UDŽBENICI UNIVERZITETA U TUZLI MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM TUZLAENSIS Dr. sc. Elvis Ahmetoviü, docent TOPLINSKE OPERACIJE U PROCESNOM INŽENJERSTVU Prvo izdanje Tuzla, 2010. godina TOPLINSKE OPERACIJE U PROCESNOM INŽENJERSTVU Recenzenti: Dr.sc. Midhat Suljkanović, redovni profesor Univerzitet u Tuzli, Tehnološki fakultet Dr.sc. Zdravko Kravanja, redovni profesor Univerzitet u Mariboru, Fakultet za hemiju i hemijsku tehnologiju Izdavač: OFF SET Tuzla Glavni i odgovorni urednik: Dr. sc. Elvis Ahmetović, docent Štampa: OFF SET Tuzla Godina izdanja: 2010. Tiraž: 300 primjeraka ------------------------------------------------CIP - Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i univerzitetska biblioteka Bosne i Hercegovine, Sarajevo 536(075.8) AHMETOVIĆ, Elvis Toplinske operacije u procesnom inženjerstvu / Elvis Ahmetović. - 1. izd. - Tuzla : Off-set, 2010. - 251 str. : ilustr. ; 24 cm Bibliografija: str. 245-248 ; bibliografske i druge bilješke uz tekst ISBN 978-9958-31-015-7 COBISS.BH-ID 18409734 ------------------------------------------------- Odlukom Senata Univerziteta u Tuzli broj 03-7241-6.3/10. od 16.09.2010. godine odobreno je izdavanje i upotreba u nastavi ove knjige kao udžbenika za izučavanje nastavnih predmeta „Toplinske operacije“ i „Toplinske i difuzione operacije“ na Tehnološkom fakultetu Univerziteta u Tuzli. Roditeljima Fatimi i Ramizu Supruzi Mirhi i küerci Lamiji Copyright © 2010. Sva prava zadržava autor. Niti jedan dio udžbenika nije dopušteno kopirati, koristiti ili reprodukovati u bilo kojem obliku ili na bilo koji naþin bez prethodnog dopuštenja autora, osim u sluþajevima kratkih navoda u struþnim i nauþnim þlancima te prikazima u medijima javnog saopštavanja. Oni koji žele da nauþe nikad nisu besposleni. (Monteskje) Informacija poveüava znanje i produbljuje intelekt. (Mamikonor) Živjeti djelotvorno znaþi biti uvijek dobro informiran. (Viner) Najveüi ukras þovjekov je znanje. (Arapska izreka) Nije dovoljno stjecati znanje, veü ga treba i upotrebljavati. (Ciceron) Praksa mora uvijek biti graÿena na dobroj teoriji. (Leonardo da Vinþi) Onaj koji cijeni praksu bez teorijskih osnova sliþan je moreplovcu koji ulazi u brod bez krme i busole neznajuüi kuda se plovi. (Leonardo da Vinþi) Život je vesela igra za one koji misle. (Tenison) Marljivost je majka dobre sreüe. (Servantes) Svaki uspjeh je trijumf upornosti. (Graf) Imaj povjerenja u samoga sebe pa üeš uspjeti. (Gete) PREDGOVOR Toplinske operacije predstavljaju dio tehnoloških (jediniþnih) operacija koje su zastupljene u veüini industrijskih procesa. U njima se vrši prenos topline izmeÿu fluida uslijed postojanja temperaturne razlike. Kako su industrijski procesi veliki potrošaþi toplinske energije jedan od glavnih izazova koji se postavlja pred procesne inženjere je uspostavljanje energetske efikasnosti i održivosti procesa. Da bi se uspješno odgovorilo tom zadatku nužna su prije svega bazna teoretska znanja o prenosu topline kao i primjeni toplinskih operacija u praksi. U skladu sa navedenim, cilj ovog udžbenika je predstaviti bazne mehanizme prenosa topline i toplinske operacije koje obuhvataju izmjenu topline izmeÿu fluida u izmjenjivaþima topline i isparivaþima. Udžbenik je prvenstveno namijenjen studentima Tehnološkog fakulteta