Тепловое излучение

Конвекция

Закон Фурье

Теплопроводность

Способы передачи тепла

Определение, характеристика тепловых процессов

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1. Определение, характеристика тепловых процессов.

2. Способы передачи тепла.

2.1. Теплопроводность.

2.2. Конвекция.

2.3. Тепловое излучение

3. Источники тепла,теплоносители.

3.1. Прямые теплоносители.

3.1.1. Топочные газы.

3.1.2. Электроэнергия.

3.2. Промежуточные теплоносители.

3.2.1. Охлаждающие агенты.

3.2.2. Нагревающие агенты.

4. Теплообменники.

4.1. Классификация теплообменников.

5. Перспективы исследования теплообменных процессов.

Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми. К ним относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение /сушка, выпаривание жидкостей/ и др. Тепловые процессы широко распространены в фармацевтическом производстве. Они протекают при различных температурах. Самопроизвольно /без затраты энергии/ тепло может передаваться только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплообмена. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает. Tела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Передача тепла от одного тела к другому может осуществляться 3 способами:

1) теплопроводностью,

2) конвекцией,

3) тепловым излучением.

Теплопроводность - это процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении. При этом тепловая энергия передается от одной частицы к другой вследствие их колебательного движения, без перемещения друг относительно друга. Теплопроводность является основным видом распространения тепла в твердых телах за счет колебания атомов в кристаллической решетке или диффузии электронов в металлах. В чистом виде теплопроводность может встречаться также в неподвижных слоях жидкостей, газов или паров.

(основной законом передачи тепла теплопроводностью):

(1)

где,

Q - количество передаваемого тепла (например, через металлическую стенку)(Дж),

F - площадь поверхности (м²),

(t₁ - t₂) - разность температур (С°),

t - время (с),

s - толщина стенки (м),

l - коэффициент теплопроводности

Конвекция - процесс переноса тепла вследствие движения или перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Конвективный теплообмен происходит одновременно с теплопроводностью. Он может быть естественным / свободным / при наличии разности давлений, плотностей и других условий или принудительным - при перемешивании жидкостей и газов. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости. При этом уменьшается толщина пограничного ламинарного слоя у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель. Поскольку в самом ламинарном слое процесс передачи тепла осуществляется теплопроводностью, а теплопроводность газов и жидкостей невелика, то для интенсификации конвективного обмена необходимо уменьшить толщину пограничного слоя.К уменьшению его толщины приводит повышение турбулентности потока теплоносителя.

Со сложным механизмом конвективного обмена связаны трудности расчетов процесса теплоотдачи. Для удобства расчета в основу его кладут уравнение Ньютона, согласно которому количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к окружающей среде (жидкость, газ) или наоборот, прямо пропорционально поверхности теплообмена, разности температур поверхности и окружающей среды и времени t), в течение которого осуществляется теплообмен:

Уравнение Ньютона (конвективный обмен)

(2)

где,

Q - количество тепла, переданное от теплообменной поверхности
окружающей среде (Дж),

a - коэффициент теплоотдачи,

F - поверхность теплообмена (м²),

Dt - разность температур поверхности и окружающей среды (С⁰),

t - время (с).

Величина a зависит от многих факторов: характера движения теплоносителя (ламинарный, турбулентный), его скорости, физических свойств /вязкость, плотность, теплопроводность/, размера и формы поверхности теплообмена

Передача тепла излучением происходит путем переноса тепловой энергии в виде электромагнитных волн различной длины /0,4-40 мкм /, которые лежат в основном в ИК области спектра. В этом случае тепловая энергия переходит в лучистую, а лучистая при поглощении телом вновь превращается в тепло.

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля /по шкале Кельвина/. Твердые тела способны испускать волны всех длин спектра при любой температуре. Однако интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (> 600⁰С) лучистый обмен между твердыми телами и газами приобретает основное значение.

Поток лучей, испускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого лучеиспускающего тела, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело без изменений. Лучеиспускательная способ-ность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объя-сняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела.

Согласно закону Стефана-Больцмана, количество тепла Q (Дж) абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего тела и четвертой степени его абсолютной температуры:

(3)

где,

Q - количество тепла абсолютно черного тела, излучаемого в единицу
времени (Дж),

С₀ - коэффициент лучеиспускания, абсолютно черного тела

F - поверхность излучающего тела (м²),

T - абсолютная температура (К⁰).

для серых тел:

C = e × C₀,

где

e - степень черноты тела.

Значения e приводятся в специальной и справочной литературе.

Рассмотренные способы передачи тепла раздельно встречаются редко, они обычно сопутствуют друг другу, т.е. происходит сложный теплообмен

Дата добавления: 2017-01-14