Основные уравнения теплопередачи

Количественной характеристикой сложного теплообмена служит коэффициент теплопередачи, который включает коэффициент теплоотдачи от внутренней среды к внутренней поверхности стенки и от внешней стороны стенки к окружающей среде.

При установившемся потоке тепла Q теплопередача к поверхности стенке составит:

, кДж/с.

где - коэффициент теплоотдачи.

Количество тепла, проникающего через стенку путем теплопроводности:

, кДж/с,

где d - толщина стенки, - коэффициент теплопроводности.

Теплопередача от поверхности к окружающей среде:

, кДж/с.

Из этих уравнений следует:

, кДж/с.

Безмашинные способы охлаждения

Охлаждение водным льдом

Широко применяется в различных отраслях, этому способствует доступность, большая скрытая теплота плавления и низкая температура тающего льда. Охлаждение льдом обусловлено теплоотдачей охлаждаемой среды к поверхности льда, при этом температура его плавления должна быть ниже температуры охлаждаемой среды. Количество тепла , отдаваемое с помощью льда и ледяной воды равно:

;

где - теплота на нагрев льда до ºС; - теплота плавления льда; - теплота нагрева ледяной воды до ; и - массовые теплоемкости льда и воды; - скрытая теплота плавления льда.

Ледяное охлаждение осуществляют тремя способами: 1 – непосредственным охлаждением; 2 – с использованием воды; 3 – с использованием воздуха в качестве промежуточного теплоносителя.

Непосредственное охлаждение – это прямой контакт со льдом. Лед измельчают, затем либо пересыпают продукт, либо обсыпают его вокруг.

Охлаждение с использованием воды в качестве промежуточного теплоносителя осуществляется путем использования льда для получения ледяной воды и охлаждения ей объекта. Вода циркулирует от объекта ко льду. Она может контактировать со льдом через стенку теплообменника (змеевика или пластинчатого). Коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда 116 Вт/м²К.

Охлаждение с использованием воздуха в качестве промежуточного теплоносителя. Способ основан на передаче теплоты от охлаждаемого объекта воздуху, а от воздуха ко льду. При естественной циркуляции воздуха лед может располагаться в емкостях имеющих щели, жалюзи, гофрированные стенки для большей теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи 7 Вт/м²К. В случае принудительной циркуляции воздуха, воздух проходит через слой колотого льда. Теплообмен интенсифицируется. Коэффициент теплоотдачи 17 Вт/м²К при высокой влажности (95%) при этом способе получают =5 °С.

Льдосоляное охлаждение

Позволяет достигать более низких температур, при этом используют смесь льда с некоторыми солями. Одновременно при этом происходят процессы растворения соли с образованием рассола.

На плавление льда и растворение соли затрачивается теплота смеси вследствие чего температура ее снижается. Наиболее низкая температура смеси определяется криогидратной точкой в которой находится в термодинамическом равновесии три фазы: рассол; соль; лед.

Криогидратной точке соответствует эвтектическая концентрация соли. Эта смесь называется эвтектиком. Характеристики льдосоляной смеси изменяют при изменении концентрации соли в растворе. Исключение составляют смеси с эвтектическими концентрациями солей. Они плавятся при постоянной и наиболее низкой температуре льда и соли.

При льдосоляном охлаждении чаще всего используют смесь дробленого льда и соли ( ). Температура -21,2 °С при концентрации соли 23,1 %. Используется способ охлаждения рассолом через охлаждающую батарею. Циркуляция осуществляется насосом или разностью плотностей рассола.

Рис. 27. Рассольное охлаждение с насосной циркуляцией: 1- генератор холода; 2-фильтр; 3-насос; 4-охлаждающая батарея; 5-концентрат рассола; 6-регулирующий вентиль; 7-ороситель; А-рассол; Б-лед; В-соль.

В установке, лед, загружаемый в генератор хода, орошается сверху рассолом, прошедшим охлаждающую батарею. В нижнюю часть генератора холода стекает охлажденный рассол с более низкой концентрацией соли из-за таяния льда. Для поддержания концентрации, часть теплого раствора после батареи подается в бачок – концентратор с солью, из которого более насыщенный раствор перетекает в генератор холода. Концентратор периодически пополняется солью. Использованный теплый раствор удаляют. Разность температур рассола в батарее и воздуха составляет 6…8 °С. В установке с само циркуляцией наибольшую плотность рассол приобретает в концентраторе. В генераторе холода концентрация падает из-за разбавления талой водой, и он вытесняется к батарее более концентрированным рассолом. Нагреваясь в батарее, рассол снижает плотность и поднимается до концентратора, завершая контур. Загрузка льдом и солью периодическая.