Лекція № 17
ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ
Теплові процеси пов’язані з перенесенням теплоти від більш нагрітих тіл до менш нагрітих.
Теплові процеси включають процеси:
• нагрівання
• охолодження
• випаровування
• конденсації
Перенесення теплової енергії між тілами з різною температурою називають теплообміном.
Тіла, які беруть участь у теплообміні називають теплоносіями. Теплоносії можуть перебувати у різному агрегатному стані.
Розрізняють три принципово різних елементарних способи розповсюдження тепла: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання.
Теплопровідність – перенесення тепла внаслідок хаотичного (теплового) руху мікрочастинок, які безпосередньо контактують одна з другою.
Конвекція – перенесення тепла внаслідок руху і перемішування макроскопічних об‘ємів газів або рідин. Розрізняють:
а) природну (або вільну) конвекцію;
б) вимушену конвекцію
Теплове випромінювання – процес розповсюдження електромагнітних коливань з різною довжиною хвиль, який обумовлений тепловим рухом атомів або молекул тіла, яке випромінює. Теплове випромінювання складається з променевого випромінювання і променевого поглинання.
В реальних умовах тепло передається не одним із вказаних методів, а комбінованим шляхом.
Процес перенесення тепла від стінки до газу чи рідини або навпаки називають тепловіддачею.
Теплопередача – передача тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла через стінку, що їх розділяє. Процес теплопередачі – складний, оскільки складається з таких стадій:
1) тепловіддача (перенесення теплоти від гарячого теплоносія до стінки);
2) теплопровідність – перенесення теплоти через розділяючу теплоносії стінку;
3) тепловіддача від стінки до холодного теплоносія.
Кількість тепла, що переноситься від гарячого до холодного теплоносія визначається основним рівнянням теплопередачі
(Дж) (1)
тут Q – кількість переданого тепла(Дж); k – коефіцієнт теплопередачі (Вт/м2К); Δtср – середня різниця температур теплоносіїв (середня рушійна сила); τ – час процесу (с).
Рушійною силою процесу теплопередачі є різниця температур теплоносіїв, і оскільки кожен з них в процесі може змінювати свою температуру, в розрахунки вводять Δtср.
Якщо процес теплопередачі встановлений (стаціонарний), то перенесення тепла відбувається рівномірно, а рівняння теплопередачі записується у виді
,(Вт) (2)
де Q (Дж/с=Вт) - кількість тепла, що передається в одиницю часу.
Основне рівняння теплопередачі в проектних розрахунках використовується для визначення поверхні теплопередачі
(3)
Щоб використати це рівняння слід попередньо розраховувати відповідно Q – кількість тепла; k – коефіцієнт теплопередачі, Δtср – середню рушійну силу. Кількість тепла Q визначають з рівняння теплового балансу, який без врахування втрат тепла можна представити у вигляді
Q = Q1= Q2 (4)
Q– це тепло, що передається при охолодженні гарячого теплоносія Q1 і нагріванні Q2 холодного теплоносія.
Q1 можна визначити за рівнянням
Q1=G1c1(t1n - t1k), (5)
де G1 – масова витрата гарячого теплоносія кг/с, c1 – теплоємність Дж/(кг·К), залежить від природи теплоносія і температури і вибирається за довідником; t1n і t1k – початкова і кінцева температура гарячого теплоносія.
По холодному теплоносію Q2 відповідно визначають за рівнянням
Q2=G2c2(t2k - t2n) (6)
де G2 – витрата холодного теплоносія кг/с, c2 – теплоємність холодного теплоносія Дж/(кг·К), t2k і t2n – відповідно кінцева і початкова температура холодного теплоносія.
Якщо агрегатний стан теплоносія в процесі теплопередачі не змінюється (наприклад випаровування або конденсація), то кількість тепла в цих випадках визначають за рівнянням
Q = G ∙ r, (7)
де G – витрата пари, що конденсується, або рідини, що випаровується, кг/с; r – питома теплота конденсації (випаровування), Дж/кг і залежить від природи речовини та тиску.
Розглянемо приклад застосування рівняння теплового балансу.
Визначити кількість тепла Q, що передається та витрату насиченої водяної пари для нагрівання G2 = 10 кг/с води від початкової температури t2n = 15ºС до t2k = 55ºС. Тут слід пояснити, що пара може бути перегрітою (яка веде себе подібно газу і тоді може при постійному тискові охолоджуватись до стану насичення і насиченою, яка буде віддавати тепло при конденсації, перетворюючись на конденсат, а температура конденсації змінюватись не буде, її значення залежить від тиску конденсації. Оскільки тиск конденсації в умові не заданий розглянемо два варіанти:
1) Pнас= 1 ат; 2) Рнас= 3 ат.
Рівняння теплового балансу має вигляд
Q= G1∙r = G2∙c2(t2k - t2n) (8)
тут Q – кількість тепла, що передається від пари при її конденсації до води, яка нагрівається
по І варіанту r = 2264 кДж/кг (табл. LVІІ при Р = 1 ат, tконд = 99,1ºС)
по ІІ варіанту r = 2171 кДж/кг (при Р = 3 ат, tконд = 132,9ºС).
Для визначення кількості тепла Q не можемо скористатись лівою частиною рівняння (8), оскільки невідома витрата гріючої (насиченої) пари. Для цього використаємо праву частину рівняння (8)
Q= G2∙c2(t2k - t2n)
тут с2 - фізична константа – теплоємність води, значення якої знаходимо з довідника. З таблиці ХХХІХ при середній температурі води 
ºС, с2=4180 Дж/кг·К.
Таким чином, кількість тепла необхідна для нагрівання води
Q = 10·4180·(55-15) = 1,67·106 Вт.
Витрата гріючої пари буде
І варіант: 
кг/с;
ІІ варіант: 
кг/с.
Розрахунок теплообмінної апаратури включає:
1. Визначення кількості тепла (теплового потоку) на основі рівняння теплового балансу.
2. Визначення поверхні теплообміну F з основного рівняння теплопередачі.
Основним при аналізі та розрахунках кількості тепла, що передається, є визначення лімітуючої стадії, вибір відповідного рівняння для розрахунку та пошук технологічних та конструктивних рішень для інтенсифікації процесу теплообміну.
