ПАПП_Лекция № 5

1. Лекция № 5 Научные основы процессов и аппаратов. Основы теплопередачи

2. Характеристика тепловых процессов

К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и
конденсации, скорость которых определяется скоростью переноса
энергии в форме теплоты.
Нагревание — повышение температуры тел путем подвода к ним
теплоты.
Охлаждение — понижение температуры тел путем отвода от них теплоты.
Частным случаем испарения является процесс выпаривания —
концентрирование при кипении растворов твердых нелетучих веществ
путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.
Конденсация — сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от
них теплоты.
2

3. Характеристика тепловых процессов

Теплота является наиболее универсальной формой энергии, возникающей
в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения
микрочастиц — молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой
энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая,
химическая, электрическая, ядерная и т. п.) трансформируется в конечном
счете частично или полностью в тепловое движение молекул. Различные
тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что
количественно выражается первым законом термодинамики.
3

4. Характеристика тепловых процессов

Перенос энергии в форме теплоты происходит между телами с различной
температурой и называется теплообменом. Движущей силой любого
процесса теплообмена является разность температур более нагретого и
менее нагретого тел. Теплообмен — это самопроизвольный процесс
переноса теплоты. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы,
называют теплообменниками.
Теплопередача — это перенос теплоты от более нагретой среды к менее
нагретой через разделяющую их стенку. Оба вещества, участвующие в
теплопередаче, называются теплоносителями (более нагретый —
«горячим», менее нагретый — «холодным»). В случае возможности
смешения теплоносителей теплопередача осуществляется
непосредственным соприкосновением, т. е. смешением обоих
теплоносителей. Очевидно, что в этом случае процесс теплопередачи
протекает интенсивнее.
4

5. Характеристика тепловых процессов

Исследования показывают, что теплопередача является сложным процессом,
который можно расчленить на простые явления. Различают три
элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и
тепловое излучение.
Теплопроводность представляет собой процесс молекулярного переноса
теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента
температуры. Теплопроводность в чистом виде, как правило, встречается в
твердых телах. Так, в металлах перенос теплоты теплопроводностью связан с
перемещением свободных электронов и колебаниями атомов
кристаллической решетки.
Конвекция происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что
перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве
макроскопическими объемами среды.
Тепловое излучение — перенос теплоты в виде электромагнитных волн с
двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую и обратно.
5

6. Характеристика тепловых процессов

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплообмена. В
аппаратах непрерывного действия температура в различных точках не
изменяется во времени и протекающие процессы теплообмена являются
установившимися (стационарными). В аппаратах периодического действия
температура изменяется во времени, процессы теплообмена в таких
аппаратах являются неустановившимися (нестационарными). Эти процессы
имеют место также при пуске, остановке и изменении режимов работы
аппаратов непрерывного действия.
6

7. Характеристика тепловых процессов

Расчет теплообменной аппаратуры включает следующие этапы:
• определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т. е.
количества теплоты Q, которое должно быть передано в течение
определенного времени от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток
вычисляется на основе составления и решения тепловых балансов;
• определение площади поверхности теплообмена F аппарата,
необходимой для обеспечения передачи требуемого количества теплоты в
заданное время. Величина площади поверхности теплообмена зависит от
скорости теплопередачи, а последняя — от механизма передачи теплоты.
Поверхность теплообмена рассчитывается из основного уравнения
теплопередачи.
7

8. Характеристика тепловых процессов

При расчете теплообменных аппаратов используется кинетическое
уравнение, выражающее связь между тепловым потоком Q и площадью
поверхности F теплопередачи. Оно называется основным уравнением
теплопередачи:
Q = K‧F‧Δtср‧τ,
где K — коэффициент теплопередачи, определяющий скорость переноса
теплоты; Δtср — средняя движущая сила или средняя разность температур
между теплоносителями (средний температурный напор) по всей
поверхности теплопередачи; F — площадь поверхности теплопередачи; τ —
время.
8

9. Характеристика тепловых процессов

Единица измерения коэффициента теплопередачи: