Procesy wymiany ciepła
Większość technologii przetwórczych oraz wiele dziedzin życia codziennego wymaga dostosowywania temperatury do warunków procesu lub warunków użytkowania różnych produktów czy surowców. Zmiany temperatury mediów łączą się z wymianą ciepła pomiędzy czynnikami cieplejszymi i zimniejszymi. Jeśli wymiana ciepła zachodzi od temperatury wyższej do temperatury niższej, to jest to zjawisko naturalne i nie wymaga szczególnych urządzeń, takich ja na przykład przy wyprowadzaniu ciepła z obszaru o temperaturze niższej do obszaru o temperaturze wyższej, czyli na przykład w lodówkach czy pompach ciepła.
Ograniczając się tylko do tego pierwszego obszaru zagadnień, tj. transportu ciepła w kierunku niższej temperatury, można wyróżnić wiele procesów wymiany ciepła, jak: ogrzewanie ciał stałych, cieczy i gazów, topienie ciał stałych i odparowanie cieczy, procesy wykonywane w kierunku odwrotnym, tj. chłodzenie ciał stałych, cieczy i gazów, skraplanie gazów i zamrażanie cieczy czy wreszcie procesy suszenia, w których dodatkowo następują procesy wymiany masy.
Płaszczyzny łączące punktu materialne o tej samej temperaturze to oczywiście izotermy, lub dokładniej powierzchnie izotermiczne. Ruch ciepła odbywa się, jak już powiedziano, w kierunku niższej temperatury i zawsze prostopadle do izotermy.
Procesy ruchu ciepła można podzielić na dwa zasadnicze przypadki. Po pierwsze proces wymiany ciepła może być niezależny od czasu, wówczas temperatura jest tylko funkcją położenia:
i taki proces nazywa się ustaloną wymianą ciepła (ustalonym transportem ciepła).
Po drugie proces może zależeć także od czasu i wówczas:
, a proces nosi nazwę nieustalonej wymiany ciepła.
Inny podział procesów transportu ciepła bliżej opisuje samo zjawisko wymiany energii. Wyróżnia się trzy rodzaje mechanizmów ruchu ciepła:
Przewodzenie, które polega na bezpośrednim przekazywaniu energii cząstkom (czasem cząsteczkom) przez cząstki sąsiednie. Przewodzenia dotyczy wszystkich stanów skupienia materii. Jednak należy tu zaznaczyć, że w przypadku gazów przewodzenie, czyli przekazywanie energii kinetycznej, występuje tylko wtedy, gdy molekuły nie zmieniają swego wzajemnego położenia.
Konwekcja, która występuje tylko w płynach i związana jest z transportem energii połączonym z jednoczesnym ruchem (przemieszczaniem się) różnych warstw płynu. Konwekcja wywołana różnicami gęstości, które są efektem zmiany temperatury, nosi nazwę konwekcji naturalnej. W przypadku, gdy przepływ płynu jest spowodowany w inny sposób mówi się o konwekcji wymuszonej.
Promieniowanie, które odbywa się bez pośrednictwa materii polega na emitowaniu i pochłanianiu energii w postaci fal elektromagnetycznych.
(…)
… którego występuje wrzenie pęcherzykowe, a następnie obliczać wartości współczynników wnikania ciepła.
Przykładem zależności służących do obliczania współczynnika wnikania ciepła przy wrzeniu są korelacje Krużylina:
dla wartości :
gdzie: - ciepło parowania, J/kg, - temperatura pary nasyconej, K.
Wnikanie ciepła przy skraplaniu pary
Mechanizm procesu skraplania jest zupełnie odwrotny do wrzenia. Wskutek ubytku…
… stronie równań ma tę samą wartość. Przekształćmy te zależności do postaci:
Po dodaniu stronami otrzymuje się:
skąd:
Współczynnik przenikania ciepła „k” można zapisać jako odwrotność oporu przenikania ciepła złożonego z oporów wnikania po obu stronach ściany i oporu przewodzenia przez tę ścianę.
W przypadku przenikania ciepła przez ściany inne niż płaskie technika postępowania w celu wyznaczenia wartości współczynnika przenikania ciepła lub ogólnie równania przenikania ciepła jest analogiczna jak przedstawiono powyżej i prowadzi do bardziej rozbudowanych równań uwzględniających zmianę pola powierzchni wzdłuż drogi ruchu ciepła.
Wymienniki ciepła Aparaty służące do wymiany ciepła poprzez ścianę, których zadaniem jest ogrzanie jednego płynu za pomocą innego płynu nazywa się po prostu wymiennikami ciepła…
… jednego z mechanizmów jest dominujący i do opisu procesu wystarczy rozpatrywać tylko ten mechanizm, który ma decydujące znaczenie.
Ustalone przewodzenie ciepła w materiałach stałych
Dla jednorodnego przewodzenia ciepła przez cienką ściankę w kierunku „x” prostopadle do jej powierzchni proces opisuje równanie Fouriera:
gdzie:
- strumień ciepła (ilość ciepła wymieniona w jednostce czasu), W,
λ…
… po obu stronach ściany,
- grubość ściany.
Występujące we wzorze wyrażenie nazywa się oporem przewodzenia ciepła przez ścianę. Jeśli współczynnik przewodzenia jest stały i ściana jest płaska, to dla ustalonego strumienia ciepła obserwuje się różne zmiany temperatur, które zależą od wartości współczynnika przewodzenia. Jeśli wartość współczynnika przewodzenia ciepła jest duża (dobry przewodnik ciepła…
… podobieństwo termokinetyczne,
- znana liczba Reynoldsa, określająca podobieństwo sił bezwładności i lepkości,
- liczba Prandtla, określająca podobieństwo właściwości fizykochemicznych,
- liczba Grashoffa, określająca stosunek sił tarcia cząsteczkowego do sił wyporu wynikający z różnicy gęstości spowodowanych różnicą temperatur,
- simpleks bezwymiarowy określający podobieństwo geometryczne.
Zatem…
… korelacji uzyskanych również na drodze eksperymentalnej, które obowiązują w zakresie innych liczb Reynoldsa, dla innego sposobu przepływu lub dla płynów o znacznie różniących się właściwościach.
Dla przepływu prostopadłego do pęku rur (jak na przykład w płaszczowo - rurkowym wymienniku ciepła) obowiązuje zależność:
Dla płytowych wymienników ciepła korelacja ma postać:
gdzie: stała C = 0,097 dla wymienników…
… z płyt o falistych występach lub
stała C = 0,135 dla wymienników z płyt o występach skośnych,
rozmiar liniowy występujący w liczbach Nu i Re oblicza się jako średnicę hydrauliczną: .
Dla przepływu cieczy o znacznych lepkościach obowiązuje korelacja Siedera-Tate:
Wnikanie ciepła przy wymuszonym przepływie laminarnym
Podczas laminarnego przepływu płynów, który jest dużo rzadziej spotykany w zastosowaniach…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)