
либо
,
где 
– приведенный коэффициент теплоотдачи, показывающий, какое количество тепла отдает 1 м2 стенки в окружающую среду в единицу времени при разности температур стенки и среды 1 °С за счет конвективного теплообмена и теплового излучения.
В инженерных расчетах 
часто определяют приближенно по эмпирическим уравнениям. Например, при расчете тепла, теряемого наружной поверхностью аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, в окружающую среду, можно рассчитать, пользуясь уравнением
, (7.134)
где 
– температура наружной поверхности стенки аппарата. Это уравнение применимо в пределах изменения 
50¸350 °С.
Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду аппараты и трубопроводы покрывают слоем тепловой изоляции.
