Теория тепло - и массообмена

Процесс передачи теплоты является сложным физическим явлением, зависящим от многих факторов, поэтому при изучении его разделяют на простые (идеализированные) явления: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Изучение процессов тепло – и массообмена надо начинать с усвоения основных понятий: температурного поля, зависимости температурного поля от времени и пространства, классификации температурного поля, температурного градиента и теплового потока.

Понятие температурного градиента тесно связано с понятием градиента функции. Поэтому к изучению понятия градиента температуры необходимо приступать после повторения темы «Градиент функции» в соответствующем разделе математики.

Особое внимание необходимо уделить изучению идеализированных процессов тепло – и массообмена, усвоению их основных законов:

- теплопроводности - закон Фурье устанавливающего зависимость между величиной теплового потока и градиентом температуры;

- закона теплоотдачи Ньютона – Рихмана;

- законов теплового излучения.

Изучая раздел «Теплопроводность» необходимо уяснить физический смысл коэффициента теплопроводности, который характеризует способность тел проводить теплоту, научиться правильно, находить его величину для различных рабочих тел. При этом студент должен научиться определять количество теплоты, проходящей через однослойную многослойную плоскую и цилиндрическую стенки при стационарных процессах теплопроводности, усвоить законы изменения температуры внутри таких тел.

В сельском хозяйстве находят широкое применение различные теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты, например электрические водонагреватели. Поэтому необходимо обратить внимание на расчёт процессов теплопроводности тел с внутренними источниками тепла.

При изучении конвективного теплообмена необходимо усвоить его связь с физическими свойствами теплоносителя и характером его движения. Поэтому изучать конвективный теплообмен нужно после знакомства с основами гидроаэродинамики. В результате этого должно сложиться ясное представление о видах движения жидкостей и газов - свободном и вынужденном и режимах его – ламинарном и турбулентном, а также о природе пограничного слоя.

Необходимо разобраться в сущности теорий гидродинамического и теплового подобия.

Интенсивность конвективного теплообмена зависит от самых различных факторов, поэтому конвективный теплообмен изучается в основном экспериментальным путём. Планирование и обработка эксперимента осуществляется с использованием теории подобия. Величины коэффициента теплоотдачи конвекцией определяются на основе функциональной связи между тепловыми и гидродинамическими числами подобия. Обратите основное внимание на числа подобия, входящие в расчётные формулы, и на метод их нахождения по определяющим геометрическим размерам и температурам, при которых физические контакты берутся из таблицы. Уясните, как влияют на характер эмпирических зависимостей режим и вид движения теплоносителя и род рабочего тела.

Необходимо изучить методы определения критериев подобия, определяющих теплообмен и научиться вычислять числа подобия Рейнольдса и по их величине определять режим движения теплоносителя.

Следует запомнить основные числа подобия, применяемые при расчёте конвективного теплообмена (критерии Nu, Re, Pr, Gr), чётко разобравшись в их физической сущности, а также запомнить структуру основных эмпирических уравнений конвективного теплообмена: уравнения типа Nu=A Re Pr и Nu=c (Gr Pr). Запоминать конкретные эмпирические уравнения не нужно, однако необходимо на основе анализа этих уравнений уметь объяснить механизм теплообмена в различных условиях и давать им сравнительную оценку.

Особое внимание необходимо обратить на пути интенсификации конвективного теплообмена. При изменении агрегатного состояния следует рассмотреть переход от пузырчатого режима кипения к плёночному и уяснить физическую природу снижения коэффициента теплоотдачи при появлении на стенки паровой плёнки. В данном случае нужно ясно представить себе опасности, связанные с превышением критической тепловой нагрузки.

Изучая вопрос теплоотдачи при конденсации пара, особое внимание следует обратить на влияние плёнки конденсата и на меры, способствующие её удалению.

Приступая к изучению процессов теплового излучения, прежде всего, необходимо понять, что тепловое излучение всегда сопровождается двойным превращением энергии – тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а лучистая энергия, поглощаясь другим телом, переходит в тепловую.

