Движущая сила тепловых процессов

Движущей силой всякого переноса массы или энергии является разность потенциалов, характерных для данного процесса. Эта разность является мерой удаленности системы от состояния равновесия.

Движущей силой теплообмена между участками (точками) тела или поверхностью тела и окружающей средой является разность температур (Dt = t₁- t₂), называемая температурным напором.

Чем больше температурный напор, тем быстрее идет теплообмен. Скорость теплового процесса v_t можно описать следующим уравнением:

(1)

где K – коэффициент пропорциональности; R – сопротивление теплопередаче.

Движущая сила теплообмена определяет величину теплового потока, как при теплопроводности, так и конвекции. При расчете процесса теплообмена и тепловых аппаратов необходимо знать величину теплового напора Dt.

В процессе теплообмена температуры сред меняются, следовательно, изменяется и величина Dt, которая зависит от направлений относительного движения теплоносителя и нагреваемого материала, а также от их свойств.

Движение может быть прямоточным, когда потоки движутся в одинаковом направлении, и противоточным, когда потоки движутся в противоположных направлениях. В некоторых случаях движение потоков может быть перекрестным.

На рис. 1 показан характер изменения температур потоков при прямоточном (а) и противоточном (б) движении вдоль поверхности теплообмена.

Более нагретый поток охлаждается от температуры t^’₁ до t^’’₁, другой, более холодный, нагревается от t^’₂ до t^’’₂.

При прямоточном движении температура потоков в предельном случае будет одинаковой, но конечная температура холодного потока t^’’₂ не может быть выше конечной температуры горячего потока t^’’₁. При противотоке такой случай, когда t^’’₂ > t^’’₁, возможен. Это означает, что средний температурный напорDt_m в случае противотока выше.

Рис. 1.

Величину среднего температурного напора определяют как среднюю логарифмическую разность температур по формуле:

(2)

где Dt^’ = t^’₁ – t^’₂ – наибольшая разность температур между теплоносителем и материалом; Dt^’’ = t^’’₁ – t^’’₂ – наименьшая разность температур между теплоносителем и материалом.

Если температуры теплоносителей изменяются незначительно и когда Dt^’’/Dt^’ > 0,6, то средний температурный напор определяют как среднее арифметическое из крайних напоров:

(3)

Правильный выбор взаимного движения теплоносителя и материала имеет существенное значение для экономного проведения процесса теплообмена.

При противотоке материал с той же начальной температурой, что и при прямотоке, в конце процесса может нагреться до более высокой температуры. Из уравнения теплового баланса следует, что при данных условиях, разница в расходах тепла будет определяться только потерями тепла с отходящими материалами. Так как при противотоке эти потери выше и больше температура отходящего материала, то и расход тепла на тепловую обработку материала при противотоке выше, чем при прямотоке. Отсюда следует, что с точки зрения расхода тепла прямоток выгоднее, чем противоток.

В промышленности строительных материалов противоток применяют чаще, чем прямоток. Это связано со следующими соображениями:

· большинство материалов, подвергаемых тепловой обработке имеют малую прочность и не допускают больших перепадов температур между теплоносителем и материалом;

· при противотоке средний температурный напор больше, чем при прямотоке, следовательно, скорость теплообмена также больше. Следовательно, времени на обработку материала при прочих равных условиях при противотоке требуется меньше, чем при прямотоке.

Поэтому при выборе схемы подачи теплоносителя следует исходить не только из экономичности теплового процесса как такового, но и учитывать потери от брака продукции и возможный выигрыш в производительности тепловой установки.