Тепловые процессы

Тепловые процессы
Тепловые процессы – это технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла.
Скорость тепловых процессов:
Перенос тепла осуществляется самопроизвольно от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
К тепловым процессам относятся:
- нагревание (кипение);
охлаждение (конденсация);
- выпаривание.
Аппараты для осуществления тепловых процессов - теплообменники.

Виды переноса тепла
Простые:
теплопроводность;
тепловая конвекция;
тепловое излучение.
Сложные (перенос тепла несколькими простыми способами одновременно):
Конвективный теплообмен – совместный перенос тепла теплопроводностью и конвекцией (теплопередача и теплоотдача).

Теплопроводность (кондуктивность)
Теплопроводность – перенос тепла хаотически движущимися микрочастицами (молекулами, атомами, электронами), непосредственно соприкасающимися друг с другом.
Это основной вид распространения тепла в твердых веществах и тонких плёнках газов (паров) или жидкостей, граничащих с твёрдыми телами.
Основной закон теплопроводности – закон Фурье:
- количество тепла, переданного теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

λ [Вт/град∙м] – коэффициент теплопроводности, показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности через 1 м2 поверхности за единицу времени при разности температур в 1 градус, приходящейся на 1 м нормали к изотермической поверхности.
газы – (0,005-0,5)
жидкости – (0,08–0,7)
теплоизоляция – (0,02-3,0)
металлы – (2,3-458)
графен - 5000

Дифференциальное уравнение теплопроводности
Выводится на основании закона сохранения энергии.
ρ - плотность среды, кг/м3
с – теплоемкость среды, Дж/кг∙град

Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки
плоской стенки
многослойной стенки

Тепловая конвекция
Тепловая конвекция – перенос тепла конечными объёмами при движении потоков жидкости и газа.
Бывает:
Естественная – возникает в следствии разности плотностей в разных точках неравномерно нагретой жидкости или газа.
Вынужденная – возникает в результате движения жидкости или газа под действием внешнего источника энергии.

Тепловое излучение
Тепловое излучение – это процесс распространения тепла в пространстве за счёт электромагнитных волн.
QA – количество тепла, которое превращается в тепловую энергию;
QR – количество тепла, которое отражается от поверхности тела;
QD – количество тепла, которое проходит сквозь тело.

Конвективный теплообмен
Теплоотдача – перенос тепла от поверхности твёрдого тела к жидкости (газу) за счёт теплопроводности и от пограничного слоя в ядро потока жидкости (газа) конвекцией.
Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона:
Количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к окружающей среде (или от окружающей среды к теплообменной поверхности), прямо пропорционально поверхности теплообмена, разности температур поверхности и окружающей среды, времени, в течение которого осуществлялся контакт.

α – коэффициент теплоотдачи,
Вт/м2град
α- зависит от режима движения среды, ее физических параметров, формы и размеров теплообменной поверхности.
Необходимо уравнение, которое свяжет коэффициент теплоотдачи с переменными, выражающими условия конвективного теплообмена.
Этим уравнением является дифференциальное уравнение конвективного переноса тепла, дополненное уравнением, характеризующим условия на границе раздела фаз.

Дифференциальное уравнение конвективного теплопереноса (Фурье-Кирхгофа)
Уравнение, характеризующее условия на границе раздела фаз
Уравнения подобия конвективного переноса тепла:
число Нуссельта
число Фурье

число Пекле
число Прандтля
число Рейнольдса (для вынужденной конвекции)
Число Грасгофа (для естественной конвекции)

Теплопередача
- передача тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Движущая сила тепловых процессов

Нагревание
- процесс повышения температуры продуктов путем подвода к ним тепла.
Способы нагрева:
- водяным паром;
- топочными газами;
- промежуточным теплоносителем;
- электрическим током.

Нагревание водяным паром
Нагревание «острым» паром
Тепловой баланс (ТБ):
Расход пара:

ТБ:
Расход пара:
Нагревание «глухим» паром

Конденсатоотводчики