Движущая сила тепловых процессов

Классификация тепловых процессов

Общие сведения о тепловых процессах

Большинство технологических процессов производства строительных материалов связано с использованием тепла. Многие технологические и эксплуатационные свойства строительных материалов в значительной степени от рационального выбора режима тепловой обработки при их изготовлении и соответствующего теплового оборудования. Эти же показатели определяют экономические показатели технологии.

Обмен теплом между телами (физическими средами) происходит самопроизвольно в направлении от более нагретого к менее нагретому.

Поверхность тела, которая отдает или воспринимает тепло, называется поверхностью теплообмена. Поверхность теплообмена является одной из основных характеристик тепловых установок.

В технике для переноса тепла от теплоотдающей поверхности к тепловоспринимающей обычно служат жидкие или газообразные среды. По отношению к теплоотдающей поверхности такую среду называют хладоагентом, а по отношению к тепловоспринимающей – теплоносителем.

Различают три основных формы теплообмена – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность – это перенос тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц (атомов, молекул) непосредственно соприкасающихся друг с другом.

Тепло распространяется по всему телу со скоростью, зависящей от свойств тела и разности температур между отдельными его участками. В твердых телах теплопроводность является основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной (свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости (газа).

Практически чистого конвективного переноса тепла не бывает. Поскольку движущаяся часть жидкости (газа) находится в соприкосновении с менее нагретой, то конвективный перенос тепла всегда сопровождается теплопроводностью. Такой совместный перенос тепла называется конвективным теплообменом.

Тепловое излучение – перенос энергии с помощью электромагнитных волн инфракрасной части спектра.

Чаще всего на практике теплообмен происходит между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела, он называется конвективной теплоотдачей. Теплообмен между двумя средами через разделительную стенку называют теплопередачей.

В действительности при теплообмене имеют место все три способа передачи тепла в совокупности. При этом один из способов может быть преобладающим. Изучение процесса теплообмена представляет собой сложную задачу и основывается на закономерностях «чистых» способов распространения тепла.

Тепловыми процессами называются такие технологические процессы, в которых материал нагревается или охлаждается, а скорость их протекания определяется скоростью подвода или отвода тепла.

К тепловым процессам относятся:

· нагревание – процесс повышения температуры материала путем подвода тепла;

· охлаждение – процесс понижения температуры материала путем отвода тепла;

· испарение – процесс перевода жидкости в парообразное состояние путем подвода тепла;

· конденсация – процесс перевода пара в жидкое состояние путем отвода тепла.

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:

(10.1)

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

Рис. 10.1. Изменение температур потоков при прямоточном (а) и противоточном (б) движении теплоносителя

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 напор Dt_m в случае противотока выше.

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

(10.2)

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.

Дата добавления: 2014-01-07