Раздел 2 – Теплообменные процессы

Основные понятия

Теплообменные процессы –процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел (или сред) к менее нагретым. Это процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т.п. Скорость протекания этих процессов определяется законами теплопередачи

Теплообмен— самопроизвольный необратимый процесс пере­носа теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее наг­ретым.

Теплота(количество теплоты) - энергетическая характери­стика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообме­на.

Теплоноситель - движущаяся среда (газ, пар, жидкость), ис­пользуемая для переноса теплоты.

Известны три способа переноса теплоты – теплопроводность (в твердых телах и неподвижных жидкостях), конвекция (в движущихся жидкостях), излучение, или радиация (между двумя телами через промежуточную среду путем электромагнитных колебаний). Обычно бывает сложный теплообмен.

В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (ве­ществ) с различными температурами. Среда с более высокой темпе­ратурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется греющим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринима­ющая теплоту, называется нагреваемым теплоносителем (хладаген­том).

В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наи­большее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов — аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

Теплопередача между средами может происходить в установившихся (стационарных) и неустановившихся (нестационарных) условиях. При установившемся (стационарном) процессе поле температур аппарате не изменяется во времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы имеют место в непрерывно действующих аппаратах; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Основными кинетическими характеристиками процесса тепло­передачи являются средняя разность температур, коэффициент теп­лопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).

Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теп­лопередачи

,                                       (2.1)

 

или после интегрирования

 

,                                      (2.2)

где dQ – количество переданной теплоты;

К – коэффициент теплопередачи между средами;

F – площадь поверхности теплообмена;

Δt_ср – разность температур между средами – движущая сила процесса;

dτ – продолжительность процесса.

Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле

 

.                                          (2.3)

 

В случае расчета трубчатого аппарата, если известно заранее из каких труб собирается аппарат,  можно воспользоваться формулой

 

,                                            (2.4)

 

где l – длина трубы, м;

n – число труб.

Однако, как правило, все намного сложнее, и расчет ведут, используя формулу (2.3).

Чтобы воспользоваться уравнением (2.3), необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из тепло­вого баланса, среднюю разность температур и коэффициент тепло­передачи между средами.

Наибольшую трудность представляет расчет средней разности температур между теплоносителями, которая определяется начальным и конечным температурам теплоносителей и осложняется продольным перемешиванием теплоносителей, а также определение коэффициента теплопередачи, который зависит от режима движения теплоносителей, а также от условий, в которых протекает теплопередача.

Тепловой баланс теплообменного аппарата:

Без изменения агрегатного состояния теплоносителей:

 

                 (2.5)

 

С изменением агрегатного состояния одного теплоноси­теля:

 

           (2.6)

 

где  и – соответственно расход горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

,  и  – соответственно теплоемкость горячего, холодного теп­лоносителей и конденсата греющего пара, ;

  –со­ответственно температуры начальные и конечные горячего (индекс «1») и холодного (индекс «2») теплоносителей, °С;

  D – расход греющего пара, кг/с; 

   – удельная теплота парообразования, Дж/кг (см. Приложение Е в зависимости от давления пара);

  – температура конден­сата, выходящего из теплообменного аппарата, °С. Если конденсат выходит из аппарата при температуре конденсации , то ;

   – расход теплоты в окружающую среду; для теплоизолированных аппаратов можно принять равным 5% от полезно использованной теплоты ( ).

Существует несколько способов передачи теплоты. Рассмотрим их.

Теплопроводность.

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энер­гии от более нагретых участков тела к менее нагретым в резуль­тате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В резуль­тате теплопроводности температура тела выравнивается.

Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую темпе­ратуру, называется изотермической поверхно­стью.

Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной изотермической поверхности к другой. Наибольшее измене­ние температуры происходит по нормали к изотермическим поверх­ностям. Предел отношения изменения температуры Δt к рассто­янию между изотермическими поверхностями по нормали Δl назы­вается температурным градиентом:

 

.                                           (2.7)

 

Основной закон теплопроводности,установленный Фурье (1768—1830) и названный его именем, гласит, что количество теп­лоты dQ переданное теплопроводностью, пропорционально гради­енту температуры ∂t/∂l, времени ∂τ и площади сечения ∂F, перпен­дикулярного направлению теплового потока:

 

,                                              (2.8)

где λ — коэффициент теплопроводности среды. Вт/(м*К).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, λ уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел λ увеличивается с повышением тем­пературы.

Уравнение теплопроводности позволяет решать вопросы, свя­занные с распространением теплоты теплопроводностью в условиях как установившегося, так и неустановившегося процесса. При реше­нии конкретных задач уравнение теплопроводности должно быть дополнено соответствующими уравнениями, описывающими начальные и граничные условия.

Уравнение, описывающее теплопроводность плоской стенки при установившемся режиме, имеет вид

 

,                            (2.9)

 

где λ/δ — тепловая проводимость стенки. Величина, обратная тепловой проводимости стенки, R называется термическим сопротивлением стенки.

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 590; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!