- •3.1.2.1. Граничні умови першого роду 27
- •Частина 1
- •1. Основні поняття та визначення
- •2. Математична модель конвективного теплообміну
- •2.1. Рівняння енергії
- •2.2. Рівняння руху (Навьє - Стокса)
- •2.3. Рівняння нерозривності
- •2.4. Математична модель конвективного теплообміну. Умови однозначності
- •3. Окремі випадки розв’язання математичної
- •3.1. Стаціонарна теплопровідність
- •3.1.1. Теплопровідність плоскої необмеженої пластини
- •3.3.1.1. Граничні умови першого роду
- •3.1.1.2. Граничні умови третього роду. Теплопередача
- •3.1.2. Теплопровідність необмеженої циліндричної стінки
- •3.1.2.1. Граничні умови першого роду
- •3.1.2.2. Граничні умови третього роду (теплопередача)
- •3.2. Нестаціонарна теплопровідність
- •4. Конвективний теплообмін
- •4.1. Основи теорії подібності
- •4.2. Основні принципи методу аналізу розмірностей
- •4.3. Критерії гідродинамічної подібності
- •4.4. Критерії теплової подібності
- •4.5. Критеріальне рівняння конвективного теплообміну
- •4.6. Принципи отримання окремих критеріальних залежностей
- •4.7. Окремі випадки конвективного теплообміну
- •4.7.1. Теплообмін при течії у трубах
- •4.7.2. Теплообмін при поперечному обтіканні
- •4.7.3 Теплообмін при природній конвекції
- •5. Теплообмін при зміні агрегатного стану
- •5.1. Теплообмін при кипінні
- •5.2. Теплообмін при конденсації пари
- •6. Теплообмін при випромінюванні
- •7. Методика розрахунку теплообмінників
- •7.1. Класифікація теплообмінних апаратів
- •7.2. Основні положення і рівняння теплового розрахунку
- •7.3. Гідромеханічний розрахунок теплообмінних апаратів
- •Частина 2
- •1. Нагрівання, охолодження, конденсація
- •1.1. Загальні поняття та визначення
- •1.2. Гріючі агенти і способи нагрівання
- •1.2.1. Нагрівання водяною парою
- •1.2.2. Нагрівання гарячою водою
- •1.2.3. Нагрівання топковими газами
- •1.2.4. Нагрівання високотемпературними теплоносіями
- •1.2.5. Нагрівання електричним струмом
- •1.3. Охолоджуючі агенти, способи охолодження і конденсації
- •1.3.1. Охолодження до звичайних температур
- •1.3.2. Охолодження до низьких температур
- •1.3.3. Конденсація пари
- •2. Випарювання
- •2.1. Загальні поняття та визначення
- •2.2. Однокорпусні випарні установки
- •2.2.1. Матеріальний баланс
- •2.2.2. Тепловий баланс
- •2.2.3. Поверхня нагрівання
- •2.2.4. Температурні втрати і температура кипіння розчинів
- •2.3. Багатокорпусні випарні установки
- •2.3.1. Основні схеми багатокорпусних випарних установок (бву)
- •2.3.2. Матеріальний баланс
- •2.3.3. Тепловий баланс
- •2.3.4. Загальна корисна різниця температур і її розподіл по корпусах
- •2.3.5. Розподіл загальної корисної різниці температур за умови рівності поверхонь нагріву корпусів
- •2.3.6. Розподіл загальна корисна різниця температур за умови мінімальної сумарної поверхні нагрівання корпусів
- •2.3.7. Вибір числа корпусів
- •2.4. Будова випарних апаратів
- •2.5. Розрахунок багатокорпусних випарних установок
- •2.5.1. Наближений розрахунок
- •2.5.2. Схема розрахунку багатокорпусної випарної установки
- •2.5.3. Уточнений розрахунок
- •3.1. Загальні відомості
- •3.2. Основні параметри вологого повітря
- •3.4. Рівновага при сушінні
- •3.5. Вологість матеріалу і зміна його стану в процесі сушіння
- •3.6. Матеріальний і тепловий баланс сушіння
- •3.7. Графоаналітичний розрахунок процесу сушіння
- •3.8. Варіанти процесу сушіння
- •3.8.1 .Сушіння з частковим підігрівом повітря в сушильній камері
- •3.8.2. Сушіння з проміжним підігрівом повітря по зонах
- •3.8.3. Сушіння з частковою рециркуляцією відпрацьованого повітря
- •3.9. Швидкість і періоди сушіння
- •3.10. Зміна температури матеріалу в процесі сушіння
- •3.11. Інтенсивність випару вологи
- •3.11.1. Випар вологи з поверхні матеріалу
- •3.11.2. Переміщення вологи у середині матеріалу
- •3.12. Тривалість процесу сушіння
- •3.13. Конструкції сушарок
- •4. Холодильні процеси
- •4.1. Термодинамічні основи одержання холоду
- •4.2. Методи штучного охолодження
- •Основна
- •Додаткова
- •Теплові процеси та апарати
Частина 1
1. Основні поняття та визначення
Процес переносу енергії у вигляді тепла між тілами, які мають різну температуру називається теплообміном. Рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур t. При цьому перенос енергії здійснюється 3-ма способами:
теплопровідністю;
конвекцією;
випромінюванням.
