Общая характеристика тепловых процессов

Под тепловыми процессами и тепловой обработкой понимают нагревание и охлаждение сырья, продуктов, вспомогательных материалов и средств. Можно выделить несколько простых, но широко распространенных на практике тепловых процессов:

· адиабатный – происходящий без теплообмена с окружающей средой;

· изохорный – происходящий при постоянном объеме;

· изобарный – происходящий при постоянном давлении;

· изотермический – происходящий при постоянной температуре;

· изоэнтропийный – при постоянной энтропии;

· изоэнтальпийный – при постоянной энтальпии;

· политропный – при постоянной теплоемкости.

Теплообмен представляет собой перенос энергии в форме теплоты, происходящей между телами, температура которых различна, т.е. теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.

Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

Теплоноситель – движущая среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты.

Температурное поле – это совокупность значений температур во всех точках пространства в данный момент времени. Если в температурном поле температура является постоянной, поле наз. стационарным, если не постоянным, то нестационарным.

Геометрическое место точек температурного поля с одинаковой температурой называется изотермической поверхностью. Температура изменяется по нормали к изотермической поверхности, причем .

Предел отношения изменения температуры к расстоянию ( ) между изотермическими поверхностями по нормали называется температурным градиентом.

(1).

Связь между количеством передаваемой теплоты и площадью поверхности теплообмена определяется основным уравнением теплопередачи

(2)

которое для установившегося процесса имеет вид

(3)

Известны три способа передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры , времени и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока.

(4)

где - коэффициент теплопроводности среды, .

Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона гласит, что количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности и ядра потока (или наоборот) и продолжительности процесса .

(5)

Движущей силой теплового процесса является разность температур. Тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей. Следует отметить, что при теплопередаче от одного теплоносителя к другому перепад температуры не сохраняет своего постоянного значения вдоль поверхности теплообмена, поэтому пользуются средней разностью температур.

Рис. 1 Схема тепловых потерь

Выделим элемент поверхности dF, на которой происходит указанный процесс теплообмена. Количество тепла в единицу времени на элементе dF можно определить формулой.

(6)

В процессе теплообмена температура первого теплоносителя (ГС) понижается на величину:

, (7)

где с₁ – теплоемкость ГС, Дж/кгК, G₁ – масса ГС, кг.

Без учета потерь температура второго теплоносителя (НС) повысится на величину:

, (8)

где с₂ – теплоемкость ГС, Дж/кгК, G₂ – масса ГС, кг.

Вычитая одно из другого двух последних равенств, получаем:

(9)

Сделав подстановку из уравнения (1) в уравнение (4), и, преобразовав его, получим:

(10)

Согласно нашему рисунку, общее количество теплоты в единицу времени, переданное от одного теплоносителя и воспринятое вторым на всей поверхности F, имеет следующее выражение.

(11)

(12)

Осуществляем подстановку уравнений (6) и (7) в уравнение (5), получаем

(13)

Проинтегрировав полученное выражение при условии постоянства коэффициента теплопередачи К, имеем

(14)

Если в числителе произвести перегруппировку, и, согласно чертежу обозначить , а , то получим

, (15)

где - среднелогарифмическая разность температур.

Это соотношение справедливо как для прямотока, так и для противотока. При перекрестном токе вводится коэффициент Е, который определяется по соответствующим схемам графикам.

Критерии теплового подобия

(16)

Критерий Нуссельта ,

где - коэффициент теплоотдачи, ,

l – линейный размер, м,

- коэффициент теплопроводности, .

Характеризует интенсивность теплообмена на границе раздела фаз. Необходим для расчета коэффициента теплоотдачи.

Критерий Фурье ,(17)

где а - коэффициент температуропроводности, ,

- время, с.

Характеризует связь между скоростью изменения температурного поля размерами и физическими характеристиками среды в нестационарных процессах.

Критерий Пекле ,(18)

где - скорость движения среды, участвующей в теплообмене, м/с,

Характеризует отношение количеств тепла, которое распространяется в потоке жидкости конвекцией и теплопроводностью

Критерий Прандтля (19)

Характеризует теплофизические величины потока жидкости.

Критерий Грасгофа ,(20)

где - температурный коэффициент объемного расширения жидкости или газа, К^-1.

Характеризует гидродинамический поток жидкости в условиях естественной конвекции, которая будет происходить под действием разности плотностей холодного и горячего потока.

Критерий Нуссельта является определяемым, а все остальные критерии определяющие.

.

Цель интенсификации тепловых процессов заключается в повышении эффективности работы аппаратов и снижении расхода ими тепловой энергии. Задачи интенсификации предусматривают экономию энергии путем оптимизации технологически процессов, а именно интенсификация теплообмена связана с коэффициентом теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки.

Основным способами повышения коэффициента теплоотдачи являются:

1. Правильный выбор теплового аппарата.

2. Обеспечение турбулентного режима движения теплообменных сред в аппарате (применяют турбулизирующие вставки, перемешивающие устройства).

3. Замена свободной конвекции на принудительную.

4. Своевременный и полный отвод конденсата из паровых пространств, а также несконденсированных паров.

5. Оптимизация формы и размеров продукта, подвергаемых тепловой обработке.

6. Снижение термического сопротивления стенок аппарата за счет удаления накипи и пригара продукта.

Классификация аппаратов

В пищевой промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменными аппаратаминазываются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов – выпаривания и ректификации.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом топочные газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей.В пищевой промышленностичислу распространенных теплоносителей относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители - перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30⁰С) применяют в основном воду и воздух.

По основному назначению ТА делят на собственно теплообменники, где тепловой процесс является основным и реакторы, где тепловой процесс является вспомогательным, а основной процесс может быть либо физико-химический, либо биохимический.

Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла разделяются на две большие группы: поверхностные теплообменные аппаратыи аппараты смешения. В поверхностных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяют на рекуперативныеи регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в один период нагревается, аккумулируя тепло «горячего» теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая тепло «холодному» теплоносителю.

Рекуперативные теплообменные аппараты классифицируются по следующим признакам:

· По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо-жидкостные; газо-газовые; паро-газовые.

· По конфигурации поверхности теплообмена:

трубчатые аппараты с прямыми трубками; спиральные; пластинчатые; змеевиковые.

· По компоновке поверхности нагрева:

типа «труба в трубе»; кожухотрубчатые; оросительные аппараты.

Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.