|
IV. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
4.1. Способы передачи тепла
В пищевых производствах используют многочисленные тепловые процессы: нагревание и охлаждение, конденсацию паров, кипение, выпаривание и др. Их можно разделить на простые процессы и сложные, состоящие из простых. К простым тепловым процессам относят: теплопроводность, конвекцию, тепловое излучение.
Тепловые процессы реализуются в теплообменных аппаратах (теплообменниках).
Теплопроводность — перенос теплоты (внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой. Энергия беспорядочных (случайных) тепловых колебаний молекул при этом передается от одного тела другому или от одной части тела другим его частям путем непосредственных соударений молекул подобно передаче движения при соударении шаров. Хотя такое представление о взаимодействии молекул в значительной степени упрощено, его использование в описаниях процессов теплопередачи оправдано практикой.
Конвекция — это перенос теплоты в пространстве вместе с движущимися объемами газа или жидкости. Каждый движущийся объем среды в этом процессе никуда свою энергию не передает, поток теплоты движется вместе с ним. Искусственная, или вынужденная, конвекция отождествляется с потоком среды, созданным вентилятором или насосом. Естественная, или тепловая, конвекция обусловлена архимедовыми силами, возникающими вследствие разности плотностей подогреваемых объемов среды.
Тепловое излучение (тепловая радиация) — это явление переноса теплоты электромагнитными волнами. При этом происходит двойное преобразование энергии: вначале энергия теплового движения молекул преобразуется в энергию электромагнитного излучения (в соответствии с законом Стефана—Больцмана энергия электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени температуры поверхности тела), а затем происходит поглощение электромагнитного излучения другим телом и превращение ее в энергию теплового движения молекул. Воздух, через который передается тепловое излучение, практически не нагревается, т. е. он диатермичен.
Важная особенность теплового излучения — подвод теплоты не непосредственно к поверхности, а в глубине высушиваемого материала. Это становится возможным благодаря проникающей способности электромагнитных волн в данном диапазоне их длин. Если изобразить на графике (рис. 24.1) спектр длин волн электромагнитных излучений, то в нем можно выделить диапазоны:
у-излучение (λ = 0,5 10-2...10-4 нм и менее);
рентгеновское излучение (λ = 0,5 10-1...1,5 нм);
ультрафиолетовое излучение (λ = 0,5 10-2…..0,4 мкм);
видимое излучение (λ = 0,40...0,76 мкм);
инфракрасное излучение (λ = 0,77...340 мкм);
радиоволновое излучение (от λ — 340 мкм и до нескольких тысяч метров).
Теплоту переносят волны длиной 0,6... 104 мкм. Этот диапазон охватывает красное, инфракрасное и сверхвысокочастотное (СВЧ) радиоволновое излучение.
Инфракрасное излучение разделяют на коротковолновое (λ = 0,77... 15 мкм), средневолновое (λ = 15... 100 мкм) и длинноволновое (λ = 100...340 мкм). При температуре излучающей поверхности 700...2500 °С излучаются волны длиной 1,55...2,55 мкм. Излучатели с такими температурами поверхности называют светлыми. При более низких температурах поверхности излучатели называют темными.
По проникающей способности эти волны характеризуются таким образом: полностью поглощаются или отражаются поверхностью материалов волны видимого диапазона (λ = 0,40...0,77 мкм). При выходе за этот диапазон в обе стороны увеличивается способность волн проникать в глубину или проходить сквозь материалы. Если волны так называемого ближнего или коротковолнового инфракрасного диапазона длин (λ = 0,77...15 мкм) проникают в высушиваемые изделия на глубину 0...2 мм, то волны СВЧ диапазона — на глубину нескольких сантиметров, а с увеличением их длины — до десятков сантиметров. По мере
проникновения в изделия они поглощаются и нагревают их как бы изнутри.
Сложный тепловой процесс — это совокупность двух или более простых. Любой перенос теплоты в пространстве называют теплопереносом, а любой обмен теплотой между физическими телами — теплообменом.
Теплопередача — сложный теплообмен между средами, разделенными поверхностью контакта фаз этих сред или твердой стенкой.
Тепловой поток Q (Вт) — количество теплоты, проходящей в единицу времени через произвольную поверхность.
Удельный тепловой поток q (Вт/м2), или поверхностная плотность теплового потока, — тепловой поток, отнесенный к единице площади теплового потока, — тепловой поток, отнесенный к единице площади
Линейная плотность теплового потока дл (Вт/м) — тепловой поток, отнесенный к единице длины поверхности L (м):
Этот показатель обычно используют при описании теплопередачи через трубы.
Тепловой поток (Дж/с) выражается через массовый расход теплоносителя М и разность его энтальпий Л/ (Дж/кг) в рассматриваемом
Энтальпия складывается из энергии, аккумулированной (запасенной) телом, и энергии, которая может высвободиться или поглотиться при фазовом переходе, растворении, сорбции или другом процессе, реализующемся параллельно с теплообменом.
Разность энтальпий теплоносителя Д/ (Дж/кг) при отсутствии фазового перехода может быть выражена через произведение удельной теплоемкости с [Дж/(кг ■ К)] на разность температур Д< (К). В случае фазового перехода Д/ (разность энтальпий в начале и в конце этого
В практических приложениях зачастую один вид теплопередачи сопровождается другим. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью происходит одновременно теплопроводностью и теплоотдачей при конвективном переносе теплоты; в целом этот сложный процесс называют конвективным теплообменом между данными телами, или теплоотдачей. В паровых котлах в переносе теплоты от топочных газов к кипятильным трубам одновременно участвуют все три вида теплообмена, а непосредственно через стенки этих труб — только процесс теплопроводности.
Do'stlaringiz bilan baham: |
