3. Тепловий (енергетичний) баланс процесу

Заключається у визначенні витрат тепла на проведення процесу і кількості теплоносіїв, з якими тепло підводиться до системи або відводиться з неї.

Складання теплового балансу ґрунтується на законі збереження енергії, згідно з яким кількість тепла, що надходить в системі, дорівнює кількості тепла, що відводиться із системи.

де Qi i Qi״ – - фізичне тепло, що вноситься в с систему або виноситься із неї і-им матеріальним потоком (ентальпія потоку)

Q_p - тепловий ефект екзотермічної (+) або ендотермічної (-) реакції;

Q_т/- - тепло, що підводиться в системі (+) або відводиться з неї (-)

через теплообмінну поверхню;

Q_втр - тепло, що втрачається внаслідок теплообміну між системою і

навколишнім середовищем.

Ентальпія матеріального потоку визначається за рівнянням Q_і=G_i·Ii, де Ii – питома ентальпія речовини, тобто кількість тепла, яке необхідне затратити, щоб перевести 1 кг речовини із стандартного стану при ^оС в даний стан при даній температурі, кДж/кг.

Якщо речовина не змінює фазового стану при нагріванні від 0 до t^oC, то I = ct, де С – питома теплоємкість речовини, кдж/кг·град.

Якщо ж речовина змінює фазовий стан в інтервалі 0 - t^oC, то питома ентальпія враховує також теплоту фазових перетворень (плавлення, випаровування).

Наприклад, ситальнія водяної пари при температурі t^оС

i = τ_o+c_n t_n

де τ_o - питома теплота випарення води при 0^оС, кДж/кг;

c_n - питома теплоємкість водяної пари, кДж/кг∙град.

Тепловий ефект хімічних реакцій

де ∆G_i - маса і-го компонента, що утворилась або зникла в насадок

реакції;

µ_i - молекулярна маса і-го компонента;

q_i - тепловий ефект реакції, кДж/кмоль.

Кількість тепла, що підводиться в систему або возводиться з неї через теплообміну поверхню визначається по рівнянню теплопередачі

Q_Т/О = К ∆ t F

де К - коефіцієнт теплопередачі, вт/м²∙град;

∆t - різниця температур теплоносія і суміщі речовин в системі, град;

F - поверхня теплопередачі, м².

4. Визначення швидкості процесу

Швидкістю тепло-масообмінних процесів називають кількість тепла або речовин, що передається із одної фази в іншу за одиницю часу через одиницю поверхні контакту фаз:

Швидкість будь-якого процесу прямо пропорційна рушійній силі процесу і обернено пропорційна спротиву системи.

Наприклад, швидкість переносу тепла

де ∆t - різниця температур в точках, між якими відбувається перенос тепла;

R_t - термічний опір системи між цими точками.

Швидкість переносу речовини (маса)

де ∆C - різниця концентрацій речовини між двома точками системи;

R_диф - спротив системи процесу дифузії.

Наведені закони аналогічні закону Ома

де ∆И - різниця потенціалів між двома точками провідника;

R_ел - спротив електричний провідника.

Величина, обернено пропорційна супротив у системі, називається коефіцієнтом швидкості процесу:

З урахуванням цього рівняння швидкості переносу тепла в даній точці може бути записано в формі:

q_{т =} K_т ∆t i q_{м =} K_м ∆С

Кількість тепла або маси, що переноситься через всю поверхню контакту фаз F за одиницю часу, становить:

Q=^K_т Δt_cрF μ=K_м ΔС_срF

Рівняння теплопередачі і масопередачі зв'язують продуктивність системи (апарату) з її розмірами.