Основы теории передачи теплоты

Теплообменные процессы и аппараты

Практически все современные процессы химической технологии связаны с передачей теплоты и вещества внутри тела (системы) из одной области в другую. Устройства, в которых протекают химико-технологические процессы, – тепловые и массообменные аппараты – проектируются и конструируются с учетом закономерностей соответствующих процессов. Например, расчет тепловой изоляции трубопроводов и самих химических аппаратов, коэффициента теплопередачи в теплообменниках, стационарных и нестационарных полей температуры и концентрации.

Основы теории передачи теплоты

Теплота – количество энергии, получаемое или отдаваемое системой при теплообмене (когда работа совершается над отдельными молекулами тела или системы).

Тепловое состояние тела полностью характеризуется его температурным полем – зависимостью температуры от координат и времени: Т = Т(x, y, z, t). Зная температурное поле, то есть функцию Т(x, y, z, t), можно рассчитать температуру в различных точках тела в любой момент времени t. Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле является стационарным. Если температура одинакова во всех точках тела, поле называется равномерным или однородным. Если температура изменяется только вдоль одной координатной оси, поле – одномерное.

Совокупность точек тела, имеющих в данный момент времени одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность. На чертеже (рис. 3.1) температурное поле изображается с помощью линий, называемых изотермами, которые образуются сечением изотермических поверхностей плоскостью чертежа. Эти линии проводятся таким образом, чтобы разность температур между двумя соседними изотермами DТ была одинаковой Т₂ = Т₁+ DТ; Т₃ = Т₁+2DТ; Т₄= Т₁+3DТ и т. д.

Рис. 3.1. Изотермы температурного поля

Важной характеристикой температурного поля является градиент температуры grad T (его обозначают также с помощью знака «Ñ» (набла)), ÑТ.

Градиент температуры – векторная величина:

ÑТ = grad T = (3.1)

Вектор gradT в данной точке направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. Величина градиента показывает, как быстро изменяется температура в этом направлении. Единица измерения градиента в СИ – К/м.

Основные понятия теории теплообмена

Состояние системы, при котором ее параметры (температура, давление, концентрация компонентов смеси) постоянны по всему объему, является равновесным. При отсутствии внешних воздействий на систему она может находиться в данном равновесном состоянии бесконечно долго. Любое нарушение равновесия при внешнем воздействии приведет к возникновению в системе явлений переноса. Так, подвод или отвод тепла в определенной части объема тела обуславливает перенос тепла из более нагретой его области в менее нагретую, то есть из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой. Изменение концентрации компонента в какой-либо части объема жидкой или газообразной смеси (за счет химической реакции, фазовых превращений или других воздействий) приводит к переносу этого вещества в область, где его концентрация меньше. Удаление воды (испарение) с поверхности влажного пористого материала при его сушке вызывает перенос влаги из внутренних слоев тела к поверхности. Таким образом, процессы переноса теплоты и вещества являются неравновесными процессами. Их характерная особенность заключается в том, что значения параметров состояния – температуры, концентрации, влажности – не постоянны: они различны в разных точках пространства, занимаемого системой, и, кроме того, могут изменяться с течением времени. Направление процессов переноса таково, что после вывода системы из состояния равновесия и при отсутствии в дальнейшем внешних воздействий система стремится принять равновесное состояние (происходит выравнивание температур, концентрации и других параметров состояния во всем объеме системы).

Параметры состояния, под действием разности которых происходят явления переноса, называются потенциалами переноса (по аналогии с электрическими явлениями). Так, потенциалом переноса теплоты является температура Т. В системе СИ температура измеряется в Кельвинах (К); для измерения температуры используется также внесистемная единица – градус Цельсия (°С). Разность температур, выраженных в °С, численно равна той же величине, выраженной в К.

Потенциал переноса вещества – концентрация С. Под концентрацией понимается количество вещества, содержащееся в единице объема. Единицами измерения концентрации в СИ являются кг/м³ или кмоль/м³. При переносе влаги в капиллярно-пористом материале ее концентрацию выражают, как правило, отношением массы воды к массе сухого вещества. Эту величину принято называть влагосодержанием W. Влагосодержание – величина в принципе безразмерная, однако, часто размерность применяют в виде кг/кг.

Перенос тепла количественно характеризуется плотностью теплового потока q (или j_T). Величина плотности теплового потока представляет собой количество тепла, переносимого за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности. Единица измерения плотности теплового потока в СИ является Вт/м² = Дж/(с*м²). Поскольку перенос тепла происходит в направлении убывания температуры (от более нагретых точек тела к менее нагретым), вектор q направлен в сторону, противоположную вектору градиента температуры.