40

1Телообменные процессы и аппараты.

Тепловая энергия представляет собой кинетическую энергию беспорядочно движущихся частиц. В жидкостях и газах это поступательное, вращательное и колебательное движение микрочастиц. В твердых телах поступательное движение отсутствует. Передача тепловой энергии от более нагретых тел к менее нагретым называется теплообменом. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями. Могут быть горячие и холодные теплоносители.

Количество теплоты, передаваемое в процессе теплообмена за единицу времени называется тепловой нагрузкой или тепловым потоком - ;[ кал ], [ ккал ] - это количество тепла.количество тепла в единицу времени.

Тепловой поток , проходящий через единицу поверхности теплообмена называется удельный тепловой поток либо удельная тепловая нагрузка

.

Температурное поле. Изотермы.

При расчетах теплообменных аппаратов необходимо знать распределение температур по сечению аппарата т.е. температурное поле . Если в температурном поле соединить точки, имеющие одинаковую температуру, то мы получим поверхность уровня, проекция которой на плоскость, называется изотермой , т.е. линией постоянной температуры.

На рис. средняя кривая (изотерма)-t,

верхняя изотерма , кратчайшее расстояние между изотермами (по нормали)-. Вычтем из ()-(t) и отнеся к ; предел этого отношения приназ.градиентом (t) температур.

Поскольку тепло переносится от большей температуры к меньшей, то тепловой поток пропорционален отрицательной величине градиента. Этот градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Величина температурного градиента характеризует наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.

Температурное поле зависит от пространственных координат точки и времени в этом случае осуществляется нестационарный процесс. Эта зависимость представляет собой уравнение нестационарного теплообмена. Если время равно 0 т.е. температурное поле зависит от пространственных координат точки- процесс стационарный. Расчет температурного поля сложный и осуществляется путем интегрирования сложных уравнений.

2. Тепловые балансы.

Если, фазового перехода при нагревании или охлаждении не происходит, то тепловой поток определяется - , [Вт].

Зная, изменение температуры горячего теплоносителя от t₁ до t₂ (охлаждении) можем записать, что. Этот же тепловой поток передается холодному теплоносителю который изменяет температуру от до , можем записать наоборот, т.к. тело нагревается.

Тепловой баланс аппарата записывается: .

Потери тепла в расчетах составляют - 35 % (чаще гораздо больше).

Количество тепла, расходуемое для нагревания и охлаждения теплоносителя можно рассчитать через энтальпию, и тогда.

В том случае, когда теплоноситель меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева или охлаждения следует использовать только энтальпийную форму записи. Разность (энтальпия) обозначается -()-называется удельная теплота фазового перехода или удельная теплота парообразования или конденсации.

- таблицы 56,57(задачник).

Перенос тепла от одного теплоносителя к другому может происходить путем теплопроводности, конвекции и излучения.

1) Теплопроводность - это перенос тепла вследствие теплового движения молекул (это молекулярная диффузия).

В жидкостях и газах - теплопроводность возникает при движении атомов и молекул. В твердых телах - за счет колебательного движения атомов в узлах элементарной решетки.

2) Конвекция - это перенос тепла струями движущейся жидкости или газа. Если конвекция обусловлена разностью плоскостей, возникающих в точках с разной температурой, наблюдается естественная конвекция.

Конвективный перенос, осуществляемый с помощью насосов либо вентиляторов называется вынужденной конвекцией (когда струйки созданы искусственно).

3) Излучение - передается путем электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Тепловой поток при излучение зависит от четвертой степени температуры. Обычно перенос тепла осуществляется комбинированно, когда имеют место и теплопроводность, и конвекция, и излучение. Такой сложный процесс называется - теплопередача .

Теплопроводность - диффузионный перенос количества тепла, в следствии движения молекул, (аналог переноса электрического тока). Симбатные свойства (подобные), которые описываются одними и теми же уравнениями.

Количество тепла передаваемое через поверхность перпендикулярную тепловому потоку прямо пропорционально градиенту температур - закон Фурье.

где : -тепловой поток,

-элементарная поверхность теплообмена,

-время протекания процесса,

-градиент температур.

Удельный тепловой поток пропорционален градиенту температур.

В этих уравнениях -коэффициент теплопроводности.

В уравнении Фурье коэффициент теплопроводности () показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Величина, характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Знак (-) в уравнение Фурье стоит так как тепловой поток и градиент температур направлены в противоположные стороны (то есть тепло перемещается в сторону падения температуры). При обычных температурах и давлении лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими - газы.

Теплопроводность газов меньше чем у капельных жидкостей.

При нагревании газов увеличивается,жидкостей - уменьшается. У металлов теплопроводность наиболее высокая.

Увлажнение пористых материалов вызывает рост величины вследствие вытеснения воздуха водой, отличающихся более высокой теплопроводностью. При этомвлажного материала часто превышает значениядля сухого материала и воды в отдельности.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов близок к газам. Это объясняется пористой структурой материалов. В порах содержится воздух. Важное значение имеет критический радиус пор, чем больше размер пор, тем большую долю теплового переноса занимает конвекция, снижая тем самым теплоизоляционные свойства.