Теплопровідність – це перенос тепла в результаті взаємодії мікрочастинок (вільні електрони, молекули рідин або газів і атоми в кристалічних решітках твердих тіл) і обміну енергією між ними.
Конвекція – це перенос тепла в наслідок переносу об’ємів рідини або газу з області з однією температурою в область з іншою температурою.
Теплове випромінювання – це перенос тепла за допомогою електромагнітних хвиль, які випромінюються одним із середовищ і поглинаються іншим середовищем.
Температурне поле – це сукупність значень температур в різних точках розглядаємого простору в даний момент часу.
Математично температурне поле задається у вигляді функцій координат і часу.
. (1)
Температурне поле - це скалярне поле. Розрізняють стаціонарні та нестаціонарні температурні поля.
Рисунок 1. Схема визначення градієнту температур
Рівняння (1) це найбільш загальний запис температурного поля. Коли температура змінюється з часом у просторі, то таке поле має назву нестаціонарного температурного поля. Якщо тепловий режим сталий то температура в кожній точці поля зі зміною часу залишається незмінною і таке температурне поле є стаціонарним.
; . (2)
Сукупність точок, які мають однакову температуру називається ізотермічною поверхнею.
Інтенсивність температурних полів може оцінюватись градієнтом температур
. (3)
Градієнт температури – це границя відношення зміни температури до відстані між двома ізотермічними поверхнями вздовж нормалі .
grad t – завжди направлений в сторону збільшення температури і є векторною величиною;
одиничний вектор, нормальний до ізотермічної поверхні і направлений у сторону зростання температури;
похідна від температури по нормалі .
Необхідною умовою розповсюдження теплоти є нерівномірність розподілу температури в розглядаємому середовищі. Таким чином для передачі теплоти необхідна нерівність нулю температурного градієнту в різних точках середовища. Кількість теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні, називається питомим тепловим потоком q:
. (4)
Тепловий потік q – є вектор направлений у сторону зменшення температури. Між питомим тепловим потоком і градієнтом температур існує співвідношення:
, (5)
яке носить назву – закон Фур’є або основний закон теплопровідності, який формулюється таким чином: теплова енергія, передана крізь одиницю площі ізотермічної поверхні протягом одиниці часу пропорційна градієнту температури:
. (6)
Знак “ – “ у попередньому виразі показує, що вектор q і направлені протилежно. Коефіцієнт пропорційності , називається коефіцієнтом теплопровідності.
Теплопровідність є фізичною властивістю речовини і залежить від густини, пористості, температури речовини і т.д.
З рівняння (5) видно, що коефіцієнт теплопровідності є питомим тепловим потоком віднесеним до одиничного grad t. Отже коефіцієнт теплопровідності дорівнює кількості теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні при температурному градієнті рівному одиниці.
При звичайних температурах і тисках кращими провідниками тепла є метали і гіршими – гази. Так, орієнтуюче значення (Вт/(мК)) для металів при 0 С складають:
для чистої міді – 394;
для вуглеводистої сталі Ст 3 – 52; і т.д.
для повітря при 0С – 0.027 Вт/(м К).
Важливим процесом є процес перенесення тепла від твердої поверхні до рідини, що омиває цю поверхню або навпаки. Цей процес називається тепловіддачею.
Рисунок 2. Схема процесу тепловіддачі
Кількість теплоти що переноситься у процесі пропорційна різниці температур tс (стінки) і tр (рідини).
, (7)
де - коефіцієнт тепловіддачі.
(7) – залежність Ньютона - Ріхмана,
При цьому слід відмітити, що в наслідок прилипання частинок рідини до поверхні стінок біля неї утворюється тонкий рідкий шар в якому швидкість рідини близька до нуля і тепло передається тільки за рахунок теплопровідності, тоді для межі розділу запишемо наступне рівняння:
, (8)
де р і т – це теплопровідності рідини і твердої стінки відповідно.
Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом тепловіддачі і чисельно дорівнює питомому тепловому потоку, який віддається рідині або навпаки віднесений до різниці температур рівній одиниці. Отже, показує, яка кількість тепла передається від одиниці площі поверхні стінки до рідини (або навпаки) за одиницю часу при різниці температур рівній одиниці.
Коефіцієнт не є фізичною властивістю рідини, так як окрім властивостей рідини залежить від ряду зовнішніх факторів (шорсткості стінки, турбулентності потоку).
Рівняння (8) дозволяє визначити коефіцієнт тепловіддачі, якщо відома функція, що описує температурне поле. Для знаходження цієї функції використаємо основні фізичні закони: закон збереження енергії, закон збереження кількості руху і закон збереження маси. Далі буде розглянемо математичне формулювання цих законів.