ЛЕКЦИЯ № 13

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1. Способы передачи тепла.

   1. Теплопроводность.

   2. Конвекция.

   3. Тепловое излучение.

2. Источники тепла, теплоносители.

   1. Прямые теплоносители

• Топочные газы

• Электроэнергия

1. Промежуточные теплоносители.

• Охлаждающие агенты

• Нагревающие агенты

3. Теплообменники.

3.1. Классификация теплообменников

4. Перспективы исследования теплообменных процессов.

Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми. К ним относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей) и др. Тепловые процессы широко распространены в фармацевтическом производстве. Они протекают при различных температурах. Самопроизвольно (без затраты энергии) тепло может передаваться только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплообмена. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

1. Способы передачи тепла.

Передача тепла от одного тела к другому может осуществляться 3 способами:

1. теплопроводностью,

2. конвекцией,

3. тепловым излучением.

1. Теплопроводность.

Теплопроводность – это процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении. При этом тепловая энергия передается от одной частицы к другой вследствие их колебательного движения, без перемещения друг относительно друга. Теплопроводность является основным видом распространения тепла в твердых телах за счет колебания атомов в кристаллической решетке или диффузии электронов в металлах. В чистом виде теплопроводность может встречаться также в неподвижных слоях жидкостей, газов или паров.

Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье, согласно которому:

(1)

где Q – количество передаваемого тепла (например, через металлическую стенку) (Дж)

F – площадь поверхности (м²)

(t₁ – t₂) – разность температур (С^о)

τ – время (с)

σ – толщина стенки (м)

λ – коэффициент теплопроводности

2. Конвекция.

Конвекция – процесс переноса тепла вследствие движения или перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Конвективный теплообмен происходит одновременно с теплопроводностью. Он может быть естественным (свободным) при наличии разности давлений, плотностей и других условий, или принудительным – при перемешивании жидкостей или газов. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости. При этом уменьшается толщина пограничного ламинарного слоя у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель. Поскольку в самом ламинарном слое процесс передачи тепла осуществляется теплопроводностью, а теплопроводность газов и жидкостей невелика, то для интенсификации конвективного обмена необходимо уменьшить толщину пограничного слоя. К уменьшению его толщины приводит повышение турбулентности потока теплоносителя.

Со сложным механизмом конвективного обмена связаны трудности расчетов процесса теплоотдачи. Для удобства расчета в основу его кладут уравнение Ньютона, согласно которому количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к окружающей среде (жидкость, газ) или наоборот, прямо пропорционально поверхности теплообмена, разности температур поверхности и окружающей среды и времени, в течение которого осуществляется теплообмен:

Уравнение Ньютона (конвективный теплообмен)

Q = α · F · Δt ּ τ (2)

где Q – количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к окружающей среде (Дж)

α – коэффициент теплоотдачи

F – поверхность теплообмена (м²)

Δt – разность температур поверхности и окружающей среды (С^о)

τ – время (с)

Величина α зависит от многих факторов: характера движения теплоносителя (ламинарный, турбулентный), его скорости, физических свойств (вязкость, плотность, теплопроводность), размера и формы поверхности теплообмена.

3. Тепловое излучение.

Передача тепла излучением происходит путем переноса тепловой энергии в виде электромагнитных волн различной длины (0,4-40 мкм), которые лежат в основном в ИК области спектра. В этом случае тепловая энергия переходит в лучистую, а лучистая при поглощении телом вновь превращается в тепло.

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля (по шкале Кельвина). Твердые тела способны испускать волны всех длин спектра при любой температуре. Однако интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (>600^оС) лучистый обмен между твердыми телами и газами приобретает основное значение.

Поток лучей, испускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого лучеиспускающего тела, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело без изменений. Лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела.

Согласно закону Стефана-Больцмана количество тепла Q (Дж) абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего тела и четвертой степени его абсолютной температуры:

(3)

где Q – количество тепла абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени (Дж)

C_o – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

F – поверхность излучающего тела (м²)

T – абсолютная температура (К^о)

Для серых тел:

С = ε ּ С_о , где ε – степень черноты тела.

Значения ε приводятся в специальной и справочной литературе.

Рассмотренные способы передачи тепла раздельно встречаются редко, они обычно сопутствуют друг другу, т.е. происходит сложный теплообмен.