Univerziteta u Tuzli kao literatura za nastavne predmete „Toplinske operacije“ i „Toplinske i difuzione operacije“ ili druge predmete u kojima se izuþavaju toplinske operacije. Takoÿer, udžbenik mogu koristiti i studenti srodnih fakulteta, inženjeri koji rade u procesnoj industriji, kao i svi ostali þiji je interes tematika toplinskih operacija. Udžbenik se sastoji od sedam poglavlja, priloga, popisa literature i indeksa pojmova. U prvom poglavlju je dat uvod u toplinske operacije, bazni pojmovi i zakonitosti, te osnove toplinskih operacija. Prenos topline kondukcijom je predmet razmatranja drugog poglavlja, gdje je data definicija temperaturnog polja, gradijenta temperature i Fourierovog zakona. U drugom poglavlju je predstavljen i prenos topline kroz jednoslojnu i višeslojnu ravnu i cilindriþnu stijenku. U treüem poglavlju je obraÿen prenos topline konvekcijom gdje je definiran Newtonov zakon i koeficijent prelaza topline. Konvekcija topline je razraÿena za sluþaj sa i bez promjene faznog stanja fluida. Tematika þetvrtog poglavlja se odnosi na prenos topline radijacijom. U njemu su predstavljene osnove radijacije i bazne zakonitosti, te su razraÿeni razliþiti sluþajevi izmjene topline radijacijom. U petom poglavlju je definiran koncept složenog prenošenja topline (konvekcija-kondukcija-konvekcija) i date su osnove prolaza topline i koncept toplinskih otpora pri prolazu topline kroz ravnu i cilindriþnu stijenku. U šestom poglavlju data je definicija izmjenjivaþa topline i predstavljeni su razliþiti naþini izmjene topline izmeÿu fluida u odnosu na njihov kontakt (direktni i indirektni) i smjer strujanja (istosmjerno, protusmjerno i unakrsno). Obraÿeni su izmjenjivaþi sa indirektnim i direktnim kontaktom fluida. Nakon toga su date osnove primjene izmjenjivaþa topline u prehrambenoj industriji. Sedmo poglavlje obraÿuje osnovne karakteristike procesa isparavanja i tipove isparivaþa. Prikazane su osnove jednostepenog i višestepenog isparavanja sa razliþitim naþinima napajanja isparivaþa i predgrijavanja pojnog toka otopine. Pored višestepenog isparavanja predstavljeni su sistemi mehaniþke i termiþke rekompresije sekundarne pare koji se koriste iz razloga racionalizacije energije u procesu isparavanja. U prvih pet poglavlja date su osnove mehanizama prenosa i prolaza topline, dok su u šestom i sedmom poglavlju obraÿene osnovne toplinske operacije koje obuhvataju izmjenu topline izmeÿu fluida u izmjenjivaþima i isparivaþima. Iz razloga boljeg razumijevanja gradiva nakon prikaza teoretskog dijela i adekvatnih relacija u poglavljima su dati ilustrativni primjeri sa rješenjima. Rješavanje odreÿenog broja primjera zahtijeva primjenu raþunara. Cilj takvih primjera je da studenti shvate veoma važnu ulogu raþunara pri rješavanju inženjerskih problema koji su uglavnom nelinearne prirode i u veüini sluþajeva se ne mogu riješiti bez primjene raþunara. Na kraju poglavlja dat je i odreÿeni broj neriješenih zadataka za vježbu koje studenti mogu samostalno ili timski rješavati. U prilozima su predstavljeni sistemi mjernih jedninica, te podaci za fiziþke osobine razliþitih vrsta fluida, þvrstih materija i otopina koji su neophodni pri rješavanju inženjerskih zadataka. Posebnu zahvalnost dugujem recenzentima Prof. dr. Midhatu Suljkanoviüu sa Tehnološkog