PRZEPŁYW CIEPŁA NA DRODZE PRZEWODZENIA
przewodzenie- zachodzi na skutek zderzenia się ze sobą cząstek, jest energią przekazaną na skutek tego zderzenia
k- przewodnictwo cieplne [W/mK] zależy od materiału i temperatury
współczynnik k określa zdolność danej substancji do przewodzenia ciepła
im k większe tym materiał lepiej przewodzi ciepło
im większa temp. to przewodnictwo cieplne większe
przewodnictwo cieplne w temp. ok. 300 K: miedź 400, aluminium 175, mosiądz 75-100, stal 40, ołów 30, stal nierdzewna 20, szkło 0,5-0,9, woda 0,6, powietrze 0,06
są to dobre przewodniki ciepła
izolatory: szkło> drewno> wełna> korek> wata szklana
sa to słabe przewodniki
- ilość ciepła przechodzącą pod wpływem gradientu temperatur (To-T1) w jednostce zcasu przez powierzchnię A określa rownanie=Q:
Q = qA = kA/x (T0-T1)
To-T1- gradient temp., siła napędowa
q- szybkość przepływu ciepła na jednostkę powierzchni
A-powierzchnia przez którą przechodzi strumień ciepła
x- droga, grubość,
h- opór cieplny- zawiera inf. na temat geometrii przepływu
................................
PRZEPŁYW CIEPŁA NA DRODZE KONWEKCJI
Konwekcja- ciepło przenoszone przez cząsteczki cieczy lub gazów, które stykając się z ogrzanymi powierzchniami naczyń, pobierają od nich ciepło i unoszą je ze sobą
Przechodzenie następuje w granicznej warstwie adsorbcyjnej (laminarnej)
Grubość warstwy granicznej zależy od:
charakteru ruchu płynu
lepkości płynu
Naturalna konwekcja wynika z gradientu gęstości płynu powstałego w wyniku różnicy temperatur
W przemyśle istnieje proces wymuszonej konwekcji
Przepływ ciepła może być:
laminarny
turbulentny
Rodzaj przepływu zależy od:
prędkości przepływu
średnicy rury
płynu charakteryzowanego parametrami gęstości i lepkości
a. przepływ laminarny
np. przepływ barwnika po całym naczyniu, jeżeli szybkość przepływu nie jest zbyt duża to widać wyraźnie czoło przemieszczającego się barwnika, duża warstwa graniczna
zalanie herbaty ekspresowej- warstwa ciemna idzie ku dołowi
nastepuje powolne przemieszczanie się energii, jest to proces powolny
b. przepływ turbulentny
np. szybkie osiągnięcie warstwy ciemnej herbaty poprzez zamieszanie, przepływ przyspieszony
cząsteczki energii poruszaja się w różnych przypadkowych kierunkach, co prowadzi do wymieszania cieczy
ginie warstwa graniczna, powstają zawirowania, dążymy do osiągnięcia tego przepływu
c. dla określenia rodzaju przepływu w rurce służy Re- bezwymiarowa liczba Reynoldsa
Re = vdg/m , v- prędkość przepływu, d- średnica rury, g- gęstość płynu, m- lepkość płynu
im prędkość większa tym Re większe
im bardziej lepka ciecz tym tym trudniej uzyskać przepływ turbulentny
Re < 2000- przepływ laminarny
2000 < Re < 4000- przejście między przepływem laminarnym a turbulentnym
Re > 4000- przepływ turbulentny
podstawowym sprzętem do wymiany ciepła w przemysle są rurowe wymienniki ciepła
ciepło jest przekazywane od jednego płynu do drugiego przez ścianę, powierzchnia zewnętrzna i wewnętrzna wymiennika ciepła jest identyczna
przepływ może być:
przeciwprądowy
współprądowy
.........................
