Раздел 2. Теплопередача в процессе переработки

Тема 2.1. Теплопроводность.

1. Основные понятия

2. Законы Фурье

3. Характеристическая температура

4. Решение второго закона Фурье для тел различной формы

5. Критерии Фукье и Био.

6. Графические и аналитические способы определения времени теплообмена при теплопроводности

Теплообмен в процессах переработки полимерных материалов

Процессы переработки полимерных материалов: каландрование, экструзия, литьё под давлением, сопровождаются теплообменом перерабатываемого материала, как с технологическим оборудованием: пресс-форма, валки каландра, так и окружающей средой, при охлаждении или нагревании. Теплообмен в процессах переработки полимерных материалов, осуществляется различными способами и происходит по различным механизмам. За счёт теплопроводности, конвекции (конвективного теплообмена), лучистого теплообмена. Движущей силой теплопроводности является возникновение градиента температуры в различных частях перерабатываемого материала.

Конвективный теплообмен связан с движением вблизи поверхности материала потока воздуха или жидкости, имеющего отличную от материала температуру.

Лучистый теплообмен связан с теплообменом за счёт инфракрасных лучей, а так же в случае нагрева токами высокой частоты, электромагнитной энергией искусственных источников. В процессах теплообмена используют несколько постоянных материала: коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплопроводности - зависимость между плотностью теплового потока и, вызвавшем его градиентом температуры.

Коэффициент температуропроводности - скорость выравнивания температуры образца при стационарной теплопроводности.

Определяется как частное от деления коэффициента теплопроводности на теплоёмкость и плотность материала.

Коэффициент теплоотдачи - характеризуется плотностью теплового потока.

При рассмотрении процессов теплообмена, в первую очередь определяют режим переноса тепла, при стационарном режиме температура во всех точках нагреваемого или охлаждаемого тела постоянна.

Перенос тепла по средствам теплопроводности

Перенос тепла по этому механизму теплопередачи осуществляется за счёт различных температур на концах тела, или в его объёме, при этом теплопроводность в стационарном режиме подчиняется первому закону Фурье.

Количество тепла, проходящее через тело, пропорционально градиенту температуры Т, площади поперечного сечения F, продолжительности теплообмена t, и обратно пропорциональна толщине тела 1. Поток тепла идёт от более нагретых участков тела, к менее нагретым, по этому в уравнении "-". Чтобы поменять минус на плюс меняют систему координат, в результате чего начало системы отсчёта образца помещается в середину, или на менее нагретую сторону при нагревании, или более нагретую при охлаждении. Уравнение стационарного теплообмена имеет вид:

X - абсцисса оси координат, вдоль которой происходит передача тепла. Процессы нагревания или охлаждения описывают гораздо более сложными зависимостями, поскольку в ходе теплоотдачи имеет место нестационарный процесс. Рассмотрим пластину из полимерного материала, которая нагревается при помещении образца в сушильный шкаф. При охлаждении горячего изделия:

При описании образца, температура будет изменяться противоположно данной схеме. Температура окружающей среды 20^оС, по этому со временем температура в центре будет понижаться, постепенно доходя до температуры окружающей среды.