fakulteta Univerziteta u Tuzli i Prof. dr. Zdravku Kravanji sa Fakulteta za hemiju i hemijsku tehnologiju Univerziteta u Mariboru na pruženoj podržci i korisnim savjetima pri pisanju udžbenika. Siguran sam da se sadržaj udžbenika može poboljšati, te se unaprijed zahvaljujem svima onima koji mogu doprinjeti svojim primjedbama i sugestijama da naredno izdanje bude kvalitetnije. Na kraju, zahvaljujem se roditeljima i porodici bez þije podrške, razumijevanja, i odricanja ovaj posao bi bilo mnogo teže privesti kraju. Tuzla, septembar 2010. godina Elvis Ahmetoviü SADRŽAJ 1. UVOD U TOPLINSKE OPERACIJE 1.1. Koncept tehnološkog procesa i tehnoloških operacija 1.2. Bazni pojmovi i zakonitosti 1.2.1. Zakon o oþuvanju mase 1.2.2. Zakon o oþuvanju energije 1.2.3. Zakon o brzini odvijanja procesa 1.3. Osnove toplinskih operacija 1 1 3 3 4 5 6 2. PRENOS TOPLINE KONDUKCIJOM 2.1. Temperaturno polje 2.2. Gradijent temperature 2.3. Fourierov zakon 2.4. Koeficijent toplinske vodljivosti 2.5. Prenos topline kroz jednoslojnu ravnu stijenku 2.6. Prenos topline kroz višeslojnu ravnu stijenku 2.7. Prenos topline kroz jednoslojnu cilindriþnu stijenku 2.8. Prenos topline kroz višeslojnu cilindriþnu stijenku 2.9. Zadaci za vježbu 11 11 11 12 14 16 22 26 29 33 3. PRENOS TOPLINE KONVEKCIJOM 3.1. Prirodna i prinudna konvekcija 3.2. Newtonov zakon i koeficijent prenosa topline 3.2.1. Primjena teorije sliþnosti na prenos topline 3.2.2. Primjena dimenzionalne analize na prenos topline 3.3. Prenos topline konvekcijom bez promjene faze 3.3.1. Režimi prenosa topline u fluidima 3.3.2. Prenos topline prinudnom konvekcijom 3.3.2.1. Laminarno proticanje u cijevi 3.3.2.2. Turbulentno i prelazno proticanje u cijevi 3.3.2.3. Faktori koji utiþu na prenos topline konvekcijom 3.3.2.3.1. Dužina cijevi 3.3.2.3.2. Temperatura fluida 3.3.2.3.3. Temperatura zida cijevi 3.3.2.3.4. Popreþni presjek cijevi 3.3.2.3.5. Hrapavost cijevi 3.3.2.3.6. Brzina strujanja fluida 3.3.3. Prenos topline prirodnom konvekcijom 3.3.3.1. Prenos topline u horizontalnoj cijevi 3.3.3.2. Prenos topline s horizontalnih i vertikalnih ploþa ili cijevi 3.3.3.3. Uticaj prirodne konvekcije na prenos topline 3.4. Prenos topline konvekcijom sa promjenom faze fluida 3.4.1. Prenos topline pri kondenzaciji pare 37 37 38 40 42 44 44 45 45 47 51 51 52 53 53 53 54 54 56 60 62 62 63 3.4.1.1. Kapljiþasta i filmska kondenzacija 3.4.1.2. Koeficijenti prenosa topline za filmsku kondenzaciju 3.4.1.2.1. Vertikalne cijevi 3.4.1.2.2. Horizontalne cijevi 3.4.1.2.3. Praktiþno korištenje Nusseltove jednaþine 3.4.1.2.4. Kondenzacija pregrijane pare 3.4.1.2.5. Uticaj nekondenzirajuüih gasova 3.4.2. Prenos topline pri kljuþanju teþnosti 3.4.2.1. Kljuþanje zasiüene teþnosti 3.4.2.2. Liedenfrostov efekat 3.5. Zadaci za vježbu 63 65 66 68 69 70 72 73 74 75 78 4. PRENOS TOPLINE RADIJACIJOM 4.1. Uvod 4.2. Toplinsko (temperaturno) zraþenje razliþitih površina tijela 4.3. Apsorpcija, refleksija i propusnost energije zraþenja 4.4. Apsolutno crno tijelo 4.5. Zraþenje obuhvaüenog crnog tijela 4.6. Apsolutno bijelo i propusno tijelo 4.7. Osnovni zakoni 4.7.1. Kirchhoffov zakon 4.7.2. Planckov zakon 4.7.3. Wienov zakon pomaka 4.7.4. Stefan-Boltzmannov zakon 4.8. Izmjena topline zraþenjem izmeÿu dviju paralelnih stijenki 4.9. Izmjena topline