Лекция №4 тема. Теплопередача план Основные понятия и определения Теплопроводность Тепловое излучение

0. 
   1. Основные понятия и определения
   
1. 
   2. Теплопроводность
   
2. 
   3. Тепловое излучение
   
3. 
   4. Теплоотдача (конвективный теплообмен
   

1. Теплообмен — самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) — энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в процессе теплообмена.

К теплообменным относятся такие технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация. Теплопередача — теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку.

Теплоноситель — движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.

В процессах теплопередачи участвуют не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов.

В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов — аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью вившихся (стационарных) и неустановившихся (нестационарных) условиях.

При установившемся (стационарном) процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы имеют место в непрерывно-действующих аппаратах; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

При тепловой обработке многих пищевых продуктов, например теста, молока, сахарных растворов, происходит изменение их физико-химических свойств, что вызывает, в свою очередь, изменение условий теплопередачи.

Основными кинетическими характеристиками процесса теплопередачи являются средняя разность температур, коэффициент теплопередачи, количество передаваемой теплоты (от этой величины зависят размеры теплообменной аппаратуры).

Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи которое для установившегося процесса имеет вид

dQ= KFΔtdτ, (10.1)

которое для установившегося процесса имеет вид

Q= KFΔt_ср, (10.2)

где dQ — количество переданной теплоты; К — коэффициент теплопередачи меж­ду средами; F — площадь поверхности теплообмена; Δt — разность температур между средами — движущая сила процесса; dτ — продолжительность процесса.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты (в кДж) передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м² в течение 1 ч при разности температур между теплоносителями 1 град.

Площадь поверхности теплообмена (теплопередачи) аппарата определяется по формуле

(10.3)

Чтобы воспользоваться уравнением (10.3), необходимо знать количество переданной теплоты, которое определяется из теплового баланса, среднюю разность температур и коэффициент теплопередачи между средами.

Наибольшую трудность представляют расчет средней разности температур между теплоносителями, которая определяется по начальным и конечным температурам теплоносителей, и определение коэффициента теплопередачи, который зависит от режима движения теплоносителей, а также от условий, в которых протекает теплопередача.

Передача теплоты может осуществляться теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью.

Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной изотермической поверхности к другой. Наибольшее изменение температуры происходит по нормали к изотермическим поверхностям. Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермическими поверхностями по нормали Δt называется температурным градиентом:

gradt = lim (Δt / Δt )_Δt→0 = dt/dl. (10.4)

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768—1830) и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры dt/dl, времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

dQ= — λ(dt/dl)Fdτ, (10.5)

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, К уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел К увели­чивается с повышением температуры.

Коэффициент теплопроводности для некоторых металлов, применяемых в пищевом машиностроении, составляет [в Вт/(м·град)]: сталь, чугун — 45; сталь нержавеющая — 17—21; алюминий — 200; медь — 350; латунь — 85; свинец — 35. Для газов коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,0058—0,5 Вт/(м-град), для жидкостей — 0,08—0,7 Вт/(м·град).

Для теплоизоляционных материалов коэффициент теплопроводности изменяется от 0,0116 до 0,006 Вт/(м-град).

3. Из всей лучистой энергии, которая попадает на поверхность тела, часть ее поглощается телом, часть отражается, а часть проходит через тело. В общем случае

Q_А/ Q+ Q_R/ Q+ Q_D/ Q=1

Закономерности теплового излучения описываются законами Стефана-Больцмана, Кирхгофа и Ламберта.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между лучеиспускательной способностью тела Е, количеством энергии Q, излученной телом в течение 1 ч, и площадью поверхности тела F:
E=Q/F. (10.9)
Энергия излучения зависит от длины волн К и температуры Т. Связь между лучеиспускательной способностью и температурой абсолютно черного тела выражается соотношением
е_о = К_оТ⁴ ,
где К_о — константа излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²-К⁴); К₀ = = (4,19-5,67)10^-10 Вт/(м²·К⁴).

или для практических расчетов

(10.10).

где С_о — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4); С_о = = 5,67 Вт/(м·К⁴).

Закон Стефана-Больцмана применим не только к абсолютно черным телам. Для реальных тел он имеет вид

где С — коэффициент излучения серых тел, Вт/(м²·К⁴).

Величина С всегда меньше величины С₀ и может изменяться от 0 до 5,67 Вт/(м²·К⁴).

Закон Кирхгофа устанавливает соотношение между лучеиспускательной и поглощательной способностями тел отношение лучеиспускательной способности тел и их поглощательной способности равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры.

Закон Ламберта выражает изменение интенсивности излучения по различным направлениям и записывается в виде

dQ = 1/πEdψcosφdF₁, (10.14)

где dψ— телесный угол, под которым виден элемент dF₂ из элемента dF₁;
φ — угол, образованный прямой, соединяющей элементы dF₁ и dF₂, и нормалью к элементу dF₁.
4.Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).

При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа — в основном конвекцией.

На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного теплообмена приведена на рис. 10.1.

Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под свободной или естественной конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа. Скорость естественной конвекции определяется физическими свойствами жидкости, разностью температур между горячими и холодными частицами и объемом, в котором протекает процесс.

Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под действием насоса или вентилятора и определяется физическими

При вынужденной конвекции теплообмен происходит значитель­но интенсивнее, чем при естественной.

Основной закон теплоотдачи — закон Ньютона гласит: количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена,
прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t_ст ядра потока t_f (или наоборот) и продолжительности процесса d_τ:
dQ=α(t_ст-t_f)Fdτ

dQ=α(t_f-t_ст)Fdτ

Значение коэффициента теплоотдачи, который определяет скорость конвективного теплообмена, зависит от многих факторов: режима движения жидкости (газа), физических параметров жидкости (газа), формы и размера поверхности теплообмена и др.

Критерий Фурье характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, размерами канала, в котором происходит теплообмен, и физическими свойствами среды в нестационарных условиях. Критерий Пекле показывает соотношение между количеством теплоты, распространяемой в потоке жидкости или газа конвекцией, и теплопроводностью.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается на основании коэффициентов теплоотдачи, вычисленных по критериальным уравнениям.

В случае многослойной стенки в уравнение (10.46) вместо δ/λ, подставляется сумма термических сопротивлений каждого слоя стенки. Тогда

где n — количество слоев стенки; i — порядковый номер слоя. •

Следует иметь в виду, что величина коэффициента теплопере­дачи всегда меньше минимального коэффициента теплоотдачи. Движущей силой теплообменных процессов является разность температур теплоносителей. Под действием этой разности теплота передается от горячего теплоносителя к холодному.

Процессы теплообмена в аппаратах непрерывного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках