ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ Й АПАРАТИ

ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ Й АПАРАТИ

3.1. Основні поняття й визначення.

           Процеси  хімічної технології, як правило, протікають у заданому напрямку тільки при певній температурі, що досягається шляхом підведення або відведення теплової енергії. Процеси, швидкість протікання яких визначається швидкістю підведення або відведення тепла (нагрівання, охолодження, кипіння, конденсація й ін.), називають тепловими процесами, а апарати, у яких вони здійснюються, - теплообмінниками. Рушійною силою всіх теплових процесів є різниця температур більш нагрітого й менш нагрітого тіла, при наявності якої тепло самочинно, у відповідності із другим законом термодинаміки, переходить від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. Перенос енергії у формі тепла між тілами з різною температурою називають теплообміном, а науку, що вивчає закони розповсюдження цього тепла – теплопередачею.

      Більшість технологічних процесів хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів пов'язане з переносом тепла, причому, у багатьох випадках ця операція є кінцевою стадією технологічної переробки, що визначає властивості матеріалів і якість одержуваних виробів. Раціональний вибір режиму теплового оброблення й відповідного теплового обладнання визначають технологічні й експлуатаційні характеристики матеріалів і виробів, а також економічні показники виробництва.

      Розрізняють три принципово різних за своєю фізичною сутністю елементарних способів розповсюдження тепла:

      теплопровідність (кондукція) – перенос тепла внаслідок хаотичного (теплового) руху мікрочастинок  (молекул – у газах і краплинних рідинах, коливання атомів – у кристалічних решітках твердих тіл, дифузії вільних електронів – у металах), при їхньому безпосередньому зіткненні один з одним. У чистому виді теплопровідність спостерігається у твердих тілах, а в краплинних рідинах і газах - тільки при відсутності в них конвекційних токів;

      конвекція – перенос тепла внаслідок руху й перемішування макроскопічних об'ємів рідини або газу, тобто руху рідкого середовища як такого. При цьому дуже велике значення мають стан і характер руху рідини або газу (гідродинамічний режим). Якщо цей рух відбувається під дією гравітаційних сил внаслідок різниці густини у різних точках об'єму рідини або газу (наприклад, при наявності різниці температур у цих точках), таку конвекцію називають вільною (природною). Якщо ж переміщення рідини або газу виникає під дією зовнішніх сил (нагнітання насосами, компресорами, перемішування мішалками й ін.), таку конвекцію називають вимушеною (примусовою). Поряд із цим у рідині, що рухається, паралельно відбувається й перенос тепла шляхом міжмолекулярної взаємодії, тобто за рахунок теплопровідності. Таким чином, конвекція завжди супроводжується теплопровідністю;

      теплове випромінювання – перенос енергії за допомогою електромагнітних хвиль інфрачервоної частини спектра випромінювання. Джерелом таких хвиль є складний коливальний рух заряджених часток тіла - електронів і іонів. Всі тіла здатні випромінювати енергію, при цьому теплова енергія тіла перетворюється в променисту, котра поглинається іншими тілами, знову перетворюючись у теплову. У такий спосіб здійснюється променистий теплообмін між тілами, який складається із процесів променевого випромінювання й поглинання. Цей вид теплообміну можливий між тілами різного агрегатного стану, як віддаленими один від одного, так і дотичними.

      У реальних теплообмінних апаратах теплообмін здійснюється не яким-небудь одним із зазначених способів, а комбінованим шляхом, причому в різних частинах апарата сполучення цих способів може бути різним. Наприклад, у печах тепло від топкових газів до поверхні випалюваних виробів передається всіма видами переносу - тепловим випромінюванням, конвекцією й теплопровідністю.

      У теорії теплопередачі розрізняють два процеси теплообміну: тепловіддачу й теплопередачу. Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердим тілом (наприклад, стінкою апарата) і дотичною з нею рідиною або газом. Процес теплообміну між двома рідинами, газами, між рідиною й газом (гарячим і холодним теплоносіями), розділеними твердою стінкою, називають теплопередачею. Таким чином, процес теплопередачі складається із процесу тепловіддачі від більш теплого теплоносія до стінки, теплопровідності через тверду стінку й тепловіддачі від стінки до більш холодного теплоносія.

      Кількість тепла Q (Дж), що проходить через дану теплообмінну поверхню F (м²) в одиницю часу t (с) називають тепловим потоком   (Дж/с = Вт), а тепловий потік, віднесений до одиниці поверхні – густиною теплового потоку або питомим тепловим потоком , (Вт/м²).