Процессы и аппараты химической технологии

Тема 17. Способы распространения тепла
Общие сведения.Тепловые балансы. Передача тепла теплопроводностью. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности.

Общие сведения

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Его движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами.
Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Различают три способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее нагретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность обычно является основным видом распространения тепла.
Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях свободной конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствие неодинаковых температур в них или в условиях вынужденной конвекции, когда происходит принудительное движение всего объема жидкости, например, при перемешивании ее мешалкой.
Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло.
Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела и приобретает доминирующее значение только при t ?600оС. Мы более подробно этот способ распространения тепла рассматривать не будем, т.к. подавляющая часть теплообменной аппаратуры работает при значительно более низких температурах.
В реальных условиях тепло передается не одним способом, а двумя или изредка тремя.
Теплоотдача - это перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении. Теплопередача - это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
В непрерывнодействующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени, осуществляются нестационарные процессы теплообмена.
Тепловое воздействие на пищевые продукты является необходимым условием технологических процессов большинства пищевых производств. Тепло распространяется в средах, различающихся специфическими свойствами: в хлебопекарном тесте, мармеладе, молоке, сахарных растворах и т.д. В процессе технологической обработки они претерпевают во времени качественные превращения, что вызывает соответствующее изменение условий теплопередачи. Поэтому многие процессы теплообмена в пищевых средах происходят в переменных, нестационарных условиях.
Задачи тепловой обработки пищевых продуктов разнообразны. 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.
В большинстве случаев непосредственный контакт пищевых продуктов с другими теплоносителями недопустим, поэтому теплопередачу осуществляют в различных теплообменниках, где твердая стенка разделяет рабочие среды. Твердая стенка служит поверхностью нагрева и конструктивно выполняется в виде труб, рубашек и т.д.
Расчет теплообменной аппаратуры состоит из 2-х основных этапов:
1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время ? от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.
2. Определение поверхности теплообмена F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время ?. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи, вычислив предварительно значение средней разности температур между теплоносителями ?tср и коэффициент теплопередачи К:
Q=K·F·?tср