Необходимо изучить классификацию тел по их поглощательной и излучательной способностям, а затем разобраться в основных законах и рассмотреть основные случаи лучистого теплообмена между телами. В заключении надо ознакомиться с вопросами поглощения и излучения газов, т. к. теплообмен в топках и газоходах котельных агрегатов и в промышленных печах в значительной степени определяется излучением газа.

Разделение теплообмена на три вида является условным и проведено по методическим соображениям. В действительности же теплообмен во всякого рода аппаратах и устройствах обычно происходит одновременно всеми видами переноса.

Теплопередачу необходимо рассматривать как сложный процесс теплообмена, уяснив при этом назначение и классификацию теплообменных аппаратов по принципу действия.

В курсе «Теплотехника» рассматривается расчёт рекуперативных и регенеративных теплообменников.

Цель расчёта при проектировании новых аппаратов заключается в определении величины площади поверхности нагрева. Для работающих аппаратов, когда поверхность нагрева известна, целью расчёта являются установка режима работы аппарата, определение конечных температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи.

Необходимо ясно представлять различие в схемах прямоточного и противоточного рекуперативных теплообменников, разбираться в вычислениях среднего температурного напора в каждой из схем и уметь давать сравнительную характеристику той и другой схемам. Студенты должны знать, в каких случаяхнеобходимо определять среднюю логарифмическую разность температур, а в каких можно пользоваться средней арифметической разностью.

Во многих теплообменных аппаратах происходят процессы, сопровождающиеся переносом массы. Примерами таких процессов могут служить процессы сушки, испарения, абсорбции и др. Если теплообмен характеризуется выравниванием температур, то массообмен проявляется в выравнивании концентрации вещества.

Изучение темы надо начать с усвоения основных терминов и понятий: диффузия молекулярная и молярная, термодиффузия и др. Далее нужно ознакомиться с законом Фика, характеризующим интенсивность концентрационной диффузии, обратив при этом внимание на его аналогию с законом Фурье. Необходимо разобраться и усвоить такие понятия, как плотность потока массы, коэффициент молекулярной диффузии.

При сушке влажных материалов механизм переноса теплоты и влаги отличается от процессов, протекающих при испарении жидкости со свободной поверхности. Изучите основные законы переноса теплоты и массы во влажных материалах, числа подобия тепломассообмена, основные критериальные уравнения, коэффициенты переноса теплоты и вещества.

Литература: 2, с. 72-129; 3.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните отличие в механизме теплопереноса трёх элементарных видов теплообмена.

2. Как формулируется основной закон теплопроводности в дифференциальной и конечной формах. Дайте анализ этого закона.

3. В отличие процессов теплоотдачи и теплопередачи.

4. Какие существуют основные формы движения жидкости и какая между ними разница. Переходит ли одна форма движения в другую, и, если переходит,то при каких условиях. Почему теплоотдача соприкосновением при турбулентном движении происходит интенсивней, чем при ламинарном.

5. В чём сущность теории подобия.

6. Какими основными безразмерными критериями определяется конвективный теплообмен и каков физический смысл этих критериев.

7. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплоотдачи в каналах при продольном движении потока и какие существуют формулы для определения этого коэффициента.

8. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплоотдачи в пучках труб при поперечном обтекании их потоком и какие существуют формулы для определения этого коэффициента.

9. Напишите уравнение и даете формулировку закона Стефана-Больцмана для теплового излучение тела.

10. В чём отличие газового излучения от излучения твёрдых тел.

11. Какие бывают случаи движения теплоносителей в теплообменных аппаратах. Как меняется температура теплоносителей. Как определяется средний температурный напор в теплообменном аппарате при различных схемах движения теплоносителей.

12. Дайте сравнительную характеристику прямоточной и противоточным схемам движения теплоносителей в поверхностных теплообменных аппаратах.

13. В чём заключаются особенности расчёта теплообменных аппаратов с внутренними источниками теплоты.

14. Как формулируется закон молекулярной диффузии в дифференциальной и конечной формах. Объясните физический смысл коэффициента молекулярной диффузии, градиента концентрации.

15. В чём различие молекулярного и молярного переноса. Каков смысл кинематического коэффициента переноса.