UDŽBENICI UNIVERZITETA U TUZLI MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM TUZLAENSIS

Dr. sc. Elvis Ahmetovi , 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 k erci 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 na in bez prethodnog dopuštenja autora, osim u slu ajevima kratkih navoda u stru nim i nau nim lancima te prikazima u medijima javnog saopštavanja.

Oni koji žele da nau e nikad nisu besposleni. (Monteskje)

Informacija pove ava znanje i produbljuje intelekt.

(Mamikonor)

Živjeti djelotvorno zna i biti uvijek dobro informiran.

(Viner)

Najve i ukras ovjekov je znanje. (Arapska izreka)

Nije dovoljno stjecati znanje, ve ga treba i upotrebljavati.

(Ciceron)

Praksa mora uvijek biti gra ena na dobroj teoriji. (Leonardo da Vin i)

Onaj koji cijeni praksu bez teorijskih osnova sli an je moreplovcu koji ulazi u brod bez krme i busole neznaju i kuda se plovi. (Leonardo da Vin i) Život je vesela igra za one koji misle. (Tenison) Marljivost je majka dobre sre e. (Servantes) Svaki uspjeh je trijumf upornosti. (Graf) Imaj povjerenja u samoga sebe pa eš uspjeti. (Gete)

PREDGOVOR

Toplinske operacije predstavljaju dio tehnoloških (jedini nih) operacija koje su zastupljene u ve ini industrijskih procesa. U njima se vrši prenos topline izme u fluida uslijed postojanja temperaturne razlike. Kako su industrijski procesi veliki potroša i 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 izme u fluida u izmjenjiva ima topline i ispariva ima. 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 izu avaju toplinske operacije. Tako er, udžbenik mogu koristiti i studenti srodnih fakulteta, inženjeri koji rade u procesnoj industriji, kao i svi ostali iji je interes tematika toplinskih operacija.

Udžbenik se sastoji od sedam poglavlja, priloga, popisa literature i in ed ksa 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 cilindri nu stijenku. U tre em poglavlju je obra en prenos topline konvekcijom gdje je definiran Newtonov zakon i koeficijent prelaza topline. Konvekcija topline je razra ena za slu aj sa i bez promjene faznog stanja fluida. Tematika etvrtog poglavlja se odnosi na prenos topline radijacijom. U njemu su predstavljene osnove radijacije i bazne zakonitosti, te su razra eni razli iti slu ajevi 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 cilindri nu stijenku.

U šestom poglavlju data je definicija izmjenjiva a topline i predstavljeni su razli iti na ini izmjene topline izme u fluida u odnosu na njihov kontakt (direktni i indirektni) i smjer strujanja (istosmjerno, protusmjerno i unakrsno). Obra eni su izmjenjiva i sa indirektnim i direktnim kontaktom fluida. Nakon toga su date osnove primjene izmjenjiva a topline u prehrambenoj industriji.

Sedmo poglavlje obra uje osnovne karakteristike procesa isparavanja i tipove ispariva a. Prikazane su osnove jednostepenog i višestepenog isparavanja sa razli itim na inima napajanja ispariva a i predgrijavanja pojnog toka otopine. Pored višestepenog isparavanja predstavljeni su sistemi mehani ke i termi ke 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 obra ene osnovne toplinske operacije koje obuhvataju izmjenu topline izme u fluida u izmjenjiva ima i ispariva ima. Iz razloga boljeg razumijevanja gradiva nakon prikaza teoretskog dijela i adekvatnih relacija u poglavljima su dati ilustrativni primjeri sa rješenjima. Rješavanje odre enog broja primjera zahtijeva primjenu ra unara. Cilj takvih primjera je da studenti shvate veoma važnu ulogu ra unara pri rješavanju inženjerskih problema koji su uglavnom nelinearne prirode i u ve ini slu ajeva se ne mogu riješiti bez primjene ra unara. Na kraju poglavlja dat je i odre eni broj neriješenih zadataka za vježbu koje studenti mogu samostalno ili timski rješavati. U prilozima su predstavljeni sistemi mjernih jedninica, te podaci za fizi ke osobine razli itih vrsta fluida, vrstih materija i otopina koji su neophodni pri rješavanju inženjerskih zadataka.

