 |
Плотность теплового потока
|
|
|
|
или вектор плотности теплового потока – количество теплоты, проходящее через единицу изотермной поверхности в единицу времени. Вектор плотности направлен по нормали к изотермной поверхности в сторону убывания температуры.
Коэффициент теплопередачи – величина, выражающая количество теплоты, проходящее через единицу поверхности в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному при изменении температуры между ними на 10С.
Общее термическое сопротивление – величина, обратная коэффициенту теплопередачи.
Ламинарный поток среды – поток, в котором все частицы среды движутся по параллельным траекториям и их движение длительное время совпадает с направлением всего потока
Турбулентный поток – поток, в котором постоянно происходит перемешивание слоев, и каждая частица, перемещаясь вдоль потока, совершает различные движения относительно стенок канала.
Число Рейнольдса – безразмерная величина, связывающая среднюю скорость движения среды, эквивалентный диаметр канала и кинематический коэффициент вязкости.
Число Прандтля – безразмерная величина, характеризующая соотношение толщин динамического и теплового пограничных слоев.
Вязкостный режим - режим неизотермного движения жидкости при ламинарном течении, соответствующий течению вязких жидкостей при отсутствии естественной конвекции.
Вязкостно-гравитационный режим – режим, при котором вынужденное течение жидкости сопровождается естественной конвекцией.
Поглотительная способность тела – величина, представляющая отношение поглощенной энергии излучения к общему количеству энергии.
Тесты для самопроверки
Контрольные вопросы
|
|
|
1.Какие существуют способы нагрева тел?
2.Что понимается под конвективным теплообменом?
3.Что понимается под тепловым потоком и его плотностью?
4.Каков характер распределения температур в материале при конвективном и кондуктивном способах подвода тепла?
5.От каких факторов зависит подвод тепла к телу при кондуктивном и конвективном способах подвода?
6.В чем состоят преимущества радиационного нагрева?
7.Каким образом осуществляется процесс передачи тепла излучением?
8.Что понимается под изотермной поверхностью?
9.Что понимается под градиентом температуры и каково его численное выражение?
10.Какой аналитической зависимостью выражается связь между количеством теплоты и градиентом температуры при кондуктивном способе нагрева?
11.Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?
12.Что собой представляет уравнение для трехмерного нестационарного теплового поля при отсутствии внутренних источников теплоты?
13.Какова сущность процесса теплопередачи через плоскую стенку и чему равна при этом плотность теплового потока и общее количество передаваемой теплоты?
14.Каковы особенности теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку?
15.Каковы особенности теплопередачи через многослойную цилиндрическую стенку?
16.Что понимается под коэффициентом теплопередачи и общим термическим сопротивлением?
17.От чего зависит величина критического диаметра слоя изоляции трубопровода, и какое условие должно соблюдаться для эффективной работы изоляции?
18.С какой целью используются в тепловых аппаратах ребристые стенки?
19.Чему равен коэффициент эффективности ребер?
20.Каким образом осуществляется перенос теплоты при конвекции, и какие виды движений среды при этом могут иметь место?
21.Каким критерием характеризуется характер движения среды в канале произвольного сечения, и на какие процессы теплообмена он влияет?
|
|
|
22.Какие вещества могут использоваться в качестве теплоносителей, и какими основными параметрами они характеризуются с позиций теплообмена?
23.Каким законом определяется процесс переноса теплоты на границе с поверхностью тела?
24.Какой системой дифференциальных уравнений описывается конвективный теплообмен?
25.Какие режимы неизотермного движения вязких жидкостей могут наблюдаться при ламинарном течении, и как при этом происходит передача теплоты?
26.Какие явления теплообмена характерны для турбулентного движения жидкостей в трубах?
27.Какова картина теплообмена при поперечном омывании пучка труб?
28.Чему равно общее количество энергии излучения, приходящейся на тело?
29.Какие виды теплообмена наиболее часто встречаются в аппаратах пищевых производств?
30.Что представляет собой теплообменник, и какие аппараты пищевых производств относятся к теплообменникам?
31.По каким признакам классифицируются теплообменные аппараты?
32.Что представляет собой кожухтрубный теплообменник?
33.Что называется процессом конденсации?
34.На какие виды делятся промышленные конденсаторы, каково их устройство и принцип работы?
35.Какие параметры определяют при работе конденсаторов?
5. Массообменные процессы
5.1.Основные понятия теории массопередачи
5.2. Адсорбция и абсорбция
5.3.Диффузионные аппараты
Условные обозначения
Глоссарий
Контрольные вопросы
Основные понятия теории массопередачи.
Процессы переноса массы вещества или диффузионные процессы при трансформации сырья в готовую продукцию широко распространены в пищевых технологиях. Практически всегда эти процессы происходят в тепловом поле. В зависимости от интенсивности этого поля можно условно говорить о процессах массопередачи, когда температура оказывает не столь существенное влияние на ход технологического процесса и практически в ходе его остается постоянной или меняется незначительно, и о процессах тепломассопередачи, когда процесс значительно ускоряется под действием температуры
В процессе обработки пищевые среды, многие из которых являются коллоидными капиллярно-пористыми телами, часто подвергаются увлажнению при нагревании или охлаждении. При этом происходит не только передача тепловой энергии, но и перемещение вещества, т.е. массоперенос или диффузия.
|
|
|
Диффузия – это самопроизвольный процесс проникновения одного вещества в другое до момента наступления равновесного распределения концентраций этих веществ. Диффузия может быть молекулярной, возникающей за счет теплового движения молекул; и молярной, когда перенос вещества осуществляется за счет перемешивания отдельных частей.