PRZEPŁYW CIEPŁA NA DRODZE PROMIENIOWANIA
źródłem energii są fale elektromagnetyczne w zakresie promieniowania podczerwonego i światła widzialnego
E = εδT4
ε- zdolność emisyjna
δ- stała Boltzmana (5,67*10-8 W/m2K4)
0 < ε < 1; zależy od powierzchni, im bardziej chropowata tym bardziej zdolność emisyjna wieksza
ε- dla polerowanych metali niska ok. 0,05, niemetale i powierzchnie metali chropowatych lub pokrytych tlenkami ok. 0.8
żeliwo chropowate > stal metalowa > stal polerowana
q = εδ (T4-T04)
część energii jest wchłaniana, część odbijana
NOŚNIKI CIEPŁA STOSOWANE W PRZEMYŚLE
nasycona para wodna
zalety: tania, łatwo dostępna, duży współczynnik przenikania cieplnego, łatwość regulowania i ustalania temperatury, niepalna, nietoksyczna, mało agresywna do aparatury
wady: wąski zakres temperatur, wysokie ciśnienie, duże koszty kotłów parowych
woda - nie można przekroczyć punktu krytycznego 374 o
gazy spalinowe - wysokie temperatury (1000 O i powyżej), mały współczynnik przenikania cieplnego, nie stosowane w przemyśle farmaceutycznym
oleje opałowe i dowtherm(mieszanina 70% difenylu i 30% eteru difenylowego), znaczna wytrzymałość termiczna, wysoka temperatura wrzenia, niska prężność par (10 razy mniejsza prężność par niż wody)
inne (stopione sole - 40% NaNO2, 7% NaNO3, 53% KNO3, glikol, 23% rozt. NaCl (-21OC), 29% rozt. CaCl2 (-40OC)
URZĄDZENIA DO WYMIANY CIEPŁA
a.aparat Frederkinga
służy do ogrzewania wodą przegrzaną lub para wysokoprężną przy użyciu wężownic stalowych o dużej wytrzymałości na ciśnienie wtopionych w ścianę aparatu grzejnego zbudowanego z grubych, żeliwnych ścian
zbudowany z: pieca węglowego lub koksowego(1), zestawu grubościennych rur stalowych, umieszczonych w przewodach pieca i ogrzewanych gazami spalinowymi (2), oraz z właściwego aparatu grzejnego (3)
zaletą jest to że temperaturę można regulować
wadą jest duży koszt i mała powierzchnia ogrzewania
b. aparat Semka
służy do ogrzewania wodą przegrzaną lub para wysokoprężną przy użyciu wężownic przyspawanych do ścian aparatu od strony zewnętrznej, środek grzejny doprowadza się do górnego końca wężownicy
zalety: tańszy, lżejszy, możliwość użycia szeregu tworzyw jak miedź czy glin
MIESZANIE
MIESZANIE CIAŁ STAŁYCH
Ciała stałe mieszamy w stanie sypkim w urządzeniach zwanych mieszalnikami (mieszarkami). Wyniki mieszania zależą od właściwości ciał stałych, tj. stopnia rozdrobnienia i kształtu cząstek, od ciężaru właściwego, wilgotności i higroskopijności materiału.
mieszalniki bębnowe
do działania okresowego, półciągłego i ciągłego
do miesz. niewielkich ilości ciał stałych
miesz. okresowy - ładowanie i wyładowanie materiału odbywa się poprzez pokrywę
- mieszanie przy wolnych obrotach
- miesz. polega napodnoszeniu materiału na pewną wysokość i zsypywaniu go
- mieszalnik z przegrodami przyspiesza proces mieszania
miesz. półciągły - bęben zaopatrzony jest w przegrody do podnoszenia materiałów, przenośnik ślimakowy oraz koryto obrotowe
ładowanie materiału od góry, wyładowanie od dołu
efekt mieszania zależy od czasu, ilości obrotów bębna i napełnienia mieszalnika
mieszalniki kulkowe
- stosowane również do rozdrabniania i suszenia
mieszalniki spiralne
na wale poziomym osadzone są łapy, do których przymocowana jest taśma metalowa, spiralnie skręcona. Przy wolnych obrotach materiał jest mieszany i równocześnie przesuwany z jednego końca na drugi
mieszanie ciał plastycznych
do mieszania ciał plastycznych otrzymywanych przez zmieszanie ciał stałych z niewielką ilością cieczy służą zagniatarki. Praca w nich polega na ugniataniu i rozrywaniu zagniecionej masy.
np.zagniatarka Bolanda i zag. Freyburgera
MIESZANIE CIECZY Z CIECZAMI LUB CIAŁAMI STAŁYMI
mieszadła łopatkowe
składają się z łopatek osadzonych pionowo lub poziomo na wale obrotowym
ruch cieczy polega na odrzucaniu cząstek cieczy w kierunku ścian naczynia, wznoszeniu się do góry i opadaniu
mieszanie cieczy lepkich i gęstych jest ograniczone zasięgiem samego mieszadła
ciecz ulega w czasie mieszania ruchowi wirowemu o tym samym kierunku co poruszające się mieszadło, zmniejsza to efekt mieszania, aby temu ruchowi zapobiec, ustawia się w naczyniu przeszkody w postaci nieruchomych łopatek, zwanych łamaczami, które przeciwdziałają krążeniu cieczy wraz z obracającym się mieszadłem
• mieszadła ramowe
obejmuje zasięgiem całe naczynie i umożliwia mieszanie wszystkich warstw cieczy
• mieszadło kotwiczne
używane najczęściej w naczyniach ogrzewanych przeponowo płaszczem grzejnym
na skutek mieszania całej zawartości naczynia zachodzi szybsza wymiana cieplna, unika się przegrzania substancji ogrzewanych
• mieszadła tarczowe
posiadają na powierzchni tarczy większą ilość otworów
stosowane do mieszania dwóch nie mieszających się cieczy
nadają się do mieszania cieczy o niskim ciężarze właściwym
• mieszadła podwójne
dwa mieszadła łopatkowe poruszają się w przeciwnych kierunkach
• mieszadła planetarne
stosowane w dużych naczyniach, przy znacznej ilości osadów
ruch obrotowy dookoła osi głównej oraz dookoła osi bocznej
ruch przypomina ruch planet dookoła słońca
mieszadła śrubowe
służą do mieszania cieczy lepkich i gęstych
składają się z nieruchomej rury cyrkulacyjnej, wewnątrz której obraca się śruba
zależnie od tego, czy chodzi nam o wypychanie cieczy z osadem z dna naczynia czy przeciwnie - o wypychanie cieczy z osadem z góry na dół, nadajemy mieszadłu odpowiednie obroty
mieszadła śmigłowe
bardzo efektywne
zbudowane z krótkich śmigieł, które mogą być poruszane z dużą prędkością obwodową
śmigła są skręconymi łopatkami o zmiennym nachyleniu
przy prawych śmigłach i przy ruchu miesz. zgodnie z ruchem wskazówek zegara ciecz jest wypychana na ściany naczynia oraz ku górze
przy lewych śmigłach ciecz jest wypychana w kierunku na ściany oraz ku dołowi naczynia
dobre wyniki mieszania uzyskuje się umieszczając śmigło prawe blisko dna naczynia, a lewe pod powierzchnią cieczy
mieszadła te nadają dużą szybkość
nie nadają się do mieszania cieczy lepkich i gęstych
mieszadła turbinowe
bardzo efektywne
do otrzymywania emulsji
do mieszania cieczy lepkich i zawiesin o dużym stężeniu fazy stałej (do 60%)
składają się z wirnika poruszanego z dużą prędkością
ciecz cięższa jest zasysana od dołu i dzięki sile ośrodkowej jest wyrzucana i mieszana z cieczą lżejszą, która spływa osobnym przewodem od góry; obie ciecze wzajemnie się mieszają tworząc emulsję
MIESZANIE GAZÓW Z GAZAMI, CIECZAMI I CIAŁAMI STAŁYMI
gaz z gazem - samorzutnie przez dyfuzję
proces można przyspieszyć sposobami mechanicznymi - wentylatory, dmuchawy
gazy z cieczami - mieszamy celem przeprowadzenia reakcji chemicznych, oczyszczenia gazów lub wymieszania cieczy
przy użyciu bełkotki - jest to pozioma rura, z małymi, równymi co do wielkości otworami. Im mniejsze są otwory, tym mniejsze pęcherzyki gazu przechodzą przez ciecz i tym większa jest powierzchnia zetknięcia się obu faz
bełkotki korytkowe i dzwonowe - stosowane przy mieszaniu cieczy z osadami przy użyciu gagów lub przy nasycaniu cieczy gazami z równoczesnym wytrąceniem osadu, gaz uchodzi do naczynia poprzez koryto lub dzwon o brzegach nierównych co zapobiega zatykaniu się bełkotki
ĆW. 5
1