4. Тепловые процессы и аппараты.

4.1 Теплообмен.

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого теплообменного процесса является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу (второй закон термодинамики).

Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Механизмы переноса теплоты:

1. Молекулярный механизм – теплопроводность (тепло переносится за счет беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом).

2. Конвективный механизм (перенос тепла осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости). Различают естественную или свободную конвекцию,

3. Турбулентный механизм (тепло переносится за счет вихрей в турбулентно движущейся жидкости).

4. Тепловое излучение (распространение электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела). Все тела способны излучать и поглощать энергию, таким образом осуществляется лучистый теплообмен.

Теплоотдачей называется процесс переноса теплоты от стенки в ядро потока, или в обратном направлении.

Теплопередачей называется процесс переноса тепла из ядра потока одной фазы в ядро потока другой фазы через разделяющую их границу раздела фаз.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1) Определение теплового потока — количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2) Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизмов передачи тепла и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

Тепловой баланс. Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем (Q₁), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q₂), и некоторая относительно небольшая часть расходуется на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду (Q_п).

Обычно величина Q_п не превышает 35% от тепловой нагрузки. Поэтому часто в расчетах ей пренебрегают и .

Основное уравнение теплопередачи

Основное уравнение теплопередачи выражает общую зависимость для процессов теплопередачи, выражающее связь между тепловым потоком Q’ и поверхностью теплообмена F:

Q’ = KFt_ср

K — коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; t_ср — средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередчи, или температурный напор;  — время.

Физический смысл уравнения: количество тепла, передаваемое от более нагретого к менее нагретому теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору t_ср и времени .

Для непрерывных процессов теплообмена:

Q = Q’/ = KFt_ср

Отсюда коэффициент теплопередачи:

K = Q / (Ft) == ккал / (м²∙ч∙град)

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) переходит за 1 секунду от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через поверхность теплообмена 1 м³ при средней разности температур между теплоносителями 1 градус.