Процессы и аппараты упаковочного производства

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Большинство процессов химической технологии протекает в за­данном направлении только при определенной температуре, кото­рая достигается путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты [нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.], называют Тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют Теплообменниками. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

Явление теплопроводности - процесс переноса теплоты путем непосредственного соприкосновения между мик­рочастицами (молекулами, атомами, электронами) - От частиц с большей энергией к частицам с меньшей энергией, т. е. процесс протекает по молекулярному механизму. В подвижных средах (жидкость, газ) при турбулентном режиме движения потока молекулярный механизм переноса теп­лоты, т. е. теплопроводность, имеет существенное значение в тонких, пограничных с твердой стенкой слоях. При ламинарном движении потока или в неподвижной жидкости теплопроводность может быть основным видом переноса теплоты. Поскольку тепло­проводность – явление молекулярное, то на скорость процесса переноса теплоты теплопроводностью существенное влияние ока­зывают структура и свойства вещества (например, для подвижных сред - вязкость, плотность и др.). В твердых телах, например диэлектриках, перенос энергии осуществляется фононами, в металлах - электронами.

Явление теплового излучения - это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Источник колебаний - заряженные частицы (электроны и ионы), входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела и жидкости излучают волны всех длин, т. е. дают сплошной спектр излучения. При переносе теплоты излучением тепловая энергия вначале превращается в лучистую, а затем обратно: встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая превращается в тепловую.

Явление конвекции: перенос теплоты осу­ществляется вследствие движения и перемешивания макроскопи­ческих объемов жидкости или газа. Большое значение имеют состояние и характер движения жидкости или газа. Наряду с этим в движущейся жидкости из-за наличия градиента температур происходит перенос теплоты перемещающимися час­тицами жидкости из зоны с большей температурой в зону с меньшей, т. е. за счет теплопроводности. Таким образом, Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Если массовое перемещение жидкости вызвано разностью плотностей в различных точках жидкости или газа (вследствие разности температур в этих точках), такую конвекцию называют Естественной. Если же перемещение жидкости или газа возникает вследствие затраты на это механической энергии (насос, мешалка и т. п.), такую конвекцию называют Принудительной, или вынужденной.

Обычно в теплообменниках происходит сочетание рассмотренных видов переноса теплоты, причем в разных частях аппарата это сочетание может происходить по-разному. Отдельные виды теплопереноса в теплообменной аппаратуре протекают в самом различном сочетании, и разделить их между собой зачастую очень сложно. Поэтому в инженерных расчетах обычно рассматривают процесс переноса теплоты как одно целое.

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через раЗделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют Теплоносителями.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи:

· Установившийся (стационарный) процесс - температура является функцией только системы координат, т. е. T=F{X,у,Z) И не зависит от времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом (гидродинамическим и тепло­вым, т. е. температурным).

· Неустановившийся (нестационарный) процесс - температура изменяется в пространстве времени, т. е. T = F(X,у,Z,τ). Неустановившиеся процессы в аппаратах периодического действия, а также при пуске, остановке и изменении режимов работы аппаратов непрерывного действия.

Необходимое условие передачи тепла - неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зави­сит от распределения температур в среде или характера темпера­турного поля.

Температурное поле - совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.

Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет собой Изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры. Поэтому все изо­термические поверхности замыкаются или кончаются на границах рассматриваемого тела

Пусть температура одной изотермической поверхности T, А дру­гой, близлежащей изотермической поверхности, T+∆T. Предел отношения разности температур ∆T этих двух поверхностей к рас­стоянию по нормали ∆L Между ними

Lim( / ) = Dt/Dl = Gradt (11.1)

Называют Температурным градиентом, Который представляет собой производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При Dt/Dl = O Наступает равновесие - поток теплоты прекращается. Температурный градиент является мерой интенсив­ности изменения температуры в данной точке. Направление тепло­вого потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке. Тогда удельный поток теплоты Q (количество теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени) будет равен Q ~ (— Dt/Dl). Плотность потока тепло­ты - векторная величина.