Posebnu zahvalnost dugujem recenzentima Prof. dr. Midhatu Suljkanovi u 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 ije podrške, razumijevanja, i odricanja ovaj posao bi bilo mnogo teže privesti kraju. Tuzla, septembar 2010. godina Elvis Ahmetovi

S A D R Ž A J

1. UVOD U TOPLINSKE OPERACIJE 1.1. Koncept tehnološkog procesa i tehnoloških operacija 1.2. Bazni pojmovi i zakonitosti

1.2.1. Zakon o o uvanju mase 1.2.2. Zakon o o uvanju 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 cilindri nu stijenku 2.8. Prenos topline kroz višeslojnu cilindri nu 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 sli nosti 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 uti u 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. Popre ni 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 plo a 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. Kaplji asta 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. Prakti no korištenje Nusseltove jedna ine 3.4.1.2.4. Kondenzacija pregrijane pare 3.4.1.2.5. Uticaj nekondenziraju ih gasova

3.4.2. Prenos topline pri klju anju te nosti 3.4.2.1. Klju anje zasi ene te nosti 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) zra enje razli itih površina tijela 4.3. Apsorpcija, refleksija i propusnost energije zra enja 4.4. Apsolutno crno tijelo 4.5. Zra enje obuhva enog 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 zra enjem izme u dviju paralelnih stijenki 4.9. Izmjena topline zra enjem s obuhva enim 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 cilindri nu stijenku 5.2.4. Toplinski otpori pri prolazu topline kroz cilindri nu stijenku

5.3. Zadaci za vježbu

103 103 103 104 108 110 115 116

6. IZMJENA TOPLINE IZME U 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. Koli ina prenešene topline 6.4. Koeficijent prolaza topline 6.5. Vrste izmjenjiva a topline

6.5.1. Indirektni izmjenjiva i topline 6.5.1.1. Cijevni izmjenjiva i topline 6.5.1.2. Plo asti izmjenjiva i topline 6.5.1.3. Spiralni izmjenjiva i topline 6.5.1.4. Kaloriferi

6.5.2. Direktni izmjenjiva i topline 6.5.2.1. Izmjenjiva topline za sterilizaciju hrane 6.5.2.2. Izmjenjiva topline za kondenzaciju sekundarne pare 6.5.2.3. Izmjenjiva topline za hla enje vode s zrakom

6.6. Primjena izmjenjiva a topline u prehrambenoj industriji 6.7. Zadaci za vježbu

135 143 146 146 147 149 153 154 155 155 156 157 158 159

7. ISPARAVANJE 7.1. Osnove procesa isparavanja 7.2. Karakteristike vodenih otopina

7.2.1. Koncentracija i povišenje ta ke klju anja 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 ispariva kog sistema 7.4. Podjela i tipovi ispariva a

7.4.1. Šaržni ispariva 7.4.2. Ispariva sa prirodnom cirkulacijom 7.4.3. Ispariva sa uzlaznim filmom 7.4.4. Ispariva sa padaju im filmom 7.4.5. Ispariva sa uzlazno/padaju im filmom 7.4.6. Ispariva sa prinudnom cirkulacijom 7.4.7. Ispariva 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. Jedna ina 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. Prora un višestepenog isparavanja 7.5.2.2. Ukupna i korisna temperaturna razlika 7.5.2.3. Odre ivanje optimalnog broja stepeni isparavanja 7.5.2.4. Sistemi napajanja ispariva a

7.5.2.4.1. Istosmjerno napajanje ispariva a

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 ispariva a 7.5.2.4.3. Paralelno napajanje ispariva a 7.5.2.4.4. Kombinovano napajanje ispariva a

7.5.3. Isparavanje sa rekompresijom pare 7.5.3.1. Termi ka rekompresija pare 7.5.3.2. Mehani ka 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, vrstih materija i otopina

219 219 221 221 224

LITERATURA 245

INDEKS POJMOVA 249