Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
курсова / ªãàᮢ  / Davydyuk2013_2_formatA4.doc
Скачиваний:
140
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
2.48 Mб
Скачать

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Процеси, апарати

та устаткування виробництв галузі

Конспект лекцій

Частина ІІ.

теплові процеси

Укладач Ю. М. Давидюк

Чернівці

Чернівецький національний університет

2013

УДК 66.021.1(075.8)

ББК 35.111я73

П 845

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради

Чернівецького національного університету

імені Юрія Федьковича

П

П 845

роцеси, апарати та устаткування виробництв галузі : конспект лекцій / укл. Ю. М. Давидюк. – Чернівці : Чернівецький нац. ун-т, 2013. – Ч. ІІ. Теплові процеси. – 128 с.

Пропоноване видання являє собою конспект лекцій зі змістового модуля «Теплові процеси». Книга сприятиме успішному засвоєнню матеріалу під час самостійної роботи студентів при опрацюванні матеріалу з даної теми.

Для студентів напряму «Біотехнологія».

УДК 66.021.1(075.8)

ББК 35.111я73

 Чернівецький національний

університет, 2013

З м і с т

Лекція 9. Основи теплопередачі 4

Лекція 10. Види теплопередачі 23

Лекція 11. Нагрівання й охолодження у виробничих умовах 42

Лекція 12. Випарювання 72

Лекція 13. Холодильні процеси 103

Список літератури 124

Лекція 9 Основи теплопередачі

1. Основні поняття теплообміну.

2. Передача тепла теплопровідністю.

3. Конвективний теплообмін.

1. Поняття теплообміну та теплового балансу

Теплообміном називається процес перенесення енергії у формі тепла, що відбувається між тілами, які мають різну температуру. Рушійною силою будь-якого процесу теплообміну є різниця температур більш нагрітого та менш нагрітого тіла. Відповідно до другого закону термодинаміки тепло мимовільно переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Теплообмін між тілами є обміном енергією між молекулами, атомами та вільними електронами; у результаті теплообміну інтенсивність руху частинок нагрітішого тіла знижується, а менш нагрітого – зростає.

Тіла, які беруть участь у теплообміні, називаються теплоносіями.

Теплопередача – наука про процеси поширення тепла. Закони теплопередачі лежать у основі теплових процесів – нагрівання, охолодження, конденсації парів, випарювання – і мають велике значення для проведення багатьох масообмінних (перегонка, сушіння тощо), а також біохімічних процесів, що проходять з підведенням або відведенням тепла.

Теплопровідність – перенесення тепла внаслідок хаотичного (теплового) руху мікрочастинок, що безпосередньо дотикаються одна до одної. Цей рух може бути або рухом самих молекул (гази, крапельні рідини), або коливанням атомів (у кристалічній гратці), або дифузією вільних електронів (у металах). У твердих тілах теплопровідність є зазвичай основним видом поширення тепла.

Конвекція – перенесення тепла внаслідок руху та перемішування макроскопічних об’ємів газу або рідини.

Перенесення тепла можливе за умов природної, або вільної, конвекції, зумовленої різницею густин у різних точках об’єму рідини (газу), що виникає внаслідок різниці температур у цих точках або за умов вимушеної конвекції під час примусового руху усього об’єму рідини, наприклад у випадку перемішування її мішалкою.

Теплове випромінювання – процес поширення електромагнітних коливань з різною довжиною хвилі, зумовлений тепловим рухом атомів або молекул тіла, що випромінює. Усі тіла здатні випромінювати енергію, яка поглинається іншими тілами і знову перетворюється на тепло. Отже, здійснюється променевий теплообмін; він складається з процесів випромінювання та поглинання променів.

У реальних умовах тепло передається комбінованим шляхом. Наприклад, під час теплообміну між твердою стінкою та газовим середовищем тепло передається одночасно конвекцією, теплопровідністю та випромінюванням. Перенесення тепла від стінки до газоподібного (рідкого) середовища або у зворотньому напрямку називається тепловіддачею.

Ще складнішим є процес передачі тепла від більш нагрітої до менш нагрітої рідини через розділяючу поверхню або тверду стінку. Такий процес називають теплопередачею. У процесі теплопередачі перенесення тепла конвекцією супроводжується теплопровідністю та теплообміном випромінюванням. Проте у конкретних умовах зазвичай переважає один із видів поширення тепла.

У неперервно діючих апаратах температури у різних точках не змінюються у часі і процеси теплообміну є усталеними (стаціонарними). У періодично діючих апаратах, де температури змінюються у часі (під час нагрівання або охолодження), здійснюються неусталені (нестаціонарні) процеси теплообміну.

Розрахунок теплообмінної апаратури включає:

1. Визначення теплового потоку (теплового навантаження апарата), тобто тепла Q, яке має бути передано за певний час (у неперервно діючих апаратах – за 1 с або 1 год, у періодично діючих – за одну операцію) від одного теплоносія до іншого. Тепловий потік розраховується через складання та розв’язання теплових балансів.

2. Визначення поверхні теплообміну F апарата, що забезпечує передачу необхідної кількості тепла протягом заданого часу. Величина поверхні теплообміну визначається швидкістю теплопередачі, яка залежить від механізму передачі тепла. Поверхню теплообміну знаходять із основного рівняння теплопередачі.

