Общие представления о тепловых процессах

Бийский технологический институт (филиал)

Н.А. Орлова, Е.А. Пазников, И.Н. Павлов

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ

по курсу «Процессы и аппараты химических производств»

для студентов специальностей:

БТ – 240901, ХТПК – 240702, ХТОСА – 240701, АПХП – 240706

и по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»

для студентов специальностей

МАПП – 260601 и ТБП и В – 260204

Авторы:

Зам. зав. кафедрой А.И. Росляков

Нормоконтролер каф. Г.В. Багров

Заместитель МКФ И.В. Космина

Зав. библиотекой Л.В. Волкова

Инженер по стандартизации Л.И. Идт

Проректор по УР В.А. Харитонов

Бийск 2006

УДК 621.1.01. (075.8)

Орлова, Н.А. Тепловые процессы: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Процессы и аппараты химических производств» для студентов специальностей 240901, 240702, 240701, 240706 и по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов специальностей 260204 и 260601/Н.А. Орлова, Е.А. Пазников, И.Н. Павлов

Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. – Бийск:

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006.- 44 с.

В издании содержится описание правил, порядка и методики проведения лабораторных работ по основам теплопередачи для студентов, обучающихся по модульно-рейтинговой технологии по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». Методические рекомендации включают две работы по процессам теплообмена, которые иллюстрируют основные закономерности и виды передачи тепла.

Методические рекомендации предназначены для студентов специальностей 240901 – «Биотехнология», 240702 – «Химическая технология полимерных композиций», 240701 – «Химическая технология органических соединений азота», 240706 – «Автоматизированное производство химических предприятий», 260601 – «Машины и аппараты пищевых производств», 260204 – «Технология бродильных производств и виноделие».

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Процессы и аппараты химической технологии». Протокол № 3 от 28.06 2006 г.

Рецензент: к.т.н., зав. кафедрой ТХМ В.А. Куничан

Предисловие

Переход на многоуровневую систему высшего образования и, как следствие, усложнение учебного материала в связи с изменением принципов построения учебных планов и курсов потребовало в последние годы интенсификации обучения и существенной самостоятельной учебной деятельности студентов.

Определенный вклад в решение этих задач должна внести разработка и внедрение в учебный процесс научно обоснованных, современных образовательных технологий, среди которых особое место занимает модульно-рейтинговая технология обучения (МРТО).

Модульно-рейтинговая технология имеет целью поставить студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной работы в течение всего семестра. Это достигается делением учебного материала курса на крупные блоки (модули), по завершении которых студент сдает промежуточные (модульные) экзамены (ПЭ). Полученные им баллы за все ПЭ суммируются и составляют его рейтинг по данной дисциплине. При этом баллы, полученные за текущую учебную работу, рассматриваются как допуск студента к промежуточным экзаменам.

Максимальное количество баллов, которые студент может получить за одну лабораторную работу – 6. Эта цифра получается следующим образом: получение допуска к работе (1 балл), выполнение работы (1 балл), оформление отчета (1 балл), защита работы в срок (2 балла), применение ЭВМ (1 балл).

План проведения лабораторных работ:

– лабораторные работы проводятся группой из двух-трех студентов;

– выполнению работы предшествует письменный опрос по теории работы и устное собеседование по методике ее проведения принципу работы лабораторной установки и входящих в нее приборов и устройств;

– после выполнения работы студенты составляют отчет по лабораторной работе, обязательно включающий раздел, где объясняются полученные результаты (Приложение А);

– итогом работы является защита полученных в ней результатов, которая проводится устно или письменно, но обязательно индивидуально;

– отчеты по лабораторным работам составляются каждым студентом индивидуально и после защиты сдаются преподавателю;

– темы и план лабораторных работ сообщаются студентам заранее.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с быстрым развитием новой техники все большее значение в инженерных проработках приобретают вопросы теплообмена. Эффективность и надежность работы перспективных тепловых двигателей, в конечном итоге, определяются надежностью инженерных методов расчета теплообмена. Решение многих задач космической техники, авиационной техники, большой энергетики неразрывно связано с успехами теории теплообмена. На предприятиях пищевой промышленности одним из наиболее распространенных процессов является тепловая обработка продуктов. В зависимости от характера и цели технологического процесса тепловая обработка должна обеспечивать поддержание температуры продукта на определенном уровне, нагревание холодного или охлаждение горячего продукта, замораживание продукта и т.п.

То есть, область тепловых процессов весьма широка, она включает многочисленные и достаточно разнообразные процессы. Объединяет данные процессы в отдельную группу то, что в своем осуществлении и описании они базируются на закономерностях переноса энергии (теплоты). Конечно, и другие химико-технологические процессы используют перенос энергии, но превалирует там перенос иных субстанций (например, вещества). В самом общем плане к тепловым процессам следует относить технологические приемы, основанные на переносе энергии и приводящие к практически важным направленным изменениям состояния рабочих тел.

Таким образом, технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов, теплообменниками.

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ

Теплопередача – наука о самопроизвольном переносе тепла от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой (в узком смысле, теплопередача – это перенос тепла от одной среды к другой через разделяющую их твердую теплопроводящую поверхность).

Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями. Иногда в случае возможности смешения теплоносителей теплопередачу осуществляют непосредственным соприкосновением этих теплоносителей.

Задачи теплообмена весьма 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.

Механизмы теплопереноса

В связи с тем, что перенос теплоты является сложным процессом, его разделяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: тепловое излучение, теплопроводность и конвекцию.

Тепловое излучение – это перенос тепла с помощью электромагнитных волн, источниками которых являются колебания заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

Теплопроводность – представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекция – это перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной или свободной конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например, в случае перемешивания ее мешалкой.

Возможны любые сочетания из трех указанных элементарных видов теплообмена. Например, передача теплоты от факела горящего топлива к наружным поверхностям стенок труб осуществляется лучеиспусканием, от горячих газов к этим поверхностям – конвективной теплоотдачей, через стенки труб – теплопроводностью, а от внутренних стенок к воде – конвективной теплоотдачей.

Передача тепла излучением

Лучеиспускание свойственно всем телам, при этом излучение энергии происходит непрерывно. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн.

При попадании лучистой энергии на какое-либо тело поглощается лишь часть этой энергии; другая ее часть отражается, а некоторая часть проходит сквозь тело. Если тело полностью поглощает все падающие на него лучи, то называется оно – абсолютно черным (например, технический углерод – сажа, полая сфера с небольшим отверстием). Если тело отражает падающие на него лучи, то называется абсолютно белым (например, тела с полированной поверхностью). Если тело пропускает все падающие на него лучи, то это тело абсолютно прозрачное, или диатермическое.

В природе нет абсолютно черных, белых и прозрачных тел. Однако твердые тела и жидкости практически нетеплопрозрачны. Газы в большинстве своем диатермичны.

В процессе переноса тепла оба тела излучают и поглощают. Количество тепла Q, передаваемого посредством излучения от более нагретого твердого тела, имеющего температуру Т₁, к менее нагретому телу с температурой Т₂, определяется из уравнения:

, (1.1)

где – приведенный коэффициент излучения, ;

S – поверхность излучающего тела, м².