Различные способы переноса тепла - раздел Философия, Химическая технология Теплопроводность. Величину Теплового Потока Q...
Теплопроводность. Величину теплового потока Q, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках, определяют по закону Фурье – основному закону теплопроводности:
(5.4),
где dQ – количество тепла, передаваемое посредством теплопроводности; dF площадь поверхности теплообмена, - температурный градиент.
Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом (изменение температуры по толщине теплопроводящего материала). Вектор температурного градиента направлен в сторону повышения температуры. Перемещение тепла Q происходит по , но в противоположную сторону (ввиду того, что тепло передается от более нагретого тела) (рис. 13).
Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Коэффициент теплопроводности является физической характеристикой вещества, определяющей способность тела проводить теплоту. Он зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем лучше тело проводит тепло путем теплопроводности, что наглядно видно из приведенных величин для некоторых веществ (ккал/м×ч×град): медь – 340, сталь – 22, воздух – 0,023.
Рис. 13. Направление теплового потока и вектора температурного градиента при теплопередаче.
Тепловое излучение. Длины волн теплового излучения лежат в невидимой (инфракрасной) части спектра: 0,8-40 мкм (для примера, длина световых волн составляет 0,4-0,8 мкм). Твердые тела испускают волны всех длин при любой температуре. Интенсивность теплового излучения увеличивается с ростом температуры тела. На поверхности всякого нагретого тела непрерывно протекает процесс перехода тепловой энергии в лучистую, т.е. колеблющиеся частицы тела отдают избыток своей энергии в виде электромагнитных колебаний различной частоты.
Тепловое и световое излучение имеют одинаковую природу. Поток, лучеиспускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого лучеиспускающего тела, частично поглощается (Qпогл), частично отражается (Qотр) и частично проходит сквозь тело без изменений (Qпр).
Общая энергия падающих на тело лучей:
Q=Qпогл+Qотр+Qпр или (5.5)
При () – абсолютно черное тело.
При () – абсолютно белое тело.
При () – абсолютно прозрачное тело.
Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе не существует. Все тела немного поглощают, отражают и пропускают лучи – все они серые.
Количество энергии, излучаемое телом единицей поверхности F тела, характеризует лучеиспускательную способность Е тела: (5.6), где Qл – энергия, излучаемая телом.
Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела E0 пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности (закон Стефана-Больцмана): (5.7), где Т – абсолютная температура тела, К0 – константа лучеиспускания абсолютно черного тела.
Закон Кирхгофа связывает лучеиспускательную (E) и лучепоглощающую () способность серых тел:
(5.8)
Отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощающей способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.
Конвекция. Под конвекцией понимают передачу теплоты при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты происходит как бы механически - макрообъемными частицами потока теплоносителя. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Это проявляется в образовании у поверхности стенки пограничного слоя, движущегося с низкой скорость (вплоть до покоя), в котором конвекция затухает. Поэтому под термином конвекция понимают только сам способ переноса теплотыпотоками теплоносителя. Этот процесс отличается от реального, более сложного процесса переноса теплоты к стенке, в котором конвекция также принимает участие. Перенос тепла совместно конвекцией и теплообменом в этом случае называется конвективным теплообменом.
При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит в основном путем теплопроводности. При этом пограничный слой представляет собой основное сопротивление процессу. Такой вид переноса теплоты называют теплоотдачей. При ламинарномрежиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения всего сечения канала слоистой струей, и конвекция сводится к одному направлению - параллельномустенке. При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном теплопроводностью.
Теплопроводность и конвекция - два совершенно различных физических процесса. Теплопроводность - явление молекулярное, конвекция - явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Перенос тепла конвекцией осуществляется значительно быстрее, чем теплопроводностью, поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективного переноса теплоты.
Наличие гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности стенки приводит к возникновению в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 14), т.е. образованию теплового пограничного слоя толщиной δт, значение, которой обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя δг. Высокие скорости движения теплоносителя, интенсивное перемешивание (турбулентный режим движения теплоносителя) вызывают снижение толщины пограничных слоев (как гидродинамического, так и теплового), увеличивая эффективность теплоотдачи.
