Теория тепло - и массообмена

Процесс передачи теплоты очень сложный, поэтому при изучении его разделяют на простые явления: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Изучение процесса теплопроводности надо начать с усвоения основных понятий: стационарного и нестационарного температурных полей, температурного градиента и теплового потока.

Основной закон теплопроводности - закон Фурье - устанавливает зависимость между величиной теплового потока и градиентом темпера­туры. Коэффициент теплопроводности тел характеризует способность вещества проводить теплоту; надо уметь правильно находить его величину для различных тел.

Работая над разделом «Теплопроводность», студент должен научиться определять количество теплоты, проходящей через однослойную и многослойную плоскую и цилиндрическую стенки при стационарных процессах теплопроводности, усвоить законы изменения температуры внутри таких тел.

В сельском хозяйстве находят широкое применение различные теплообменные аппараты с внутренними источниками тепла, например, электрические водоподогреватели. Поэтому необходимо обратить особое внимание на расчёт процессов теплопроводности тел с внутренними источниками теплоты.

Ознакомьтесь с методами расчёта процессов теплопроводности тел при нестационарном тепловом режиме.

Конвективный теплообмен тесно связан с физическими свойствами теплоносителя и характером его движения. Поэтому изучать конвективный теплообмен нужно после знакомства с основами теории гидроаэродина­мики. В результате этого должно сложиться ясное представление о двух видах движения жидкостей и газов - свободном и вынужденном, и о режимах вынужденного движения: ламинарном и турбулентном, атак же о природе пограничного слоя (гидродинамического и теплового).

Необходимо хорошо разобраться в теории подобия и на основе этого уяснить сущность гидродинамического и теплового подобия.

Интенсивность конвективного теплообмена зависит от самых различных факторов, поэтому конвективный теплообмен изучается в основном экспериментальным путём. Величины коэффициента теплоот­дачи конвекцией определяются на основе функциональной связи между тепловыми и гидродинамическими числами подобия. Обратите внимание на числа подобия, входящие в расчётные формулы, и на метод их нахож­дения по определяющим геометрическим размерам и температурам, при которых физические константы берутся из таблиц. Уясните, как влияют на характер экспериментальных зависимостей режим движения тепло­носителя (ламинарный или турбулентный) и род движения (свободный или вынужденный).

Необходимо научиться вычислять число подобия Рейнольдса и по его величине определять режим движения теплоносителя.

Следует запомнить основные числа подобия, применяемые при расчёте конвективного теплообмена (числа Nu, Re, Pr, Gr), чётко разобрав­шись в их физической сущности, а также запомнить структуру основных критериальных уравнений теплообмена.

Запоминать конкретные эмпирические уравнения не нужно, однако необходимо на основе анализа этих уравнений уметь объяснить механизм теплообмена в различных условиях и давать им сравнительную оценку.

Особое внимание необходимо обратить на пути интенсификации конвективного теплообмена (влияние скорости движения теплоносителя, диаметра труб, формы пучка и т.д.). При изменении агрегатного состояния следует рассмотреть переход от пузырькового режима кипения к плёноч­ному и уяснить физическую природу снижения коэффициента теплоотдачи при появлении на стенке паровой плёнки. В данном случае нужно ясно представить себе опасности, связанные с превышением критической тепло­вой нагрузки.

Изучая вопрос теплопередачи при конденсации пара, особое внима­ние следует обратить на влияние плёнки конденсата и на меры, способ­ствующие её удалению.

Приступая к изучению процессов теплового излучения, прежде всего необходимо понять, что тепловое излучение всегда сопровождается двойным превращением энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а лучистая энергия, поглощённая другим телом, переходит в тепловую.

Изучите классификацию тел по их поглощательной, отражательной и излучательной способностям, а затем разберитесь в основных законах теплового излучения абсолютно чёрного тела и серых тел, рассмотрите основные случаи лучистого теплообмена между телами.

Ознакомьтесь с вопросами поглощения и излучения газов, так как теплообмен в топках и газоходах котельных агрегатов в значительной степени определяется излучением газов.

Разделение теплообмена на три вида переноса теплоты (тепло­проводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение) является условным и проведено по методическим соображениям. В дейст­вительности же теплообмен во всякого рода аппаратах и устройствах обычно происходит одновременно всеми тремя видами переноса теплоты.

Теплопередачу нужно рассматривать как сложный процесс тепообмена, уяснив при этом назначение и классификацию теплообменных аппаратов по принципу действия (рекуперативный, регенеративный и смесительные).

Цель теплового расчёта при проектировании новых теплообменных аппаратов заключается в определении величины площади поверхности нагрева. Для работающих аппаратов, когда площадь поверхности известна, целью расчёта является установление оптимального теплового режима работы аппарата, определение конечных температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи.

Необходимо ясно представлять различие в схемах прямоточного и противоточного рекуперативных теплообменников, разбираться в вычислениях среднего температурного напора в каждой из схем и уметь давать сравнительную характеристику той или другой схеме, усвоить понятие о среднело-гарифмической и среднеарифметической разностях температур теплоносителей.

Во многих теплообменных аппаратах происходят процессы, сопро­вождающиеся переносом массы. Примерами процессов могут служить такие, как сушка, испарение, абсорбция газов и др. Если теплообмен харак­теризуется выравниванием температур, то массообмен проявляется в выравнивании концентраций вещества. Рассмотрите уравнение закона Фика -закона молекулярной диффузии, обратите внимание на его аналогию с законом Фурье. Разберите понятие плотности потока массы, коэффици­ента молекулярной диффузии.

Массообмен между газообразной и жидкой фазами называют кон­вективной массоотдачей. Необходимо усвоить аналогию дифференциаль­ных уравнений, описывающих тепло- и массообмен, а также чисел подобия.