Під час теплопередачі тепло, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q1), витрачається на нагрівання холоднішого теплоносія (Q2), і деяка відносно невелика частина тепла витрачається на компенсацію втрат тепла апаратом у навколишнє середовище (Qвтр):

Q = Q1 = Q2 + Qвтр.

Зазвичай величина Qвтр у теплообмінних апаратах не перевищує 3-5% від корисно використовуваного тепла, тому нею можна знехтувати. Тоді тепловий баланс виражається рівнянням:

Q = Q1 = Q2.

Нехай масова витрата нагрітішого теплоносія складає G1, його ентальпія на вході в апарат І1п і на виході з апарату І. Відповідно витрата холоднішого теплоносія – G2, його початкова ентальпія І2п і кінцева І. Тоді рівняння теплового балансу матиме вигляд:

Q = G1 (І1пІ) = G2 (І2пІ). (9.1)

Якщо теплообмін відбувається без зміни агрегатного стану теплоносіїв, то ентальпії останніх дорівнюють добутку теплоємності с на температуру t:

І1п = с1пt1п; І = сt;

І2п = с2пt2п; І = сt.

Величини с1п та ссередні питомі теплоємності нагрітішого теплоносія у межах зміни температур від 0 до t1п на вході до апарату та до t – на виході відповідно. Аналогічно для величин с2п та с. У першому наближенні замість середніх питомих теплоємностей у вираз для ентальпій можна підставити істинні питомі теплоємності, що відповідають середньоарифметичній температурі під час зміни від 0 до t.

Зазвичай для розрахунків значення ентальпії знаходять з теплових та ентропійних діаграм і довідникових таблиць.

Якщо теплообмін відбувається зі зміною агрегатного стану теплоносія (конденсація пари, випаровування рідини тощо), то у тепловому балансі має бути враховане тепло, що виділяється у цьому перетворенні.

Добуток витрати теплоносія на його середню питому теплоємність умовно називають водним еквівалентом W. Числове значення W визначає масу води, яка за своєю тепоємністю еквівалентна кількості тепла, необхідного для нагрівання даного теплоносія на 1°С, за заданої його витрати. Тоді рівняння теплового балансу спрощено можна записати так:

Q = G1 c1 (t1пt) = G2 c2 (t2пt); (9.2)

Q = W1 (t1пt1к) = W2 (t2пt2к). (9.3)

Загальна кінетична залежність для процесів теплопередачі, що виражає зв’язок між тепловим потоком Q’ і поверхнею теплообміну F, називається основним рівнянням теплопередачі:

, (9.4)

де Kкоефіцієнт теплопередачі, що визначає середню швидкість передачі тепла вздовж усієї поверхні теплообміну;

Δt – середня різниця температур між теплоносіями, що визначає середню рушійну силу процесу теплопередачі, або температурний напір;

τ – час.

Згідно рівняння (9.4) кількість тепла, що передається від нагрітішого до холоднішого теплоносія, пропорційна поверхні теплообміну, середньому температурному напору та часу.

Для неперервних процесів теплообміну рівняння теплопередачі має вигляд:

, (9.5)

З рівняння (9.4) випливають одиниця вимірювання та фізичний зміст коефіцієнта теплопередачі

,

або, якщо виразити Q у ккал/год:

;

.

Отже, коефіцієнт теплопередачі показує, яка кількість тепла (у Дж) переходить за 1 с від більш нагрітого до холоднішого теплоносія через поверхню теплообміну 1 м2 при середній різниці температур між теплоносіями, що дорівнює 1 K.

До числа основних задач теплообміну належить визначення залежності між тепловим потоком і поширенням температур у середовищах. Як відомо, сукупність миттєвих значень будь-якої величини у всіх точках даного середовища (тіла) називається полем цієї величини. Відповідно сукупність значень температур у даний момент часу для усіх точок розглядуваного середовища називається температурним полем.

У найзагальнішому випадку температура у даній точці t залежить від координат точки та змінюється у часі, тобто температурне поле виражається функцією виду:

. (9.6)

Ця залежність є рівнянням неусталеного (нестаціонарного) температурного поля.

У частковому випадку температура є функцією тільки просторових координат:

. (9.7)

і температурне поле – усталене (стаціонарне).

На відміну від температури, що є скаляром, тепловий потік, пов’язаний з напрямком перенесення тепла, є векторною величиною.

Якщо розсікти тіло площиною та з’єднати точки, що лежать у цій площині і мають однакові температури, то отримаємо лінії постійних температур – ізотерми. У просторі геометричне місце точок з однаковими температурами є ізотермічною поверхнею. Такі поверхні ніколи не перетинаються (рис. 9.1).

Нехай різниця температур між двома ближчими ізотермічними поверхнями складає Δt. Найкоротшою відстанню між цими поверхнями є відстань по нормалі Δn. Зі зближенням вказаних поверхонь відношення Δt/Δn прямує до граничного значення:

. (9.8)

Похідна температури по нормалі до ізотермічної поверхні називається температурним градієнтом. Цей градієнт є вектором, напрямок якого відповідає підвищенню температури. Значення температурного градієнта визначає найвищу швидкість зміни температури у даній точці температурного поля.

Рис. 9.1. До визначення температурного градієнта до виразу закону Фур’є

Потік тепла може виникнути лише за умови, що температурний градієнт не дорівнює нулю. Переміщення тепла завжди відбувається по лінії температурного градієнта, але спрямоване у бік, протилежний до цього градієнта. Отже, перенесення тепла відбувається у бік зменшення температури і пропорційне до температурного градієнта з оберненим знаком.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.