Введение

В связи с быстрым развитием новой техники все большее значение в инженерных проработках приобретают вопросы теплообмена. Эффективность и надежность работы перспективных тепловых двигателей, в конечном итоге, определяются надежностью инженерных методов расчета теплообмена. Решение многих задач космической техники, авиационной техники, большой энергетики неразрывно связано с успехами теории теплообмена. На предприятиях пищевой промышленности одним из наиболее распространенных процессов является тепловая обработка продуктов. В зависимости от характера и цели технологического процесса тепловая обработка должна обеспечивать поддержание температуры продукта на определенном уровне, нагревание холодного или охлаждение горячего продукта, замораживание продукта и т.п.

То есть, область тепловых процессов весьма широка, она включает многочисленные и достаточно разнообразные процессы. Объединяет данные процессы в отдельную группу то, что в своем осуществлении и описании они базируются на закономерностях переноса энергии (теплоты). Конечно, и другие химико-технологические процессы используют перенос энергии, но превалирует там перенос иных субстанций (например, вещества). В самом общем плане к тепловым процессам следует относить технологические приемы, основанные на переносе энергии и приводящие к практически важным направленным изменениям состояния рабочих тел.

Таким образом, технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов, теплообменниками.

1 Общие представления о тепловых процессах

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.

Задачи теплообмена весьма разнообразны. В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);

г) кипение жидкостей.

1.1 Механизмы теплопереноса

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

Тепловое излучение – это 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.

Теплопроводность – представляет собой перенос тепла вследствие 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.

Конвекция – это 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 наружным 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.