19. Тепловые процессы в химической технологии

Теплота- форма передачи энергии, которая возникает при взаимодействии тел с разной температурой (Дж)

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом

Тепловой поток - количество теплоты, передаваемое в единицу времени (Дж/с = Вт)

Плотность теплового потока (q) - тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности в единицу времени

Движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями

Различают три способа распространения тепла:

1. Теплопроводность – процесс переноса тепла вследствие теплового движения ивзаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом

2. Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости

3. Тепловое излучение - процесс распространения электро-магнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);

г) кипение жидкостей.

Передача тепла теплопроводностью

Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее нагретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом

Температурное поле– совокупность температур во всех точках тела в данный момент времени.

Процесс передачи тепла теплопроводностью описывается с помощью закона Фурье, согласно которому количество теплаdQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхностиdF, перпендикулярный тепловому потоку, за времяdτ пропорционально температурному градиентуdt / dn , поверхности dFи времениdτ

λ– теплопроводность тела, Вт/(м·К)

показывает, какое количество тепла переносится путем теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности

Конвективный теплообмен (теплоотдача) - процесс передачи теплоты от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении.

Перенос тепла происходит одновременно конвекцией и теплопроводностью.

По природе возникновения различают 2 вида конвекции:

• свободная обусловлено разностью плотностей нагретых и холодных частиц среды в поле тяжести;

• вынужденная возникает при работе насоса, вентилятора

Закон конвективного теплообмена Ньютона-Рихмана - позволяет определить тепловой поток от нагретой поверхности стенки в окруж. среду или от нагретой среды к поверхности стенки

или α - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м²поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град

Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа- характеризует распределение температур в движущейся жидкости при подводе теплоты

Это уравнение можно решить лишь в редких случаях, поэтому пользуются теорией подобия и выводят критерии подобия. Конвективный теплообмен записывается в виде обобщенного уравнения в форме зависимости м/у критериев подобия

Тепловое подобие

критерий Нуссельта:

Необходимыми условиями подобия переноса тепла является соблюдение гидродинамическогоигеометрического подобия. Первое характеризуется равенством критериевRe в сходственных точках подобных потоков, второе – постоянством отношения основных геометрических размеров стенкиL1,L2,…,Ln к некоторому характерному размеру

Критериальное уравнение конвективного теплообмена

Тепловое излучение- процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

Закон излучения Кирхгофа

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуредля даннойчастотыи не зависит от их формы и химической природы

По определению, абсолютно чёрное телопоглощает всё падающее на него излучение, то есть для него . Поэтому функциясовпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемойзаконом Стефана — Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередача- это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку

- количество тепла Q передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя с температуройt1 к холодному с температурой t2 через разделяющую их стенку толщинойδ и коэффициентом теплопроводностиλ. Температуры поверхностей стенкиtст1 и tст2 соответственно. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителяα1, а холодного– α2.

Примем, что процесс теплоотдачи установившийся.

1. Количество тепла, передаваемое через поверхность F от горячего теплоносителя к стенке, по закону Ньютона составит:

2. Количество тепла, проходящего путем теплопро-водности через стенку толщиной δ и поверхностью F, по закону Фурье будет равно:

3. Количество тепла, передаваемое через поверхность F от стенки к холодному теплоносителю, по закону Ньютона составит:

Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая

Для прямотока:

Для противотока