Основы теории теплопередачи
Основные термины и определения
В технологии производства пищевых продуктов широкое применение нашли нагрев (прием телом тепла) и охлаждение (отдача телом тепла). Например, подогрев молока перед сепариваванием, выпариванием, а также охлаждение молочных продуктов с целью сохранения их качества. Во всех случаях имеет место перенос тепла. Процесс переноса тепла называется теплообменом. Движущей силой теплообмена является разность температур между теплоносителями. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.
Перенос тепла осуществляется тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Теплопроводность – это перенос тепла вследствие беспорядочного перемещения микрочастиц, или колебание атомов в кристаллических решетках, или диффузия свободных электронов. В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах.
Конвекция – это перенос тепла вследствие движения макроскопических объемов газа или жидкости. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и возможна в жидкостях и газах. Различают естественную и вынужденную конвекцию.
Естественная конвекция осуществляется за счет разности плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разностей температур в этих точках.
Вынужденная конвекция осуществляется при принудительном движении жидкости (перемешивание мешалкой, перекачивание насосом).
Тепловое излучение – это перенос тепла в виде электромагнитных волн. Этот вид теплообмена возможен между телами любого агрегатного состояния.
В реальных условиях способы переноса тепла встречаются, как правило, не в обособленном виде, а осуществляются комбинированным путем.
Особое место занимает теплообмен, сопровождающийся изменением агрегатного состояния теплоносителей. К этому виду теплообмена относятся испарение и конденсация.
Теплоотдача – это процесс переноса тепла от стенки к жидкости (газу) или обратно.
Теплопередача – это процесс теплообмена между теплоносителями через разделяющую их стенку.
Тепловой поток Q – это количества тепла, прошедшее через поверхность f за время τ, Дж, Вт.
Удельный тепловой поток q – это поток тепла, прошедший в единицу времени через единицу поверхности, Вт/м2.
Различают установившийся и неустановившийся тепловые потоки. Для установившегося (стационарного) температурного поля температура является функцией только координат:
t=f(x, y, z).
Для неустановившегося температурного поля температура зависит также и от времени:
t=f(x, y, z, τ).
Основы теории теплопередачи
Перенос тепла теплопроводностью
Закон Фурье
Внутри тела всегда можно найти совокупность точек, имеющих одинаковую температуру, образующих изотермические поверхности.
Изменение температуры по нормали n к изотермической поверхности, получило название температурного градиента:
.
Количество тепла dQ Дж, передаваемое теплопроводностью через элемент df изотермической поверхности тела за время dτ, выражается основным уравнением теплопроводности:
, (4.1)
где λ – коэффициент теплопроводности, выражает количество тепла, передаваемое теплопроводностью через 1 м2 поверхности за 1 с при изменении температуры на 1 град, на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Размерность - [Вт/м·К]:
λ зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других параметров и определяется опытным путем.
Основы теории теплопередачи
Тепловое излучение