Қазақстан республикасының Ғылым және білім министірлігі

050730 «Құрылыс материалдары бұйымдары және құрылымдарының өндірісі» мамандығы үшін

ПӘНІНІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК МАТЕРИАЛДАР

Семей 2013
Мазмұны

1	Дәріс оқулар...............................
2	Лабораториялық сабақтар
3	Студенттердің өзіндік жұмысы үшін тапсырмалар......................................

1 Дәріс оқулар

Дәріс жоспары.

1. Тамақ өндірісінде шикізатты, өнімдерді жылумен өндеу. Жылумен өндеу тәсілдері: пісіру, қуыру, пастеризация, стерилизация.

2. Жылутасымалдағыш түрлері.

3. Жылу процестердің қозғаушы күші.

4. Жылуалмасу тәсілдері: жылуөткізгіштік, конвекция, жылулы сәуле шығару.

Жылу процестеріне төмендегілер жатады: ысыту, суыту, конденсациялау және буландыру. Көптеген масса алмасу /мысалы, айдау, кептіру және т.б / процестердің өтуінде бұл процестердің манызы үлкен.

Жылу таратудың негізгі үш түрлі тәсілі бар: жылу өткізгіштік, жылулы сәуле шығару және конвекция.

Жылу өткізгіштік. Бір-біріне тиісіп тұратын өте кіші бөлшектердің тәртіпсіз қозғалысының нәтижесінде жылу өту процесі жылу өткізгіштік-деп аталады. Бұл қозғалыс газдар және тамшылы сүйықтарда молекулалардың қозғалысы қатты денелерде кристалдық тордағы атомдардың тербелісі немесе металдардағы еркін электрондар диффузиясы болуы мүмкін. Қатты денелердің жылу таратуының негізгі түрі жылу өткізгіштік болады.

Конвекция. Газ немесе сұйықтардың макро көлемдерінің қозғалысы және оларды араластыру нәтижесінде жылудың таралуы конвекция деп аталады. Конвекцияның екі түрі болады: 1) еркін немесе табиғи; 2) еріксіз. Газ немесе сұйық көлемінің әртүрлі нүктелеріндегі тампературалар айырмашылығы салдарынан осы нүктелердегі тығыздықтар айырмасының нәтижесінде болатын жылуалмасуды еркін немесе табиғи конвекция деп атайды. Газ немесе сұйық көлемінің еріксіз қозғалысы (мысалы, сорап, компрессор жәрдемімен немесе араластырғышпен араластырғанда) салдарынан жылу алмасуды еріксіз конвекция деп атайды.

Жылулы сәуле шығару. Жылу энергиясының электромагнитті толқындар жәрдемінде таралуы жылулы сәуле шығару деп аталады. Бұл кезде жылу энергиясы кеңістіктен өтіп, сосын сәулелі энергияға басқа денемен сіңіріліп, қайтадан жылу энергиясына айналады.

Іс жүзінде жылу алмасу бөлек алынған бір ғана тәсіл емес, бірнеше тәсілдермен өтеді. Мысалы, қатты қабырға мен газ арасындағы жылу алмасу конвекция, жылуөткізгіштік және жылулы сәуле шығару тәсілдерімен өтеді.

Жылудың қатты қабырғадан оны ағыстап өтетін газға /сүйыққа/ немесе кері бағытта алмасуын жылу беру деп атайды.

Ыстық газдан /сүйықтан/ суық газға /сүйыққа/ оларды бөліп тұрған қатты қабырға немесе бет арқылы жылу өту күрделілеу болады. Бұл процесті жылу өту деп атайды.

Үздіксіз әрекетті аппараттарда әртүрлі нүктелердегі температура уақыт бойынша өзгермейді, мұндай аппарттардағы процесс қалыптасқан (стационарлы) болады. Мерзімді әрекетті аппараттарда температура уақыт бойынша өзгереді (мысалы, ысытқанда немесе суытқанда), яғни жылуалмасу процесі қалыптаспаған (стационарлы емес) болады.
Өзінді тексеруге арналған сұрақтар.

1. Технологиялық аппараттардағы жылу беру ерекшеліктері? 2. Өнімдерді жылумен өңдеу кезінде шешілетін есептер? 3. Жылу алмасу аппараттарының жіктелуі? 4. Жалпы жылу ағыны дегеніміз не? 5. Жылу беру және жылу алмасу дегеніміз не? Осы шамалар қалай жылу ағынын анықтайды? 6. Жылу беру және жылу алмасу коэффициенттерінің мәні және өлшем бірліктері қандай? 7. Мерзімді және үздіксіз әрекетті жылуалмасу процестері үшін берілетін жылу мөлшері қалай анықталады? 8. Кез –келген жылуалмастырғыштар үшін жылу ағынының жалпы теңдеуі қалай жазылады?

