Schimbător de căldură de tip țeavă în țeavă pentru încălzirea soluției de zaharoză

1.Bazele teoretice ale procesului

1.1. Transmiterea căldurii prin convecţie

În aproape toate cazurile practice, transmiterea căldurii se face de la un fluid cald print-un perete depărţitor solid la un fluid rece; de exemplu încălzirea lichidului dintr-un cazan cu ajutorul gazelor de ardere, răcirea aerului dintr-o încăpere de către aerul rece din exterior. Uneori nu exista un perete solid despărţitor şi transmiterea căldurii se face direct prin contactul între cele două fluide, în aceste cazuri, transmiterea căldurii este însoţită de un transport (schimb de masă, sub-stanţă) între cele două fluide, de exemplu condensarea unor vapori prin contact direct cu apa de răcire, vaporizarea apei în contact cu aerul cald. Înăuntrul unui fluid, transmiterea căldurii se face simultan prin conducţie şi convecţie. Participarea convecţiei şi a conducţiei variază mult cu construcţia aparatului, natura fluidului şi condiţiile de funcţionare, dar ambele moduri de transmitere sînt întotdeauna prezente. Dacă într-un cilindru cu apă se introduce o bucată de gheaţă (care, avînd densitatea mai mică decît a apei, pluteşte pe suprafaţa apei) şi se încălzeşte cilindrul la partea inferioară, gheaţa se topeşte repede; în această experienţă convecţia (naturală) are o participare importantă la transmiterea căldurii. Dacă însă gheaţa este ţinută la fundul cilindrului şi încălzirea se face la partea lui superioară, gheaţa se topeşte mult mai încet, deoarece participarea convecţiei este mult mai mică şi căldura se transmite de la partea superioară la cea inferioară a cilindrului aproape numai prin conducţie. Dacă, în timpul încălzirii exterioare, apa din cilindru este agitată, cu un amestecător, gheaţa se topeşte şi mai repede din cauza intervenţiei convecţiei (forţate).

Convecţia este condiţionată de un transport (deplasare) de substanţă.

• Cînd la transportul de substanţă rezultă diferenţă de densitate a porţiunilor mai calde de fluid faţă de cele mai reci convecţia se numeşte convecţie-naturală.

• Cînd transportul este provocat de o cauză (mecanică) exterioară (agitare, pompare) convecţia se numeşte convecţie forţată.

1.1.1. Ecuaţia diferenţială Fourier—Kirghhoff pentru transmiterea căldurii prin convecţie

Căldura transmisă prin convecţie este căldura transportată de un fluid în mişcare. Acest fenomen este descris matematic printr-o ecuaţie diferenţială care se deduce considerînd schimburile care se produc într-un paralelipiped elementar cu laturile dar, dy, dz — delimitat imaginar în curentul fluidului în mişcare, prin care se transmite căldura (fig. 1.1)

1.Bazele teoretice ale procesului

1.1. Transmiterea căldurii prin convecţie

În aproape toate cazurile practice, transmiterea căldurii se face de la un fluid cald print-un perete depărţitor solid la un fluid rece; de exemplu încălzirea lichidului dintr-un cazan cu ajutorul gazelor de ardere, răcirea aerului dintr-o încăpere de către aerul rece din exterior. Uneori nu exista un perete solid despărţitor şi transmiterea căldurii se face direct prin contactul între cele două fluide, în aceste cazuri, transmiterea căldurii este însoţită de un transport (schimb de masă, sub-stanţă) între cele două fluide, de exemplu condensarea unor vapori prin contact direct cu apa de răcire, vaporizarea apei în contact cu aerul cald. Înăuntrul unui fluid, transmiterea căldurii se face simultan prin conducţie şi convecţie. Participarea convecţiei şi a conducţiei variază mult cu construcţia aparatului, natura fluidului şi condiţiile de funcţionare, dar ambele moduri de transmitere sînt întotdeauna prezente. Dacă într-un cilindru cu apă se introduce o bucată de gheaţă (care, avînd densitatea mai mică decît a apei, pluteşte pe suprafaţa apei) şi se încălzeşte cilindrul la partea inferioară, gheaţa se topeşte repede; în această experienţă convecţia (naturală) are o participare importantă la transmiterea căldurii. Dacă însă gheaţa este ţinută la fundul cilindrului şi încălzirea se face la partea lui superioară, gheaţa se topeşte mult mai încet, deoarece participarea convecţiei este mult mai mică şi căldura se transmite de la partea superioară la cea inferioară a cilindrului aproape numai prin conducţie. Dacă, în timpul încălzirii exterioare, apa din cilindru este agitată, cu un amestecător, gheaţa se topeşte şi mai repede din cauza intervenţiei convecţiei (forţate).

Convecţia este condiţionată de un transport (deplasare) de substanţă.

• Cînd la transportul de substanţă rezultă diferenţă de densitate a porţiunilor mai calde de fluid faţă de cele mai reci convecţia se numeşte convecţie-naturală.

• Cînd transportul este provocat de o cauză (mecanică) exterioară (agitare, pompare) convecţia se numeşte convecţie forţată.

1.1.1. Ecuaţia diferenţială Fourier—Kirghhoff pentru transmiterea căldurii prin convecţie

Căldura transmisă prin convecţie este căldura transportată de un fluid în mişcare. Acest fenomen este descris matematic printr-o ecuaţie diferenţială care se deduce considerînd schimburile care se produc într-un paralelipiped elementar cu laturile dar, dy, dz — delimitat imaginar în curentul fluidului în mişcare, prin care se transmite căldura (fig. 1.1).