Основы теплопередачи (теория процесса, основные стадии, расчет коэффициента теплопередачи через стенки различной формы применительно к оборудованию систем ГТСВ).

К тепловым процессам относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации.

Нагревание - это повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение - понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Испарение - перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической

технике процесс выпаривания, т.е. концентрирования при нагревании растворов твердых нелетучих веществ путем удалении жидкого летучего растворителя в виде паров.

Конденсация— сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

Теплопередача— физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

Теплопроводность

Конвекция

Тепловое излучение

Теплопроводность. Этот вид теплообмена возможен в условиях тесного соприкосновения между отдельными частицами тела и заключается в том, что тепловая энергия распространяется внутри тела от одной частицы к другой, соседней, находящейся в непосредственной близости, вследствие их колебательного движения. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при колебательном движении с соседними частицами , сообщают им часть своей кинетической энергии и таким образом тепловая энергия распространяется по всему телу. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не наступит полное равенство температуры во всем теле.

Тепловое излучение. При теплообмене излучением тепло распространяется в виде лучистой энергии, которая распространяется в пространстве, и в каком либо другом месте полностью или частично превращается вновь в тепловую энергию.

Конвекция. Под конвекцией понимают перенос тепла частицами капельных жидкостей и газов путем их перемещения из одной части пространства в другую. Это происходит при движении капельных жидкостей и газов, которое возникает либо вследствие различия удельных весов в разных точках их объема (из-за неравномерности температур в нем), либо в результате механических воздействий извне.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем дне среды с различными температурами, при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты работы) только от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене тепло, называется теплоносителем. Среда с более низкой температурой, воспринимающая при теплообмене тепло, называется холодильным агентом (хладоагентом).

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество передаваемого в процессе тепла; от этой величины зависят размеры тепловой аппаратуры. Основным размером теплового аппарата является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена.

Связь между количеством передаваемого в аппарате тепла и поверхностью теплообмена определяется основным кинетическим соотношением для случая переноса тепла:

(1.1)

где Q - количество переданного тепла; F - поверхность теплообмена; τ - время; К — коэффициент теплопередачи (величина, обратная термическому сопротивлению R); ΔT - средняя разность температур между обменивающимися теплом материалами.

Коэффициент теплопередачи К определяет количество теплоты, передаваемой за единицу времени от горячего теплоносителя к хладоагенту через 1м2 стенки при разности температур 1 К. Выражение (1.1) основано на принципе линейности: количество передаваемой теплоты пропорционально движущей силе процесса. Движущей силой в данном случае является разность температур ΔT.

Выражение (2.1), записанное в несколько ином виде, обычно называют основным уравнением теплопередачи: (1.2)

где - количество переданного тепла; - локальный коэффициент теплопередачи между средами; ΔT - разность температур между средами; - элемент поверхности теплообмена; - время теплообмена.

Определение коэффициента теплопередачи, являющегося коэффициентом скорости процесса, представляет наибольшие трудности при расчете теплового аппарата. Коэффициент теплопередачи зависит от характера и скоростей движения, обменивающихся теплом сред, а также от условий, в которых протекает теплообмен.

Уравнение теплопроводности плоской стенки при установившемся состоянии процесса теплообмена

где λ-теплопроводность материала стенки в ккал/м·час·°С;

- разность температур наружных поверхностей стенки в·°С; F – поверхность стенки в м2; τ – время в час.

Если стенка составлена из n слоев, отличающихся друг от друга теплопроводностью и толщиной, то уравнение принимает вид:

где i - порядковый номер слоя стенки, n – число слоев

Теплопроводность цилиндрической стенки при установившемся тепловом потоке:

где λ-теплопроводность материала стенки; L – длина стенки; rв – внутренний радиус стенки; rн – наружный радиус стенки;

теплопроводность конвекция теплообмен теплопередача

Для n-слойной цилиндрической стенки можно написать: где i – порядковый номер слоя стенки.