Ұсынылатың әдебиет: 4.1.1. 201- 233 бет
Дәріс 2. Жылу баланс теңдеуі.

Дәріс жоспары.

1. Жылу баланс тендеуі. Жылу ағыны. Меншікті жылу ағыны.

2. Жылу өтудің негізгі тендеуі. Жылуөту коэффициентің есептеу. Жылу беру коэффициентің есептеу.

3.Орташа температуралық тегеуірін.

4. Жылу алмасу бетің анықтау.

Жылу тасымалдағыштардың өзара жылуалмасуында ыстық жылу тасымалдағыштың энтальпиясы кеміп, суық жылу тасымалдағыштың энтальпиясы көбейеді. Төмендегі белгілерді қабылдайық:

Онда жылу балансының теңдеуі:

Демек, , яғни ыстық жылутасымалдағыштың берген жылуы суық жылу тасымалдағышты ысытуға және қоршаған ортаға таралатын жылудың орнын толтыруға жұмсалады. Жылуалмастырғыш аппараттардағы жылу шығыны 2-3 % тен аспайды және оларды есепке алмауға болады. Онда жылу балансының теңдеуін былай жазуға болады:

немесе

Егер жылуалмасу процесінде жылу тасымалдағыштардың агрегаттық күйі өзгермесе, онда олдардың энтальпиялары жылу сыйымдылықтарымен температураның көбейтіндісіне тең болады:

Техникалық есептеулерде энтальпияларды берілген температураларда анықтамалардан немесе жылу және энтропиялық диаграммалардан анықтайды.

Егер жылу алмасу процесінде жылу тасымалдағыштардың агрегаттық күйі өзгерсе (мысалы, будың конденсациялануы, сұйықтың булануы және т.б.) немесе жылу эффектімен өтетін химиялық реакциялар болса, онда жжылу балансында физикалық немесе химиялық өзгерістерде бөлінетін жылу шамалары есепке алынуы керек. Мысалы, қаныққан бу жәрдемімен ысытқанда ол конденсацияланады. Бұл кезде (7.2)-теңдеудегі мәні аппаратқа берілетін будың, ал - аппараттан шығатын конденсаттың энтальпиялары.

Аса ысытылған бу жәрдемімен ысытқанда оның жылуы будың бастапқы температурасы - дан қаныққан температура - ға дейін суытылу, будың конденсациялану және конденсаттың суытылу жылуларынан құралады:

мұнда – конденсациялану жылуы, Дж/кг;

және – будың және конденсаттың меншікті жылу сиымдылықтары, Дж/кг^. К;

- аппараттан шыққан конденсаттың температурасы.

Қаныққан бумен ысытқанда конденсат суытылмаса, яғни болса, онда (3.3)- теңдеудің оң жағындағы бірінші және екінші мүшелер жылу балансында есепке алынбайды, яғни
(3.3а)
Жылу тасымалдағыш мөлшерінің /G/ оның орташа меншікті жылу сыйымдылығына //көбейтіндісін сулы эквивалент / W / деп аталады. Егер жылу тасымалдағыштардың жылу сыйымдылықтары С₁ және С₂ температураға байланысты емес деп есептесе, онда жылу балансын төмендегіше жазуға болады:

(3.4)

немесе
(3.4а)

(4.1)-теңдеу бойынша ыстық жылу тасмалдағыштан суық жылу тасмалдағышқа берілген жылу мөлшері жылу алмасу бетіне /F/, орташа температуралық тегеуірінге // және уақытқа /  / тура пропорционал.

Үздіксіз әректті жылу алмасу процестері үшін жылу өту тендеуі төмендегіше жазылады
(4.2)
(4.1) және (4.2) -тендеулерінен жылу өту коэффициетінің физикалық мәні және өлшем бірлігі; егер және болса.

Жылу беру коэффициетінің физикалық мәні: ыстық жылу тасмалдағыштан суық жылу тасмалдағышқа олардың температуралар аиырмасы 1 К болғанда 1 м² жылу алмасу бетінен 1с уақыт бірлігінде берілетін жылу мөлшерін /Дж/ көрсетеді.

Жазық қабырға үшін жылу өту коэффициенті мына формуламен анықталады:


, (4.3)
Мұндағы :

₁ - ыстық жылу тасымалдағыштан жылу алмасу бетіне жылу беру коэффициенті, Вт/м²К

₂ – жылу алмасу бетінен суық жылу тасымалдағышқа жылу беру коэффициенті, Вт/м²К

 - қабырғаның қалыңдығы, м

 - қабырға материалының жылу өткізгіштік коэффициенті, Вт/мК.

