Розділ і

ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

1.1. Загальна характеристика

Технологічні процеси, швидкість перебігу яких визначається швидкістю підведення або відведення тепла, називаються тепловими процесами. До теплових процесів відносять нагрівання, охолодження, випарювання і конденсацію. В теорії теплообміну вивчаються процеси розповсюдження тепла в твердих, рідких і газоподібних середовищах. Існує три різних за своєю природою елементарних способи перенесення тепла: теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання.

Теплопровідністю називають процес розповсюдження тепла внаслідок хаотичного руху мікрочастинок, які знаходяться безпосередньо в контакті між собою. Для газів і крапельних рідин – це рух самих молекул, для твердих тіл – коливання атомів в кристалічній решітці, для металів – дифузія вільних атомів. Для твердих тіл теплопровідність є основним видом передачі тепла.

Конвекцією називають процес розповсюдження тепла внаслідок руху і перемішування макроскопічних об’ємів рідини або газу.

Перенесення тепла може відбуватись в умовах природної конвекції, обумовленої різницею густин в різних точках об’єму рідини (газу), що виникає за різниці температур в цих точках, або в умовах вимушеної конвекції під час вимушеного руху усього об’єму рідини (перемішування мішалкою, переміщення насосами та вентиляторами).

Тепловим випромінюванням називають процес розповсюдження тепла у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини, обумовлений тепловим рухом атомів або молекул тіла, яке випромінює тепло. Усі тіла здатні випромінювати енергію, яка поглинається іншими тілами і перетворюється в тепло.

На практиці розповсюдження тепла найчастіше відбувається одночасно двома–трьома вищевказаними способами, тобто відбувається складний теплообмін. Наприклад, у разі теплообміну між твердою стінкою і газовим середовищем тепло передається одночасно конвекцією, теплопровідністю та випромінюванням.

Перенесення тепла від стінки до газоподібного (рідкого) середовища або в зворотному напрямку називається тепловіддачею.

Процес передачі тепла від більш нагрітої рідини (газу) до менш нагрітої через розділювальну стінку називають теплопередачею.

Під час перебігу процесу теплопередачі перенесення тепла конвекцією супроводжується теплопровідністю та тепловим випромінюванням. Однак один з видів розповсюдження тепла є переважаючим в кожному конкретному випадку.

Встановленими (стаціонарними) називають процеси теплообміну, які здійснюються в неперервно діючих апаратах, і температури в різних точках є сталими у часі. У періодично діючих апаратах, де температури змінюються в часі (під час нагрівання та охолодження), здійснюються невстановлені (нестаціонарні) процеси теплообміну.

1.2. Теплові баланси

Під час процесу теплообміну тепло, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q₁) на нагрівання холоднішого теплоносія (Q₂), деяка порівняно невелика частина тепла витрачається на компенсацію втрат тепла апаратом в довкілля (Q_втр). Для теплообмінних апаратів, вкритих тепловою ізоляцією, величина (Q_втр) не перевищує 3–5 % корисно використовуваного тепла, тому під час розрахунків її до уваги не беруть. Тоді тепловий баланс можна записати як

Q = Q₁ = Q₂,

де Q – теплове навантаження апарата.

Рівняння теплового балансу

, (1.1)

де G₁, І_1п, І_1к – відповідно масова витрата більш нагрітого теплоносія і його ентальпія на вході в апарат і на виході з апарата; G₂, І_2п, І_2к – відповідно масова витрата холоднішого теплоносія і його ентальпія на вході в апарат і на виході з апарата.

Якщо теплообмін відбувається без зміни агрегатного стану теплоносіїв, то їхні ентальпії можна визначити так:

; ;

; ,

де с_1п і с_1к – середні питомі теплоємності більш нагрітого теплоносія в межах зміни температур від 0 ^оС до t_1п (на вході в апарат) і до t_1к (на виході з апарата) відповідно; с_2п і с_2к – середні питомі теплоємності холоднішого теплоносія в межах зміни тем­ператур від 0 ^оС до t_2п (на вході в апарат) і до t_2к (на виході з апарата) відповідно.

У першому наближенні замість середніх питомих теплоємностей у вираз ентальпій можна підставляти дійсні питомі теплоємності, значення яких відпові­дають середньоарифметичній температурі. Під час технічних розрахунків величину ентальпії знаходять для заданої температури з теплових та ентропійних діаграм або з довідникових таблиць.

Якщо під час теплообміну відбувається зміна агрегатного стану або він супроводжується тепловими ефектами, то необхідно врахувати тепло, що виділя­ється під час фізичного або хімічного перетворення. Рівняння (1.1) описує тепловий баланс процесу теплообміну, під час якого відбувається конденсація насиченої пари, а І_1п, І_1к є ентальпіями пари та парового конденсату.

У разі використання перегрітої пари рівняння теплового балансу запишеться так:

, (1.2)

де r – питома теплота конденсації, Дж/кг; с_п і с_к – питомі теплоємності пари і конденсату, Дж/(кгград); t_к – температура конденсату на виході з апарата.

Добуток витрати теплоносія G на його середню питому теплоємність с умовно називають водяним еквівалентом W, який чисельно визначає масу води, що за своєю теплоємністю є еквівалентною до кількості тепла, необхідної для нагрівання цього теплоносія на 1 ^оС, за заданої її витрати. Тобто теплоємності рідин (с₁ і с₂), які обмінюються теплом, можна прийняти такими, що не залежать від температури і рівняння теплового балансу запишеться

; (1.3)

, (1.4)

де W₁ і W₂ – водяні еквіваленти нагрітого і холодного теплоносіїв відповідно.