Переход веществ из одной фазы в другую под влиянием молекулярной или молярной диффузии называется массообменным процессом или массообменом. К массообменным процессам относятся:
- абсорбция и адсорбция газов и паров;
- десорбция газов;
- экстракция жидких и твердых веществ;
- перегонка жидкостей;
- кристаллизация и растворение;
- сушка влажных материалов и др.
Абсорбция – это поглощение вещества из раствора или смеси газов всем объемом поглотителя – твердым телом или жидкостью.
Адсорбция – это поглощение вещества на поверхности раздела фаз.
Экстракция – это извлечение жидкостью из твердого или жидкого вещества одного или нескольких компонентов (например, сахара водой или жира растворителями и пр.).
Сушка – это процесс удаления влаги из материалов под действием температуры.
Кристаллизация - это процесс зарождения и роста кристаллов при переходе вещества из газообразного или жидкого состояния в кристаллическое.
Ректификация – это процесс разделения многокомпонентных жидких смесей путем непрерывного обмена между жидкой и газообразной фазами, находящимися в противотоке.
Во всех этих процессах, независимо от того, в каких фазах происходит массообмен, вещества которыми обмениваются фазы, должны переместиться к поверхности раздела фаз, пройти эту поверхность раздела и проникнуть в другую фазу.
Диффузия называется концентрационной, наблюдаемой в смесях с различной концентрацией компонентов, когда каждый компонент движется в направлении меньшей концентрации до момента ее выравнивания. Концентрация в любой точке рассматриваемого пространства является функцией координат и времени, 
, и определяет поле концентраций
|
|
|
Практическим примером массообменного процесса является извлечение сахара из свекловичной стружки, которое осуществляется диффузионным способом.
Движущей силой процесса является разность концентраций. Для диффузии сахара из стружки в воду или диффузионный сок в аппарате должна поддерживаться разность между концентрациями сахара в стружке и диффузионном соке, что достигается при их встречном движении [27].
Основной закон молекулярной диффузии (закон Фика) устанавливает связь между количеством экстрагируемого вещества и основными параметрами процесса в массе частиц, 
, где 
- количество вещества, продифузировавшего через единичную площадь 
за единицу времени 
; 
- коэффициент диффузии; 
- градиент концентрации вещества.
Коэффициент диффузии является физическим параметром материала и численно равен массе вещества, диффундирующего через единицу площади за единицу времени при градиенте концентрации равном 1. Он зависит от температуры, вязкости растворителя, размера частиц вещества.
При использовании закона Фика принимается допущение, что стружка однородна по толщине и массовая доля сахара внутри стружки меняется линейно.
Массоотдача. Перенос вещества из глубины фазы к поверхности раздела сред или от поверхности раздела в глубину другой фазы называется массоотдачей. В движущейся жидкости наряду с молекулярной диффузией имеет место перемещение молярных, т.е. состоящих из большого числа молекул, частей среды. Этот вид переноса называется конвективной диффузией. Конвективная диффузия зависит от градиента концентраций, физико-механических свойств среды и параметров ее движения.
Процесс массоотдачи описывается следующим уравнением 
, где 
- коэффициент массоотдачи, м/сек; 
- концентрация на границе раздела фаз и в ядре потока.
Массопередача. Для процесса массопередачи при стационарных условиях используется следующее уравнение 
, где 
- коэффициент массопередачи; 
- разность концентраций в ядрах потоков первой и второй фаз.
На границе твердое тело-жидкость количество вещества перенесенного со стороны твердого тела в соответствии с законом Фика 
. Количество вещества, переносимое от поверхности раздела сред в жидкую фазу 
. Отсюда следует выражение, которое описывает массообмен на границе твердое тело – жидкость, 
.
Термодиффузия. К термодиффузии относится молекулярная диффузия, вызванная неоднородным распределением температуры в смеси.
При изотермных условиях интенсивность концентрационной диффузии характеризуется плотностью потока массы вещества.
|
|
|
Плотность диффузионного потока вещества, т.е. количество вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку концентрационной поверхности прямо пропорционально градиенту концентраций.
Плотность диффузионного потока при наличии всех видов диффузий определяется уравнением 
, где 
- плотность потока массы, учитывающая концентрационную диффузию; 
- плотность (концентрация) i -го 
компонента; 
- коэффициент взаимной молекулярной диффузии, м2/с; 
- градиент концентрации, направленный в сторону ее увеличения; 
- направление нормали к поверхности одинаковой концентрации вещества; 
- плотность потока массы, учитывающая термодиффузию; 
- плотность смеси, 
- плотности компонентов; 
- термодиффузионное отношение; 
- коэффициент термодиффузии; 
- температурный градиент; 
- молекулярные массы компонентов; 
- градиент полного давления. Знак минус в уравнении указывает, что перенос вещества происходит в сторону меньшей концентрации.
В движущейся среде вещество переносится не только путем молекулярной диффузии, но и конвекцией. При перемещении объема смеси плотностью со скоростью 
осуществляется конвективный перенос массы смеси 
.
Суммарная плотность потока массы и ее составляющие являются векторными величинами.
Коэффициент температуропроводности равен 
, где 
- удельная теплоемкость влажного тела.
|
|
|