- ның физикалық мәні: температуралар айырмасы 1К болған 1м жылу алмасу бетінен 1с уақыт ішінде қабырға қалыңдығының бірлігінен /1м/ жылу өткізгіштік арқылы өткен жылу мөлшерін көрсетеді, яғни дененің жылу өткізгіштік қабілетін сипаттайды.

-ның мәні заттың табиғатына, структурасына, ылғалдылығына, температурасына және т.б факторға байланысты болады.

Орташа температуралық тегеуірін жылу алмасу беті бойынша жылу тасмалдағыштандың температураларының өзгеруіне байланысты болады.

Орташа қозғаушы күш немесе температуралық тегеуіріннің мәні келесі формуламен анықталады:

егер , онда ; (4.4)

егер жылу тасымалдағыштардың температураларының өзгеруі болса және жеткілікті дәлдік дәрежесімен орташа арифметикалық мәнің есептеуге болады:
, (4.5)
Ыстық жылу тасымалдағыштың температурасы t_1б-ден t_1с-ға төмендейді, ал суық жылу тасымалдағыштың температурасы t_2б-дан t_2с-ға дейін өзгереді. Сондықтан жылу тасымалдағыштардың арасындағы үлкен және кіші айырымдар мына формула арқылы анықталады:

t_ү = t_1б – t_2б

t_к = t_1с – t_2с

Жылу алмасу кезінде жылу тасымалдағыштардын агрегаттық күйі өзгермесе, онда жылу тасымалдағыштар параллель және қарама-қарсы қозғалған және бумен ысытқан кезде /17/ және /18/ формулалардан жылу тасымалдағыштардың температураларының орташа айырымын анықтайды.

Жылу тасымалдағыш ысыту бет бойымен қозғалғандағы үздіксіз жылу алмасу процесі кезінде жылу тасымалдағыштардың екеуінің немесе біреуінің температурасы өзгереді. Жылу алмасу процесі жылу тасымалдағыштардың температурасының өзгеруі негізіндегі олардың агрегаттық күйіне және қозғалыстың өзара бағытына тәуелді болады.

Суретте жылу тасымалдағыштардың жылу алмасу аппаратындағы өзара бағыттары және жиі кездесетін жылу тасымалдағыштардың температураларының өзгеру графиктері көрсетілген.

Жылу алмастырғыш аппараттарының жылу алмасу бетті F, (м²):
(4.6)
Өзінді тексеруге арналған сұрақтар.

1. Жылу балансын құру принципінің мәні қандай? 2. Қандай жылу шығыны бар және олардың шамасы қанадай? 3. Жылуалмасудың негізгі түрлерінің жалпы жіктелуі?

Дәріс жоспары.

1. Температуралық өріс және температуралық градиент.

2. Жылу өткізгіштік.

3. Жылуөткізгіштің дифференциалды теңдеуі.
Дененің барлық нүктелеріндегі температуралар мәнінің жиынтығы температура өрісі –деп аталады. Температура өрістері қалыптасқан / стационарлы / және қалыптаспаған / стационарлы емес болады. Қалыптасқан өрістің әр нүктесіндегі температура уақыт бойынша өзгермейді де, ал қалыптаспаған өрісте өзгереді.Сонымен, қалыптасқан өріс үшін;

қалыптаспаған өріс үшін;

Кеңістіктегі температуралары бірдей нүктелердің гиометриялық орны изотермиялық бетті құрайды. Мұндай беттер ешқашан бір-бірімен қиылыспайды. Температуралар өрісінің әртүрлі нүктелеріндегі температураның өзгеру қарқындылығының дәрежесі температуралық градиент арқылы сипаттайды. Екі изотермиялық беттің температуралар айырмасы // -ның осы беттердің нормал бойынша арақашықтығына // -ге қатынасының шегі температуралық градиент – деп аталады және деп белгіленеді:

Бұл градиент векторлы шама және оның бағыты температураның өсу бағытына сәйкес болады. Жылу ағыны болған шартта ғана пайда болады. Жылу ағыныңы бағыты температураның төмендеу бағытына сәйкес болады. Температура өрісінің әртүрлі нүктелерінде жылу ағының шамасы да бағыты да әртүрлі болуы мүмкін. Жылу ағыны температуралық градиентке тура пропорциональ, ал бағыттары қарама-қарсы, яғни

Фурье заңы жылу өткізгіштіктің негізгі заңы болып табылады. Бұл заң бойынша: жылу ағынына перпендикуляр бет арқылы уақытта өтетін жылу мөлшері , температуралық градиентке / /-ке бетке // және уақытқа // тура пропорционал;

немесе уақыт бірлігінде 1м² арқылы өткізілген жылу мөлшері;

/7.9/-теңдеуге байланысты-

Сонымен, - ның физикалық мәні: температуралар айырмасы 1К болған 1м жылу алмасу бетінен 1с уақыт ішінде қабырға қалыңдығының бірлігінен /1м/ жылу өткізгіштік арқылы өткен жылу мөлшерін көрсетеді, яғни дененің жылу өткізгіштік қабілетін сипаттайды.

Газдардың жылу өткізгіштік коэффициенті 0,00620,165 аралығында болады; температура көбейгенде көбейеді; тек жоғарғы /2000 атм/ және өте төменгі /0,03 ата/ қысымдарда ғана өзгереді.

Газдардың жылу өткізгіштік коэффициентін төмендегі формуламен есептеуге болады.

мұнда - газдың динамикалық тұтқырлығы, Па^.с.

- газдың тұрақты көлеміндегі меншікті жылу сиымдылығы, Дж/кг^.К;

В – бір атомдағы газдар үшін ; екі атомды газдар үшін ; үш атомды газдар үшін .

Сұйықтардың жылу өткізгіштік коэффициенті 0,10,7 арлысғында болып, температура көбейген сайын (су мен глицериннен басқасы) азаяды. Сұйықтар үшін (температура ~ 30⁰С -та) - ны төмендегі формуламен есептеуге болады:

мұнда с- сұйықтың меншікті жылу сиымдылығы, Дж/кг;

- сұйықтың тығыздығы, кг/м³;

М- сұйықтың молдік массасы, кг/кмоль;

А – коэффициент, ассоцияланған сұйықтар үшін , ассоцияланбаған сұйықтар үшін .

Сұйықтың басқа температуралары үшін төмендегі формуламен есептелінеді:

мұнда - температуралық коэффициент.

Заттардың судағы ерітінділерінің жылу өткізгіштік коэффициенті төмендегі формуламен есептелінеді:

мұнда - ерітіндінің және судың жылу өткізгіштік коэффициенттері.

Жылу оқшаулағыш материалдардың жылу өткізгіштігі 0,0060,175 ралығында болады. Материалдар үшін ; температура өскен сайын металдардың -сы азаяды.

Жылу өткізгіштік // материалдардың кеуектілігіне және ылғалдылығына байланысты. Ылғал материалдар үшін құрғақ материалдарға қарағанда көп. Кеуектілік -ны азайтады, себебікеуек арасындағы ауаның -сы аз.

Изотропты және біртекті дене ішінен қабырғалары көлемі болған элементар параллелепипед бөліп аламыз. Дененің физикалық қасиеттері (тығыздығы, жылу сиымдылығы және жылу өткізгіштігі) параллелепипедтің барлық нүктелерінде бірдей және уақыт бойынша өзгермейді деп қабылданады.

Параллелепипед қырларындағы температурасы -, ал сәйкес қарама-қарсы қырларындағы температуралары: ; ;.

Параллелепипедтің сол, артқы және астыңғы жақтарынан цуақыт ішінде мөлшерде жылулар кіріп, ал сәйкес қарама-қарсы жақтарынан (оң, алдыңғы және жоғарғы) мөлшерінде жылулар шығады деп есептейік. Белгілі уақыт ішінде параллелепипедке кірген және одан шыққан жылулар айырмасы төмендегіше өрнектеуге болады:

Фурье заңына сүйеніп Х - өсі бойынша жағынан кірген // және шыққан // жылулар мөлшерлері.

Онда

Дәл осылай және өстері бойынша:

Соңғы үш теңдеудің сол және оң жағындағы мәндерін қосып төмендегіні анықтаймыз:

Жақшаның ішіндегі қосынды Лаплас операторын / өрнектейді.Демек,

Энергияның сақталу заңы боиынша параллелепипедтегі жылудың көбеюі оның энтальпиясының өзгеруіне шығындалған жылу мөлшеріне тең болады, яғни;

мұндағы -уақыттағы параллелепипедтің температурасының өзгеруін өрнектейді. және /б/ -теңдеулерін тенестірсек;

7.16-теңдеу жылу өткізгіштік арқылы жылу берілетін дененің кезкелген нүктесіндегі температуралардын таралуын көрсетеді және қозғалыссыз ортадағы жылу өткізгіштіктің дифференциалды теңдеуі немесе Фурье тендеуі деп аталады.

Өзінді тексеруге арналған сұрақтар.

1. Негізгі критерилері қандай? 2. Олардың есептерде пайдалану әдістерін көрсетіңіздер?

Ұсынылатың әдебиет: 4.1.1. 201- 233 бет