Рис. 14.Гидродинамический и тепловой граничные слои в турбулентном потоке.
Обычно расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона или уравнения теплоотдачи:dQ = a×(tж-tст)×dF×dt(5.9)
При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи F уравнение (9) принимает вид: Q = a×(tж-tст)×F×t(5.10), где tст и tж – температура стенки и жидкости; a - коэффициент теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.
В отличие от коэффициента теплопередачи Ккоэффициент теплоотдачи α характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ... ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ... ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Различные способы переноса тепла
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Краткие сведения по истории развития химической технологии
История химической технологии неотделима от истории химической промышленности. Возникновение в Европе мануфактур и промыслов по получению основных химических продуктов следует отнести к 15 веку, ко
Гидростатика. Понятие давления
Гидростатика изучает жидкости в абсолютном и относительном покое. Кардинальная проблема этого раздела, лежащая в основе ряда конкретных задач – определение давления в произвольной точке техн
Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера
На жидкость, находящуюся в покое, действуют сила тяжести и сила гидростатического давления. Соотношение между силами, действующими на жидкость, которая находится в состоянии покоя, определяющее усл
Основное уравнение гидростатики
Для получения закона распределения давления во всём объёме покоящейся жидкости необходимо эту систему уравнений проинтегрировать. После интегрирования уравнений (2.1) и (2.2) выясняется, что значен
Приборы для измерения давления
В технике для измерения давления применяют манометры, вакуумметры, пьезометры. Простейшим прибором является пьезометр – открытая, обычно стеклянная трубка (рисунок 4а). Чтобы избежать влияни
Основные характеристики движения жидкости
Рассмотрим движение жидкости по трубе постоянного сечения.
Количество жидкости, протекающее через всё поперечное сечение трубопровода или аппарата в единицу времени, называется
Дифференциальные уравнения движения Эйлера
Выведем дифференциальные уравнения движения Эйлера для установившегося во времени потока идеальной жидкости,
Движение жидкости является установившимся или стационарным, если скорость части
Уравнение Бернулли для идеальных жидкостей
Для вывода уравнения Бернулли необходимо преобразовать и проинтегрировать дифференциальные уравнения движения Эйлера, чтобы перейти от элементарного объёма ко всему объёму жидкости. Сначала раздели
Уравнение Бернулли для реальных жидкостей
При движении реальной жидкости её гидродинамический напор Н (или сумма потенциальной и кинетической энергии потока) не остаётся постоянным, так как частицы жидкости встречают сопротивление,
Дифференциальное уравнение неразрывности потока
Рассмотрим жидкость, текущую без пустот и разрывов и при отсутствии источников массы. Выделим в объёме жидкости элементарный параллепипед объёмом dV = dxdydz, рёбра которого ориентированы па
Режимы движения жидкости
Рядом исследователей (Хеганом в 1869 г., Менделеевым в 1880 г., Рейнольдсом в 1883 г.) было замечено, что существует два принципиально разных режима движения жидкости. Наиболее полно этот вопрос бы
С помощью гидродинамических трубок
Для определения расхода необходимо измерить динамический напор, а затем рассчитать значение скорости. Непосредственное определение динамического напора осуществляют при помощи гидродинамических тру
С переменным перепадом давления
Принцип действия приборов с переменным перепадом давления основан на том, что на пути движения жидкости или газа ставят преграду с отверстием.
Скорость осаждения. Закон Стокса
Рассмотрим осаждение твёрдой шарообразной частицы в неподвижной среде под действием силы тяжести G: G = mg. Если отсутствует сопротивление среды, то скорость осаждения частицы w
Центрифугирование
Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы.
