Енергетичний (теплової) баланс

6.3. Математичні моделі, засновані на фундаментальних законах

6.3.2. Енергетичний (теплової) баланс

Енергетичний баланс - це конкретне вираження закону збереження енергії. З теплового балансу і рівняння теплопередачі визначають, зокрема, поверхня апарату, необхідну для відводу тепла. Тепловий баланс технологічного апарату має вигляд:

де - тепловий потік, що входить в систему; - тепловий потік, що відводиться із системи. позначимо:

Q1 - тепло, що віддається теплоносієм або відбирається хладоагентом; Q2 - тепло, що вноситься з реакційної масою; Q3 - тепловий ефект процесу; Q4 - тепло, що відводиться з апарату з реакційної масою; Q5 - тепло, що витрачається на нагрівання матеріалу апарату (враховується тільки для апаратів періодичної дії); Q6 - втрати.

При енергетичних розрахунках Q2 і Q4 визначаються за формулою:

де G - маса речовини, кг; c - теплоємність, кДж / (кг (К); t - температура, К (маса речовини G визначається з рівняння матеріального балансу).

Тепловий ефект Q3 процесу розраховують виходячи із закону Гесса.

де - сума теплот утворення вихідних речовин, - сума теплот утворення продуктів реакції.

Теплоту, що витрачається на нагрівання апарату, розраховують тільки для апаратів періодичної дії за формулою:

де G - маса апарату, кг; c - теплоємність конструкційний матеріал апарату кДж / (кг К); tн, tк - початкова і кінцева температура, К.

Втрати тепла в навколишнє середовище знаходять за формулою

де F - поверхня теплообміну, м2; (- коефіцієнт тепловіддачі. Вт / (м (К); (t - різниця температур стінки апарату і навколишнього середовища життє.

Таким чином, визначивши необхідну кількість переданого тепла по рівнянню теплопередачі, розраховують необхідну поверхню теплообміну

де K - коефіцієнт теплопередачі, Вт / (м2 (К); F - поверхня теплообміну, м2; (t - різниця температур теплоносія і середовища життє, К; - час, с.

Коефіцієнт теплопередачі K визначається за відомою формулою

де (- товщина стінки, м; - коефіцієнт теплопровідності стінки, Вт / (м2 К); 1 і 2 - відповідно коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до стінки і від стінки до робочої рідини, Вт / (м (К).

Розрахунок теплового балансу неможливий без довідкової інформації, яка не завжди доступна і не завжди достовірна (коефіцієнти тепловіддачі і теплопередачі, теплоємності вихідних речовин і продуктів). Здійснити його заздалегідь, до визначення розмірів партій товарів, конструкцій апаратів і їх обсягів практично неможливо. Іншими словами, розрахунок теплового балансу, як правило, є повірочним, його результатом є відповідь на питання: чи достатня поверхню теплообміну обраного апарату для забезпечення необхідних теплових потоків. Більш обгрунтовано вибирати конструкцію ємнісного апарату із пристроєм, що в частині поверхні теплообмінних пристроїв дозволяє наявність інформації про питомі теплових потоках (Дж / С / кг маси), які забезпечують оптимальний температурний режим реалізації технологічних стадій. Питомі теплові потоки визначають в результаті досліджень технологічних стадій процесів синтезу продуктів на лабораторних і дослідно-промислових установках.