Конвективный теплообмен

Тепловое излучение

Из всей лучистой энергии, которая падает на поверхность тела, часть ее поглощается телом, часть отражается а часть проходит через тело. В общем случае

Qa/Q + Qr/Q+Qd/Q=l В этом уравнении первый член характеризует поглощательную спо­собность тела, второй - отражательную, третий - пропускательную.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между луче­испускательной способностью тела Е, количеством энергии Q, излучен­ной телом в течение 1 ч, и площадью поверхности тела F: Е = Q/F. Энергия излучения зависит от длины волн X и температуры Т. Связь между лучеиспускательной способностью и температурой абсолютно черного тела выражается соотношением Е₀ = К^.

 

Или, для практических расчетов Ј₀=Q(7V100)⁴, где Q-коэффициет излучения абсолютно черного тела, Q = 5,67 Вт/(м-1С)

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхно­стью тела и окружающей средой.

Закон Стефана-Больцмана применим не только к абсолютно чер­ным телам. Для реальных тел он имеет вид

£ = С (Г/100)⁴, где С - коэффициент излучения серых тел.

Величина С всегда меньше величины С₀ и может изменяться от 0 до 5,67 Вт/(м²К⁴)

Отношение С/С₀ = е, которое изменяется в пределах 0...1, называется относительной излучательной способностью, или степенью черноты тела

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхно­стью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теп­лоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхно­сти раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).

При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твер­дого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа - в основном конвекцией.

На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного те­плообмена приведена на рисунке.

Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных уст­ройств вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жид­кости или газа. Скорость естественной конвекции определяется физиче­скими свойствами жидкости, разностью температур между горячими и холодными частицам и и объемом, в котором протекает процесс.

Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает год действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами среды, ско­ростью ее движения, формой и размерами канала, в ютором движется поток.

При вынужденной конвекции теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при естественной.

Основной закон теплоотдачи - закон Ньютона гласит: количество теп­лоты dQ, преданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площа-

 

ди поверхности теплообмена/⁷, разности температур поверхности t_cm и ядра потока tj (или наоборот) и продолжительности процесса dz: dQ = a(t_cm - t_f)Fdx; dQ = aftj- t_cm)Fdz; где а - коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количест­во теплоты передается от теплообменной поверхности в 1 м к омывающему ее потоку или от потока к поверхности теплообме­на, равной 1 м , в течение 1 ч при разности температур поверх­ности теплообмена и ядра потока в 1°С.

2. Виды тепловых процессов 2.1. Нагревание

Нагреваниемназывается процесс повышения температуры материа­лов путем подвода к ним теплоты. Широко распространенными методами нагревания в пищевой технологии является нагревание горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным паром, то­почными газами и электрическим током.

Для этих целей применяются теплообменники различных юнструкций

Нагревание водойприменяется для нагревания и пастеризации продук­тов при температуре выше 100 °С. Для нагревания до температур выше 1 ОО'С применяют перегретую воду, находящуюся год избыточным давлением.

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание определяют из теплового баланса:

"в^-'/вм"'" ^^Jif^n4\H~ ^в^гвк* ^п^п'пк Уп>

где G„ и G„ - количество соответственно воды и продукта, кг/ч;

с_в и q, - теплоемкости соответственно воды и продукта, кДж/(кгтрад);

t_mHt_nn- начальные температуры соответственно воды и продукта, °С;

'гж^{и {}пк~ конечные температуры соответственно воды и продукта, °С;

Qn~ потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое распро­странение, что объясняется следующими его достоинствами: большим ко­личеством теплоты, выделяющейся при конденсации водяного пара (2264...2024 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных дав­лениях соответственно 0,1... 1,0 МПа); высоким коэффициентом теплоот­дачи от конденсирующего пара к стенке - порядка 20 000.. .40 000 кДж/(м чград); равномерностью обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два спосо­ба: нагревание «глухим» насыщенным паром и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от конденсирующегося на­сыщенного водяного пара к нагреваемому теплоносителю передается че­рез разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и вы­водится из парового пространства теплообменника в виде конденсата. При этом температура конденсата принимается равной температуре насыщен­ного греющего пара.

 

Нагревание электрическим токомосуществляется в электрических печах сопротивления прямого и косвенного действия.

В печах прямого действия тело нагревается при прохождении через него электрического тока

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воз­действии на диэлектрик переменного электрического тока молекулы ди­электрика приходят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющейся теп­лоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно применяют частоту тока 110 ...10010 Гц.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы раз­личных конструкций.

Достоинствами диэлектрического нагревания являются: непосред­ственное выделение теплоты в нагреваемом теле; равномерный быстрый нагрев всей массы материала до требуемой температуры; простота регу­лирования процесса.

В печах косвенного действия теплота выделяется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам. Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопровод­ностью и конвекцией.

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе на­гревания электрическим током, определяется из теплового баланса:

£>э + G_ct=G_ct_K + Q,, где Оэ - количество теплоты, выделяющейся в нагревательном электриче­ском устройстве при прохождении электрического тока, кДж/ч;

G - количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате про­дукта, кг/ч; с - теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кгтрад.);

t_H и t_K- соответственно начальная и конечная температуры перераба­тываемого продукта, °С;

Q_n -потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч. Q₃ =G_c(t_K-t,)+Q_n.

Мощность нагревательных элементов (в кВт) N=Q₃/3600.