4.2.3. Тепловые процессы.

К тепловым относятся такие, которые опреде­ляются переносом энергии в форме теплоты: нагрева­ние, охлаждение, испарение, плавление и др. Они часто сопутствуют другим технологическим процес­сам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа рас­пространения теплоты — теплопроводность, конвективный пе­ренос и тепловое излучение.

Теплопроводность — перенос энергии мо­лекулами, ионами, электронами за счет тепловых колебаний.

Конвективный перенос (конвекция) — процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Различают вынужденную и естественную конвекцию. При вынужденной движение вещества обусловлено действи­ем внешней силы, при естественной - вследствие изменения плотнос­ти жидкости (газа), обусловленного термическим расши­рением.

Тепловое излучение — перенос энергии в форме электромаг­нитных колебаний.

При любом механизме переноса теплоты пере­даваемого тепла пропорционально площади поверхности, разности тем­ператур и коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ной среды — теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теп­лоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (тепло­отдача).

На практике широко применяются следующие разновиднос­ти тепловых процессов: нагревания и охлаждения; выпаривания, испарения, конденсации; искусственного охлаждения; плавление и кристаллизация.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, на­зываемых теплообменниками. Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями (наиболее распространенным является во­дяной пар). Во многих процессах используется нагревание топочными газами (процессы обжига и сушки). Для нагревания в широком диапазоне температур применя­тся электрический нагрев.

Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами (наиболее распространенным является вода).

Выпаривание — процесс удаления растворителя в виде пара из раствора при кипении. Применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования растворов, получения чис­того растворителя.

Испарение — процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или созда­ния иных условий для испарения (например, в методах искусственного охлаждения).

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем ох­лаждения, либо посредством охлаждения и сжатия одновременно.

Процессы искусственного охлаждения применяют при не­которых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделе­нии газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых про­дуктов, кондиционирования воздуха. Искусственное охлаждение связано с переносом теп­ла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Оно достигается следующими методами: испарением низкокипящих жидкостей; расширением газов дросселированием (путем пропускания через устройство, вызывающее сужение потока с последующим его расширением); расширением газа в детандере (устроенном по­добно поршневому насосу или турбокомпрессору); термоэлектрически (элементы Пельтье).

Плавление используется для подготовки полимеров к формованию, металлов и сплавов к литью, стеклянной шихты к варке и др. В практике достаточно часто используют плавление передачей тепла через металлическую стенку, индукцион­ный, высокочастотный нагрев и т.д.

Кристаллизация процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов.