ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Теплообменом или теплопередачей называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тела.

Явление теплообмена может быть стационарным и нестационарным. При стационарном (установившемся) процессе температурное поле постоянно, не меняется во времени, температура отдельных точек рассматриваемого тела или пространства неизменна, хотя возможны любые перепады температур между этими точками. Так как при таком процессе ни одна точка пространства не остывает и не нагревается, то общий запас содержащейся в нем тепловой энергии (аккумулированное данным веществом тепло) также остается без изменения.

При нестационарном (неустановившемся) процессе температура отдельных точек рассматриваемого пространства или тела меняется во времени, следовательно, изменяются, температурное поле в теле и аккумулированное в нем или в отдельных его частях тепло, его тепло содержание.

 

Различают три способа передачи теплоты - теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен.

Теплота передается теплопроводностью внутри твердых, жидких или газообразных тел. В этом случае передача теплоты осуществляется от одних частиц вещества к другим, соседним. Это сравнительно медленный способ передачи теплоты, его скорость зависит от свойств и состояния вещества, в котором происходит теплообмен. Она у более плотных тел (особенно у металлов) и сравнительно мала в пористых телах или в телах.

В жидкостях и газах возможны естественные и принудительные потоки. При этом с частицами вещества переносится присущий им запас тепловой энергии. Такой способ переноса теплоты в пространстве носит название конвективная теплопередача (конвективный теплообмен). Если перемещение вызывается неодинаковой плотностью газа или жидкости в различных точках, обусловленной разностью температур среды, такого рода теплопередача называется свободной (свободный конвективный поток, например восходящий поток, более нагретых частиц жидкости или газа).

Конвективная теплопередача может быть вынужденной, обусловленной внешними причинами (например, при перемешивании жидкости мешалкой или при работе вентилятора). В этом случае говорят о принудительном конвективном теплообмене.

Передача теплоты тепловым излучением −теплообмен излучением или лучистый теплообмен — представляет собой процесс распространения электромагнитных волн (тепловые лучи). Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде. Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в теплоту, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии — тепловой энергии в лучистую и затем лучистой в тепловую.

В большинстве случаев сушка влажных материалов производится нагретым газом, воздухом, топочными газами и т. д.

В сушильных устройствах режим сушки с течением времени изменяется. Сушка представляет собой комплексный процесс, в котором теплотехнические и технологические закономерности взаимно связаны между собой. Кинетика процесса сушки определяется как тепло- и массообменом между поверхностью тела и окружающей средой, так и переносом внутри тела. Технологические стороны процесса сушки являются решающими при выборе оптимального режима сушки.

Необходимо отметить, что влажные материалы представляют собой капиллярнопористые коллоидные тела. Форма связи поглощенного вещества (влаги) с веществом самого тела оказывает основное влияние на механизм переноса тепла и вещества внутри тела, а также на технологию сушки. Материалы, подвергаемые сушке, имеют самые разнообразные формы связанной влаги. Если основная часть влаги связана осмотически, то такой материал по своим свойствам приближается к коллоидным телам, и закономерности в процессе сушки этого материала близки к закономерностям сушки коллоидного тела. Поэтому, чтобы не рассматривать процесс сушки множества материалов, остановимся на двух типичных телах: капиллярнопористом теле (кварцевый песок) и коллоидном теле (желатин), а также на некоторых промежуточных по своим свойствам телах (капиллярнопористые коллоидные тела — глина, древесина, торф).

Анализ закономерностей процесса сушки этих тел позволяет распространить эти закономерности на большинство влажных материалов.

Режим сушки нагретым газом характеризуется тремя параметрами: температурой газа t_c, его влажностью φ и скоростью движения υ;. Эти параметры влияют не только на длительность сушки, но и на качество высушенного материала. Поэтому необходимо найти такой режим сушки, чтобы при минимальной длительности сушки и наименьшем расходе тепла получались наилучшие технологические свойства материала.

Для процесса сушки различных сыпучих материалов используют низкотемпературные печи сопротивления, которые можно подразделить на печи, работающие в периодическом и непрерывном режимах, с естественной или принудительной циркуляцией атмосферы.

Простейшими являются печи периодического действия с естественной циркуляцией. Они представляют собой шкаф или камеру той или иной формы с расположенными на полках изделиями и нагревателями, установленными в нижней части шкафа и на его стенках. В печах периодического действия нагреваемые тела помещаются в рабочую камеру и постепенно нагреваются до заданной температуры, оставаясь неподвижными.

Печи описанного типа не могут быть высокопроизводительными, так как коэффициент теплопередачи при естественной конвекции невелик. Процесс интенсифицируется применением вынужденной циркуляции.

В методических печах (конвейерных) нагреваемые детали загружаются с одного конца печи, перемещаются по ее длине, при этом прогреваются до заданной температуры и выдаются с другого конца печи. В таких печах температура в различных точках неодинакова. Температура повышается от загрузочного конца печи к выгрузочному. Печи непрерывного действия сложнее печей периодического действия, так как в них необходимо обеспечить перемещение деталей вдоль камеры печи, однако они являются более производительными при тех же габаритных размерах и обеспечивают интенсивность режима термообработки. Поэтому печи непрерывного действия обычно применяются в массовых и крупносерийных производствах.