Тепловые процессы

Тепловые процессы

Тепловые процессы –  процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла. К ним относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение, кипение, выпаривание, замораживание. Кипение жидкости используется при перегонке. Выпаривание служит для концентрирования растворов твердых нелетучих веществ  путем перевода растворителя в паровую фазу. Испарение влаги имеет место при сушке твердых материалов.

Самопроизвольный переход тепла  от одного вещества к другому возможен только тогда, когда t₁ >  t₂

Вещества, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Относительно более нагретый теплоноситель называется горячим, а менее нагретый – холодным.

Скорость теплообмена тем выше, чем больше разность температур между  теплоносителями. Следовательно, движущей силой теплообмена является разность температур между горячим и холодным теплоносителем.

На практике чаще всего встречаются  два основных способа проведения теплообмена:

1 – путем непосредственного  соприкосновения теплоносителей. Этот способ прост, но имеет малое распространение, т.к. не всегда допустимо смешение теплоносителей.

2 – тепло от одного теплоносителя к другому передается через стенку аппарата, разделяющую теплоносители.

Аппараты для проведения тепловых процессов называются теплообменниками.

Поверхность, разделяющая теплоносители, называется поверхностью теплообмена.

Суммарный процесс передачи тепла  от горячего теплоносителя к холодному  через разделяющую их стенку называется теплопередачей.

В общем случае этот процесс складывается из трех последовательных процессов – теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке, теплопроводность через стенку, теплоотдача от стенки к холодному теплоносителю.

Различают установившиеся и неустановившиеся процессы теплопередачи. При установившемся или стационарном процессе температуры в каждой точке аппарата не меняются во времени.

(∂ t / ∂ τ)_x,y,z = 0;   t = f (x,y,z)      (А)

При неустановившемся процессе температуры в каждой точке аппарата изменяются во времени.

(∂ t / ∂ τ)_x,y,z ≠ 0;   t = f (x,y,z,τ)   (Б)

Уравнения А и Б характеризуют  распределение температур в пространстве и времени, т.е. температурное поле.

Установившиеся процессы характерны для аппаратов, работающих в непрерывном режиме; неустановившиеся процессы характерны для аппаратов периодического действия или в моменты пуска или остановки аппаратов, работающих в непрерывном режиме.

Различают три механизма переноса тепла:

1. Теплопроводность – перенос тепла, осуществляемый от точки к точке путем беспорядочного движения микрочастиц, колебаний атомов в кристаллической решетке, движения свободных электронов в металлах; в жидких средах – броуновское движение
2. Тепловое излучение – тепло распространяется в виде лучистой энергии, т.е. в виде электромагнитных волн
3. Конвекция (возможна только в подвижной среде) – перенос тепла осуществляется движущимися частицами жидкостей или газов; этот вид теплообмена зависит главным образом от характера движения потока

Теплопроводность.

Распространение температур в пространстве теплопроводностью  характеризуется температурным полем, которое в общем случае записывается как А или Б. Под температурным полем понимают  совокупность мгновенных значений температур в пространстве.

Геометрическое место  всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность.

Температурный градиент  lim (Δt /Δn) при Δn→0 = (∂ t/ ∂n) = grad t

n – расстояние по нормали между изотермическими поверхностями

Температурный градиент характеризует интенсивность изменения температуры в данной точке (∂ t/ ∂n) ≠ 0, при этом тепловой поток всегда направлен в сторону уменьшения температуры

Величина теплового  потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, определяется по эмпирическому закону Фурье

dQ = - λ· (∂ t/ ∂n)· dF ·d τ

в этом уравнении Q – тепловой поток, τ – время, F – поверхность теплообмена, ∂ t/ ∂n – температурный градиент, λ – коэффициент пропорциональности – коэффициент теплопроводности

Если отнести тепловой поток к единице поверхности и к единице времени, то получаем удельную тепловую нагрузку q = Q/(F · τ) = - λ· (∂ t/ ∂n)

Физический смысл закона Фурье – количество тепла, проходящее за счет теплопроводности через поверхность dF за время d τ прямо пропорционально температурному градиенту (∂ t/ ∂n), поверхности dF и времени d τ.

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество тепла проходит за счет теплопроводности через 1 м² поверхности за время 1 час при разности температур в 1 градус, приходящийся на 1 м длины нормали к изотермической поверхности.

 λ выражает способность вещества проводить тепло и является физической характеристикой тела

λ меди = 330 ккал/м час °С; λ стали = 40-45 ккал/м час °С; λ изол. материалов = 0,1-0,02 ккал/м час °С; λ воды = 0,6 ккал/м час °С; λ воздуха = 0,02 ккал/м час °С

Вакуум – самый  лучший теплоизолятор.

С повышением температуры  теплопроводность твердых тел и  газов увеличивается, а жидкости – уменьшается (за исключением воды и глицерина). В технических расчетах λ усредняют и считают постоянной.

 

Дифференциальное уравнение  теплопроводности в неподвижной среде.

 

Выделяют элементарный объем dV = dx dy dz в неподвижной среде или в теле; с – теплоемкость,– теплопроводность, ρ – плотность; λ, ρ = const

Левая грань – количество тепла Q_x, правая грань Q_{x + dx}

Q_x = - λ· (∂ t/ ∂x)· dy dz ·d τ

 

Q_{x + dx} = - λ -----------