2.1. Основні поняття та визначення

Програма.

Предмет і задачі теорії теплообміну. Значення теплообміну в технологічних процесах підприємств харчування. Основні поняття і визначення теорії теплообміну. Теореми подібності. Види переносу теплоти (теплопровідність, конвекція, випромінювання). Критеріальні числа та критеріальні рівняння теплової подібності. Складний теплообмін.

Методичні вказівки. Матеріал цієї теми становить комплекс визначень і понять, на базі яких викладаються наступні теми розділу. Передусім потрібно не забувати, що теплообмін можливий тільки тоді, коли є неоднаково нагріті тіла або ділянки тіла, тобто рухомою силою будь-якого процесу теплообміну є різниця температур. Студент повинен чітко формулювати і розуміти такі поняття, як тепловий потік, питомий тепловий потік, температурне поле, ізотермічна поверхня, температурний градієнт, стаціонарний і нестаціонарний режим теплообміну, знати прості і складні види теплообміну. Важливо розуміти, що при теплообміні, як і в багатьох фізичних процесах, при прямій дії - перенесення теплоти, має місце протидія - термічний опір.

Кількісна характеристика теплообміну будь-якого виду підкоряється загальній закономірності: Щільність теплового потоку (питомий тепловий потік) прямо пропорційна різниці температур і зворотно пропорційна термічному опору - .

Розрізняють лінійну q_l (Вт/м), q_F поверхневу (Вт/м²), q_v об'ємну (Вт/м³) щільність теплового потоку.

Література: Л. 1, с. 161-165; Л. 2, с. 134-135; Л.7.

2.2. Теплопровідність

Програма.

Фізична суттєвість теплопровідності. Основний закон теплопровідності (закон Фур’є). Коефіцієнт теплопровідності. Диференційне рівняння теплопровідності. Коефіцієнт температуро-провідності. Умови однозначності.

Теплопровідність плоскої одношарової і багатошарової стінки при стаціонарному режимі. Теплопровідність циліндричної одношарової і багатошарової стінки при стаціонарному режимі.

Методичні вказівки. Фізично теплопровідність являє собою процес розповсюдження теплоти шляхом теплового руху мікрочастин речовини без переміщення, що візуально спостерігається, самих частинок. В чистому виді теплопровідність має місце в твердих тілах і в нерухомих шарах газу або рідини (тонких шарах, що прилягають до поверхні твердого тіла). Коефіцієнт теплопровідності - це фізична властивість газу, рідини або твердого тіла, і являє собою тепловий потік, що проходить через одиницю ізотермічної поверхні при температурному градієнті, який дорівнює одиниці

 = Ф / (F  grad T) [Вт/(мК)]. (6)

Кінцева мета розв’язання задач стаціонарної теплопровідності - визначення теплоти, що проходить через стінку (між зовнішніми ізотермічними поверхнями стінки).

, (7)

де R - термічний опір стінки (плоскої, циліндричної, одношарової, багатошарової).

Для плоскої одношарової стінки , багатошарової -;

Для циліндричної одношарової стінки , багатошарової - .

Література: Л. 1, с. 164-175; Л. 2, с. 136-144, Л.7.

2.3. Конвективний теплообмін

Програма.

Фізична суттєвість конвективного теплообміну. Закон Ньютона-Ріхмана. Коефіцієнт тепловіддачі. Чинники, які впливають на коефіцієнт тепловіддачі.

Основні положення і визначення теорії подібності. Умови подібності фізичних явищ. Критерії подібності. Критеріальні рівняння конвективного теплообміну. Визначний критерій і визначальні критерії.

Основні положення теорії межового шару.

Тепловіддача при змушеному русі рідини (вздовж плоскої стінки і труби, при поперечному омиванні одиничної труби і пучка труб з коридорним і шаховим розташуванням, усередині труб).

Тепловіддача при вільному русі рідини в необмеженому і обмеженому обсязі коло вертикальних і горизонтальних поверхонь.

Тепловіддача при змінюванні агрегатного стану рідини. Теплообмін при плівковій і капельній конденсації на вертикальних і горизонтальних трубах. Вплив на теплообмін присутніх у парі неконденсованих газів. Теплообмін при бульбашковому і плівковому режимах кипіння. Криза кипіння.

Методичні вказівки. Ця тема звичайно більш трудна у вивченні. Трудність полягає в тому, що для кожного випадку теплообміну вимагається знати числове значення коефіцієнту тепловіддачі , що не є фізичною константою, бо характеризує не окреме тіло, а теплову взаємодію двох тіл - рідини (або газу) і твердого тіла, які мають свої конкретні властивості. Коефіцієнт тепловіддачі - це кількість теплоти, відданої в одиницю часу одиницею поверхні стінки при різниці температур між стінкою і рідиною 1 К (або градус)

, Вт /(м²К) . (8)

Коефіцієнт тепловіддачі є складною функцією різних величин, що характеризують цей процес.

.

Це не дозволяє результати експериментальних досліджень, отриманих при певних умовах, застосовувати в розрахунках теплообмінних процесів, які характеризуються іншими умовами.

Теорія подібності якраз і дозволяє результати експериментального методу дослідження (в частковості конвективного теплообміну) переносити (розповсюджувати) на клас подібних явищ. Згідно першої теорії подібності, у подібних явищ критерії подібності чисельно однакові. Числа (константи) подібності - це безрозмірні співвідношення параметрів, що характеризують процес. Конвективний теплообмін описується чотирма числами подібності: Рейнольдса () , Грасгофа () , Прандтля ( ) і Нуссельта () . Критерій Нуссельта включає в себе числове значення коефіцієнту тепловіддачі, тому він називаєтьсявизначним критерієм, бо знаючи його значення, можна визначити коефіцієнт тепловіддачі . Інші три критерії - визначальні, тобто Nu = f (Re, Gr, Pr). В загальному випадку критеріальне рівняння конвективного теплообміну має вид

Nu = c∙Reⁿ∙Pr^m∙Gr^k∙ (Pr_р /Pr_ст) ^0,25∙_l, (9)

де значення с, n, m – коефіцієнти, що залежать від особливостей умов взаємодії рідини і твердої стінки; - враховує напрям теплового потоку;- коефіцієнт, що залежить від відношення довжини труби до діаметру (для плоских поверхонь не враховується).

При змушеному русі рідини Gr = 1, тоді

Nu = cReⁿPr^m(Pr_р /Pr_ст) ^0,25. (10)

При вільному русі рідини Re = 1, тоді

Nu = c Pr^mGr^k(Pr_р /Pr_ст) ^0,25. (11)

В формулах (9) - (11) визначальна температура - температура рідини на віддалі від стінки, визначальний розмір - повна довжина стінки по напрямку потоку або діаметр.

Література: Л. 1, с. 178-206; Л. 2, с. 151-170; Л.7, розд.2.