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;
Δtср – 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! |
Мы поможем в написании ваших работ!