Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

Основные понятия и определения. Способы переноса теплоты.

Тепловые процессы описываются теорией теплообмена.

Теплообмен – процесс переноса теплоты между телами имеющими различную температуру.

Движущей силой тепловых процессов является разность температур.

Тела, которые участвуют в процессе теплообмена, называют теплоносителями. Тело с более высокой температурой называют горячим теплоносителем, а с меньшей холодным теплоносителем.

В природе существует три способа переноса теплоты:

1-теплопроводность

2-конвекция

3-тепловое излучение.

Теплопроводностью называют процесс переноса теплоты за счет теплового беспорядочного движения микрочастиц, этот перенос происходит внутри твердых тел.

Конвекция – процесс переноса теплоты за счет движения и перемешивания достаточно крупных объемов газа или жидкости. Выделяют свободную и вынужденную конвекцию.

Движущей силой свободной конвекции является разность плотностей, которая вызвана, разностью температур.

Тепловое излучение – процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую, которая проходит через пространство, и затем сново превращается в тепловую при поглащении ее другим телом.

Согласно закона Стефана-Больцмана:

(1)

Т.е. количество теплоты излучаемое в единицу времени телом , Вт., пропорционально поверхности излучающего тела ,м. и абсолютной температуре этого тела в четвертой степени. В формуле С-коэффициент пропорциональности (лучеиспускания)

(2)

где Вт/м² К⁴ – коэффициент лучеспускания абсолютно черного тела, - степень черноты тела (табличное значение).

По закону Кирхгофа поглащающая способность и степень черноты равны между собой.

Тогда количество тепла, отданого телом с абсолютной температурой Т₁ окружающим его более холодным телам с температурой Т₂, находится как

(3)

где

- приведеная степень черноты системы

F – условная расчетная поверхность теплообмена, м².

Перечисленные виды передачи теплоты редко встречаются в чистом виде. В промышленности, как правило, теплота переносится комбинированным путем.

В промышленной практики основными являются следующие способы передачи теплоты:

-теплоотдача

-теплопередача

Теплоотдача – процесс переноса теплоты от жидкости к стенке и наоборот.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

Тепловой баланс.

В пищевой промышленности применяют два типа теплообменников:

-поверхностные (теплота от холодного теплообменника к горячему передается через разделяющую их стенку): кожухотрубные, пластинчатые, змеевиковые, спиралные и др. теплоообменники.

-смешения (горячий и холодный теплоносители перемешиваются друг сдругом)

Рассмотрим тепловой баланс теплообменника типа труба в трубе:

Примем допущение, что 1-это горячий теплоноситель, тогда поток теплоты передается от 1 теплоносителя к 2.

Поток переданной теплоты будет равен

, Вт (1)

(2)

где - энтальпия теплоносителей Дж/кг

Энтальпия зависит от температуры и давления теплоносителя, и является табличной величиной также ее можно рассчитать, как произведение удельной теплоемкости жидкости с, Дж/кг град. на температуру в ^оС.

(3)

Таким образом зная колличество жидкости (массовый расход кг/с), которое необходимо нагреть, можно найти расход горячего теплоносителя.

(4)

Как правило, в пищевой промышленности горячим теплоносителем является пар, т.к. он обладает очень большой теплоемкостью и при его конденсации выделяется огромное кол-во энергии. И ищут расход именно пара.

Различают влажный, насыщенный и перегретый пар

Для этого вводят понятие степень сухости - (5)

При пар называют влажным

пар насыщенный(см. рисунок)

Если пар на линии насыщения еще больше нагрет, он будет называться перегретым.

В таблицах даны значения энтальпии воды и пара на линии насыщения при различных температуре и давлении. Для расчета энтальпии влажного пара применяют зависимость:

(6)

Весьма удобно пользоваться диаграммами влажного пара.

Максимальное количество энергии насыщенный пар отдает при своей полной конденсации, в таком случае уравнение теплового баланса принимает вид

(7)

где - расход пара, кг/с

- удельная теплота паробразования

- энтальпия насыщенного пара и воды на линии насыщения, Дж/кг

Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

где:

- коэф. теплопередачи, Вт/м² К

- площадь поверхности теплопередачи, м²

- средний температурный напор, К.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое кол-во теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 секунду через 1м² поверхности стенки при среднем температурном напоре в 1^оК.

Для плоской стенки коэф. теплопередачи равен:

(2)

где:

-коэф. теплоотдачи, Вт/м² К

-коэф. теплопроводности стенки, Вт/м К

-суммарное термическое сопротивление загрязнений, м² К/Вт

- толщина стенки, м.

(3)

Уравнение (2) не подходит для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку. В таком случае пользуются следующими зависимостями:

(4)

(5)

- средний диаметр стенки, м (6)

Площадь цилиндрической поверхности стенки также рассчитывают по среднему диаметру.

Пути интенсификации теплообмена: (они видны из ур. (2) и (1))

1-увеличение скорости движения теплоносителей (это даст увеличение коэф. теплоотдачи )

2-обеспечение отвода воздуха и несконденсировавшихся паров из теплообменников (также увеличивает )

3-уменьшение термического сопротивления стенок и загрязнений

4-увеличение средней разности температур, более предпочтительно противоточное движение теплоносителей

5-использовать оребрение (увеличивает теплопередающую поверхность)