zraþenjem s obuhvaüenim tijelom 4.10. Simultani prenos topline konvekcijom i radijacijom 4.11. Zadaci za vježbu 81 81 82 84 84 85 86 86 86 86 87 88 91 94 97 101 5. PROLAZ TOPLINE 5.1. Uvod 5.2. Osnove prolaza topline 5.2.1. Prolaz topline kroz ravnu stijenku 5.2.2. Toplinski otpori pri prolazu topline kroz ravnu stijenku 5.2.3. Prolaz topline kroz cilindriþnu stijenku 5.2.4. Toplinski otpori pri prolazu topline kroz cilindriþnu stijenku 5.3. Zadaci za vježbu 103 103 103 104 108 110 115 116 6. IZMJENA TOPLINE IZMEĈU FLUIDA 6.1. Uvod 6.2. Temperaturna razlika 6.2.1. Istosmjerno i protusmjerno strujanje fluida 6.2.2. Korekcioni faktor srednje temperaturne razlike 6.2.3. Temperaturna razlika pri kondenzaciji pare 119 119 121 121 124 132 6.3. Koliþina prenešene topline 6.4. Koeficijent prolaza topline 6.5. Vrste izmjenjivaþa topline 6.5.1. Indirektni izmjenjivaþi topline 6.5.1.1. Cijevni izmjenjivaþi topline 6.5.1.2. Ploþasti izmjenjivaþi topline 6.5.1.3. Spiralni izmjenjivaþi topline 6.5.1.4. Kaloriferi 6.5.2. Direktni izmjenjivaþi topline 6.5.2.1. Izmjenjivaþ topline za sterilizaciju hrane 6.5.2.2. Izmjenjivaþ topline za kondenzaciju sekundarne pare 6.5.2.3. Izmjenjivaþ topline za hlaÿenje vode s zrakom 6.6. Primjena izmjenjivaþa topline u prehrambenoj industriji 6.7. Zadaci za vježbu 7. ISPARAVANJE 7.1. Osnove procesa isparavanja 7.2. Karakteristike vodenih otopina 7.2.1. Koncentracija i povišenje taþke kljuþanja 7.2.2. Temperaturna osjetljivost 7.2.3. Stvaranje depozita na ogrijevnim površinama 7.2.4. Stvaranje pjene iznad otopine 7.2.5. Izdvajanje kapljica iz otopine 7.3. Dijelovi isparivaþkog sistema 7.4. Podjela i tipovi isparivaþa 7.4.1. Šaržni isparivaþ 7.4.2. Isparivaþ sa prirodnom cirkulacijom 7.4.3. Isparivaþ sa uzlaznim filmom 7.4.4. Isparivaþ sa padajuüim filmom 7.4.5. Isparivaþ sa uzlazno/padajuüim filmom 7.4.6. Isparivaþ sa prinudnom cirkulacijom 7.4.7. Isparivaþ sa razmaznim filmom 7.5. Vrste isparavanja 7.5.1. Jednostepeno isparavanje 7.5.1.1. Materijalni bilans 7.5.1.2. Toplinski bilans 7.5.1.3. Jednaþina prolaza topline 7.5.1.4. Fazna ravnoteža u sistemu 7.5.1.5. Ekonomija pare 7.5.2. Višestepeno isparavanje 7.5.2.1. Proraþun višestepenog isparavanja 7.5.2.2. Ukupna i korisna temperaturna razlika 7.5.2.3. Odreÿivanje optimalnog broja stepeni isparavanja 7.5.2.4. Sistemi napajanja isparivaþa 7.5.2.4.1. Istosmjerno napajanje isparivaþa 135 143 146 146 147 149 153 154 155 155 156 157 158 159 161 161 162 163 166 166 166 166 167 168 169 170 171 171 173 173 174 175 175 177 178 180 183 186 188 189 198 199 200 200 7.5.2.4.2. Protusmjerno napajanje isparivaþa 7.5.2.4.3. Paralelno napajanje isparivaþa 7.5.2.4.4. Kombinovano napajanje isparivaþa 7.5.3. Isparavanje sa rekompresijom pare 7.5.3.1. Termiþka rekompresija pare 7.5.3.2. Mehaniþka rekompresija pare 7.5.4. Predgrijavanje pojnog toka 7.5.4.1. Predgrijavanje pojnog toka pri jednostepenom isparavanju 7.5.4.2. Predgrijavanje pojnog toka pri višestepenom isparavanju 7.6. Zadaci za vježbu 201 201 202 203 203 207 210 210 214 215 PRILOZI P.1. Sistemi mjernih jedinica P.2. Prefiksi i dekadni faktori mjernih jedinica P.3. Konverzioni faktori mjernih jedinica P.4. Osobine fluida, þvrstih materija i otopina 219 219 221 221 224 LITERATURA 245 INDEKS POJMOVA 249
© Copyright 2024 Paperzz
