2. Общая характеристика тепловых процессов

Под тепловыми процессами и тепловой обработкой понимают нагревание и охлаждение сырья, продуктов, вспомогательных материалов и средств. Можно выделить несколько простых, но широко распространенных на практике тепловых процессов:

• адиабатный – происходящий без теплообмена с окружающей средой;

• изохорный – происходящий при постоянном объеме;

• изобарный – происходящий при постоянном давлении;

• изотермический – происходящий при постоянной температуре;

• изоэнтропийный – при постоянной энтропии;

• изоэнтальпийный – при постоянной энтальпии;

• политропный – при постоянной теплоемкости.

Теплообмен представляет собой перенос энергии в форме теплоты, происходящей между телами, температура которых различна, т.е. теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.

Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

Теплоноситель – движущая среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.

Температурное поле – это совокупность значений температур во всех точках пространства в данный момент времени. Если в температурном поле температура является постоянной, поле наз. стационарным, если не постоянным, то нестационарным.

Геометрическое место точек температурного поля с одинаковой температурой называется изотермической поверхностью. Температура изменяется по нормали к изотермической поверхности, причем .

Предел отношения изменения температуры к расстоянию ( ) между изотермическими поверхностями по нормали называется температурным градиентом.

(1).

Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи

(2)

которое для установившегося процесса имеет вид

(3)

Известны три способа передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры , времени и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока.

(4)

где - коэффициент теплопроводности среды, .

Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона гласит, что количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности и ядра потока (или наоборот) и продолжительности процесса .

(5)

Движущей силой теплового процесса является разность температур. Тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей. Следует отметить, что при теплопередаче от одного теплоносителя к другому перепад температуры не сохраняет своего постоянного значения вдоль поверхности теплообмена, поэтому пользуются средней разностью температур.

Рис. 1 Схема тепловых потерь

Выделим элемент поверхности dF, на которой происходит указанный процесс теплообмена. Количество тепла в единицу времени на элементе dF можно определить формулой.

(6)

В процессе теплообмена температура первого теплоносителя (ГС) понижается на величину:

, (7)

где с₁ – теплоемкость ГС, Дж/кгК, G₁ – масса ГС, кг.

Без учета потерь температура второго теплоносителя (НС) повысится на величину:

, (8)

где с₂ – теплоемкость ГС, Дж/кгК, G₂ – масса ГС, кг.

Вычитая одно из другого двух последних равенств, получаем:

(9)

Сделав подстановку из уравнения (1) в уравнение (4), и, преобразовав его, получим:

(10)

Согласно нашему рисунку, общее количество теплоты в единицу времени, переданное от одного теплоносителя и воспринятое вторым на всей поверхности F, имеет следующее выражение.

(11)

(12)

Осуществляем подстановку уравнений (6) и (7) в уравнение (5), получаем

(13)

Проинтегрировав полученное выражение при условии постоянства коэффициента теплопередачи К, имеем

(14)

Если в числителе произвести перегруппировку, и, согласно чертежу обозначить , а , то получим

, (15)

где - среднелогарифмическая разность температур.

Э то соотношение справедливо как для прямотока, так и для противотока. При перекрестном токе вводится коэффициент Е, который определяется по соответствующим схемам графикам.