Для с
Фильтрация
- это процесс разделения суспензий, пылей или туманов путём пропускания их через пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В качестве материала
Псевдоожижение
Псевдоожижение – процесс приведения твёрдого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны прин
Основы теплопередачи
Большинство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определённой температуре, которая достигается путём подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы,
Виды распространения тепла
Перенос теплоты является сложным процессом, поэтому при изучении тепловых процессов его расчленяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучени
Тепловые балансы
Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса. При этом в общем случае (без учёта потери теплоты в окружающую среду)
Q = Q1 = Q2, или Q = G
Основное уравнение теплопередачи
Для расчёта теплообменных аппаратов широко используют кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q и поверхностью F теплопередачи, называемое основным ур
Теплопередача
В основе приближенных расчетов процессов теплообмена лежит уравнение переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку при условии постоянных и изменяющихся вдоль п
Подвод тепла. Нагревающие агенты
Нагревание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии. Нагревание необходимо для ускорения многих химических реакций, а также для выпаривания, перегонки, сушки и
Виды массообменных процессов
Наибольшее распространение получили следующие процессы:
Абсорбция– избирательное поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорб
Способы выражения составов фаз
При изучении массообменных процессов приходится иметь дело со смесью различных компонентов, находящихся в жидкой или паровой фазе. Свойства такой смеси зависит от её состава, т.е. относительного со
Правило фаз Гиббса
При взаимодействии фаз системы происходит обмен веществом и энергией; такой массо- и теплообмен идет через поверхность раздела фаз, стремясь достигнуть состояния равновесия, при котором скорость пе
Фазовое равновесие, линия равновесия
Рассмотрим процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой.
Обозначим: Фх – жидка
Материальный баланс. Рабочая линия
Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений. Зависимость между рабочими концентрациями распределяемого в
И направление переноса вещества из фазы в фазу
В общем случае: движущей силой массообменных процессов является отклонение данной системы от состояния равновесия.
Со стороны газовой фазы: движущей силой процесса является разность между
Фазовые диаграммы
Если система состоит из двух компонентов (К=2) и между ними не происходит химического взаимодействия, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф=2. Согласно правилу фаз, число ст
Разновидности простой перегонки
Обычно процесс простой перегонки проводят периодически, хотя в принципе этот процесс можно организовать и непрерывным.
При периодической перегонке жидкость постепенно испаряется, и образую
Общая оценка процессов дистилляции
Чаще дистилляцию применяют в промышленности в тех случаях, когда не требуется высокой чистоты продукта. Высокие концентрации низкокипящего компонента можно получить лишь при большой разнице в темпе
Сущность ректификации
Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз. Или другими словами, ректификаци
Аппаратурное оформление процессов ректификации
Ректификация, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты для ректификации должны обеспечивать развитую поверхность контакта между паровой и жидкой ф
Ректификационные колонны
со ступенчатым контактом фаз -
представляют собой колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещают горизонтальные перегородки –
Укрепляющей и исчерпывающей частей колонны
Для получения уравнений рабочих линий используем общее для всех массообменных процессов уравнение, выразив применительно к ректификации все входящие в него величины.
Уравнение рабочей лини
Минимальное и действительное (рабочее) флегмовое число
При заданном составе дистиллята хр величина отрезка В (см. рис. 45), отсекаемого рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат, зависит только от флегмового числа
Графический метод определения числа теоретических тарелок
Одной из основных целей расчета колонны является определение числа тарелок, необходимых для разделения данной смеси, состава а на ректификат и остаток заданных качеств (ур
Особенности ректификации многокомпонентных смесей
Для разделения n-компонентной смеси требуется (n — 1) колонн, однако число возможных вариантов технологических схем с расчетом числа продуктов и способов их получения увеличивается эк
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(5.4),
- температурный градиент.
(5.5)
(
) – абсолютно черное тело.
(
) – абсолютно белое тело.
(
) – абсолютно прозрачное тело.
(5.6), где Qл – энергия, излучаемая телом.
(5.7), где Т – абсолютная температура тела, К0 – константа лучеиспускания абсолютно черного тела.
) способность серых тел:
(5.8)
Новости и инфо для студентов