Структурно-логическая схема модуля № 3

МОДУЛЬ 3. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Цель обучения модуля № 3

Изучить основные закономерности процессов переноса тепла, выйти на понимание общности переноса тепла с другими процессами переноса, усвоить общие подходы анализа и расчета процессов переноса тепла и получить практические навыки тепловых расчетов аппаратов.

Программа модуля № 3

Общие сведения. Основные понятия и определения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, градиент температур. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс как частный случай энергетического баланса.

Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности: физический смысл, единицы измерения. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической*, однослойной и многослойной стенок*.

Тепловое излучение: роль теплового излучения в химической технологии, законы Стефана–Больцмана и Кирхгофа. Излучение веществ в конденсированном и газообразном состояниях.

Конвективный перенос тепла. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой; взаимосвязь профилей температуры и скоростей в потоках. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи: физический смысл, единицы измерения. Дифференциальное уравнение стационарного и нестационарного конвективного переноса тепла в потоке.

Тепловое подобие. Критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена.

Теплоотдача при изменении агрегатного состоя ния (конденсация пара, кипение жидкостей).

Теплоотдача при свободном и вынужденном движении. Теплоотдача в аппаратах с мешалкой.

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы измерения.
Термические сопротивления: определяющее значение термического сопротивления. Лимитирующая стадия. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей*. Нестационарный процесс переноса теплоты.

Математическое моделирование процессов переноса тепла в теплообменниках. Блок-схема расчета тепловых процессов. Методы интенсификации теплообмена.

Структурно-логическая схема модуля № 3

Для всякого химического производства, прямо или косвенно, температура является одним из решающих технологических или экономических факторов:

– движущей силой химико-технологических процессов является «свободная» энергия реагирующих веществ, которая есть функция температуры, поэтому управление химическими машинами сводится, прежде всего, к сообщению или отводу тепла для создания в аппарате требуемого температурного режима;

– экономика любого производства заставляет задуматься над вопросами теплопереноса: в химических производствах тепловая энергия составляет в среднем от15 до 20 % себестоимости продукта.

Поэтому с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов значение тепловых процессов очень велико.

На рисунке 4.1 представлена структурно-логическая схема изучения основ теплопередачи.

Рассматриваются следующие стороны процесса: законы сохранения энергии и массы, движущая сила и кинетика процесса.

Законы сохранения энергии и массы позволяют определить
расходы теплоносителей и энергии для проведения теплообмена,
а также температуру теплоносителей; агрегатное состояние теплоносителей оказывает влияние на определение средней движущей силы процесса.

Кинетика определяет скорость теплообмена, характеризуемую коэффициентами теплоотдачи и тепловой проводимостью стенки, на основе которых рассчитывается коэффициент теплопередачи.

Совместное рассмотрение всех сторон процесса дает возможность определить и поверхность теплообмена. Схема наглядно показывает влияние отдельных факторов, характеризующих процесс, и их связь в расчете теплообмена. Определяющим звеном схемы и основной целью расчета является определение поверхности нагрева.

Более подробный анализ кинетики процесса и механизма теплообмена приведен на рисунке 4.2. Здесь показаны три основных способа передачи тепла (1)–(3): тепловое излучение, теплопроводность и конвекция, а также уравнения (4)–(8), описывающие эти процессы.

Путем подобного преобразования дифференциальных уравнений (5), (6), (8) находят критерии подобия (10). С учетом гидродинамического и геометрического подобия получают обобщенное критериальное уравнение конвективного теплообмена (11), которое позволяет определить коэффициенты теплоотдачи (12) для обоих теплоносителей и рассчитывать коэффициенты теплопередачи(13) из условияаддитивности частных сопротивлений теплопередаче.

При сложной теплопередаче учитывается передача тепла излучением (9); в этом случае вводится общий коэффициент теплоотдачи (14), равный сумме коэффициентов теплоотдачи при конвекции (12) и излучении (9).