Курс

«Процессы и аппараты биотехнологии»

Преподаватель:

Орлова Наталья Алексеевна

кандидат технических наук,

доцент кафедры ТГВ ПАХТ

Структура курса.

В общей сложности структуру курса ПАБТ можно представить схемой:

Теоретические основы процессов мы будете изучать в первом модуле, а типовые процессы БТ соответственно в 2,3,4, завершающим этапом нашего курса будет курсовой проект, в котором Вы должны будете воплотить все знания полученные в течении года..

4 лабораторные работы - вес 0,1

Расчетное задание – расчет теплообменников - вес 0,3

2 контрольные работы: на 6 неделе и на 13 неделе - вес 0,1 каждая

Лекция №1

Общие сведения о процессах переноса тепла.

Три способа распространения тепла.

Тепловые балансы.

Тепловое излучение

Теплопроводность плоской и цилиндрической стенок

Теплопередача – наука о самопроизвольном переносе тепла от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой (в узком смысле, теплопередача – это перенос тепла от одной среды к другой через разделяющую их твердую теплопроводящую поверхность).

Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями. Иногда в случае возможности смешения теплоносителей теплопередачу осуществляют непосредственным соприкосновением этих теплоносителей.

Процессы, скорость которых определяется скоростью отвода или подвода тепла, являются тепловыми.

Большое значение ТП объясняется следующим:

1 Серцевиной (основой) любого БТП является химическая реакция, которая протекает с выделением или поглощением тепла, т.е. в соответствии с принципом Ле-Шателье (давайте вспомним, как звучит этот принцип), управление такими процессами сводится к подводу или отводу тепла; например, растворение большинства солей (NaCl) сопровождается поглощением тепла.

2 Стоимостью тепловой энергии. Себестоимость тепловой продукции составляет 20-80%, т.е. характер протекания тепловых процессов оказывает существенное влияние на экономические показатели деятельности предприятий.

Особенности протекания ТП: широкий диапазон температур, в котором должен быть обеспечен подвод тепла; изменение агрегатного состояния вещества (процессы возгонки, конденсации, плавления, испарения).

Особенностью протекания тепловых процессов является широкий диапазон температур, в котором должен быть обеспечен подвод тепла. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение.

Нагревание – повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение – понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Конденсация – сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

Испарение – перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания – концентрирования при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

Самопроизвольный перенос тепла протекает при условии неравенства температур, рассматриваемых в точках пространства или данного тела.

Механизмы теплопереноса

В связи с тем, что перенос теплоты является сложным процессом, его расчленяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: тепловое излучение, теплопроводность, и конвекция.

1. Квантовый уровень – тепловое излучение – перенос тепла с помощью электромагнитных волн, источниками которых являются колебания заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения

2. Молекулярный уровень – теплопроводность – представляет собой перенос тепла вследствии беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

3. Макроуровень – конвекция – называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Возможны любые сочетания из трех указанных элементарных видов теплообмена. Например, передача теплоты от факела горящего топлива к наружном поверхностям стенок труб осуществляется лучеиспусканием, от горячих газов к этим поверхностям – конвективной теплоотдачей, через стенки труб – теплопроводностью, а от внутренних стенок к воде – конвективной теплоотдачей.