1. Энергоресурсы и энергоноситель
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
. сплавов < чистых металлов, так как наличие примесей в металлах вызывает уменьшение электронной проводимости. 17. Конвективный теплообмен. Конвекция может быть: è свободной - осуществляется при естественном движении среды вследствие разности плотностей неодинаково нагретых масс; Режим движения характеризуется 18. Теплообмен излучением Экраны. Тепловое излучение Характерной особенностью теплообмена электромагнитным излучением является: https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 3 из 12 числом Рейнольдса , где n и m - коэффициенты кинематической и динамической вязкости. è вынужденной – осуществляется при принудительном движении среды вследствие разности давлений, создаваемой, например, вентилятором, насосом или другими механическими устройствами. Режим движения среды, определяющий теплоотдачу, может быть: è ламинарным (рис.3.1, а); è турбулентным (рис.3.1, б). ➢ При ламинарном режиме (Re £ 2300) среда движется параллельными слоями без перемешивания. В центре потока w=w max по мере приближения к стенкам вследствие трения частиц скорость уменьшается, и на стенках w=0. Эпюра скоростей близка к параболической; w max /w ср =2. Перенос теплоты поперек потока осуществляется в основном теплопроводностью, вдоль потока – конвекцией. ➢ При турбулентном режиме (Re ³ 10 4 ) из-за трения частиц скорость меняется от w=0 до w max в тонком динамическом пограничном слое толщиной d . За пределами этого слоя преобладают силы инерции, трение мало влияет, и w примерно одинакова, w max больше w ср на 2..…25 % . Ньютоном установлена зависимость плотности теплового потока от разности температур среды и тела: , a , Вт/(м 2 К) – коэффициент теплоотдачи – количество теплоты, передаваемое от движущейся жидкой или газовой среды к твердому телу (или наоборот) в единицу времени с единицы площади поверхности при температурном напоре (разности температур Т f и Т w ) в один кельвин. Конвективный тепловой поток = тепловому потоку теплопроводностью через пограничный слой. Аналитически a определить невозможно. Он определяется только экспериментально. • отсутствие непосредственного контакта между образующими систему телами • двойное преобразование энергии: • вначале тепловая энергия превращается в энергию электромагнитных колебаний, • при попадании на участвующие в теплообмене тела, происходит обратное преобразование в тепловую энергию. Тепловое излучение сосредоточено в диапазоне: 0.78…1000 мкм (невидимое инфракрасное или тепловое излучение) 0.38…0.78 мкм (видимое излучение) 0.01…0.38 мкм (ультрафиолетовые) Название диапазона Длины волн, λ Частоты, ν Источники Радиоволны Сверхдлинные более 10 км менее 30 к Гц Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь. Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3 МГц Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц Ультракороткие 10 м — 1 мм 30 МГц — 300 ГГц Инфракрасное излучение 1 мм - 780 нм 300 ГГц — 429 ТГц Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Видимое излучение 780— 380 нм 429 ТГц — 750 ТГц Ультрафиолетовое 380нм — 10нм 3·10 14 Гц — 3·10 16 Гц Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. Рентгеновские 10 нм — 5 пм 3·10 16 Гц — 6·10 19 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. Гамма менее 5 пм более 6·10 19 Гц Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. Попадающая на поверхность телом лучистая энергия Q частично: поглощается (Q A ); отражается (Q R ); пропускается (Q D ). Разделив на величину Q: 1=A + R + D, А – коэффициент поглощения, R – коэффициент отражения D – коэффициент проницаемости. Если вся падающая на тело лучистая энергия полностью: поглощается, то тело абсолютно черное (АЧТ) и A=1; отражается, то тело абсолютно белое (АБТ) или зеркальное и R=1; пропускается, то тело абсолютно прозрачное (АПТ) и D=1. К АЧТ наиболее близки: сажа, черный бархат, зрачки живых существ, белый снег (А=0.97… 0.98), прозрачный лед. Реальные материальные тела 0 одно- и двухатомные газы практически прозрачны (диатермичны) A+D≈1, R≈0; большинство твердых и жидких тел непрозрачны A+R=1, D≈0. Оконное стекло непрозрачно для инфракрасных (тепловых) и ультрафиолетовых лучей (А=0.94). Кварц: непрозрачен для инфракрасных (тепловых) лучей (D=0). прозрачен для световых и ультрафиолетовых (D=1). Поверхностная плотность потока излучения - суммарный тепловой поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям: , Вт/м 2 Интенсивность (монохроматическая) излучения - плотность потока в бесконечно малом интервале длин волн l называют, е его Спектральной плотностью потока (интенсивностью излучения) называется отношение плотности монохроматического теплового потока в бесконечно малом интервалу волн l к этому интервалу. , Вт/м 3 Интегральное излучение в диапазоне волн λ=0…∞ 4.1. Основные законы излучения Закон Планка Интенсивность теплового излучения АЧТ J 0 по спектру излучения зависит от температуры Т и длины волны l : , (16.1) где с 1 » 3,74 ·10 -16 Вт × м 2 ; и с 2 » 1,44·10 -2 м К. J l =0 при λ=0 и λ=∞, а также при Т 0 =0 K. С ↑ l I l ↑ от 0 до некоторого максимума, а затем ↓ до 0 (рис. 4.1). Рис. 4.1. Зависимость интенсивности излучения АЧТ от длины волны и температуры Закон смещения Вина Чем выше температура тела, тем короче длина волны l max , соответствующая максимальной I l (на рис. 4.1). , мм (16.2) Закон Ламберта Количество энергии, излучаемое элементом поверхности под углом j к https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 4 из 12 нормали, меньше количества энергии, излучаемой по нормали, на cos j (Рис.4.2): Рис. 4.2. Поверхностная плотность потока при различных углах излучения Наибольшее количество энергии излучается по нормали к излучающей поверхности. Закон Стефана-Больцмана Излучательная способность АЧТ зависит от температуры Т 4 : , Вт/м 2 (16.3) σ 0 = 5,67 10 -8 Вт/(м 2 К 4 ) - постоянная излучения Стефана-Больцмана. Для техники закон удобнее записывать как: Вт/м 2 . (16.4) с 0 = 5,67 Вт/(м 2 К 4 ) - коэффициентом излучения АЧТ. Спектр излучения реальных тел существенно отличается от спектра АЧТ. Для газов спектр излучения может иметь линейчатый характер, когда тепловое излучение сосредоточено в узком диапазоне волн. Источником излучения в: твердых телах - их поверхность, газовых средах - весь объем. Излучаемое газом количество теплоты зависит от толщины газового слоя и концентрации в нем молекул (то есть – от давления, при котором находится газ или от парциальных давлений компонентов газовой смеси). Понятие серых тел (СТ) вводится для описания излучения реальных тел. Они имеют непрерывный спектр излучения, как и у АЧТ. Степень черноты - отношение интенсивностей излучения «серого тела» и АЧТ. , где А - коэффициент поглощении. для каждой длине волны - величина неизменная. зависит от: природы тела; температуры; шероховатости поверхности (механическая и термическая обработка) Поверхность бронзы: полированная =0.04, пористая =0.54 степени окисления поверхности (для металлов). Поверхность алюминия: полированная =0.05, с пленкой оксидов =0.80. ➢ Электрические проводники Отражают большую часть теплового излучения Их поглощательная (излучательная) способность мала, ↑ при ↑Т. Пленка оксидов на металлические поверхности ↑ ➢ Электрические непроводники (диэлектрики) Их поглощательная (излучательная) способность =0.8, ↓ при ↑Т. Для серого тела закон Стефана-Больцмана: , Вт/м 2 , где – коэффициент излучения серого тела. Степень черноты Закон Кирхгофа . (16.5) Дляконкретной температуры отношение излучательной способности серого тела (Е) к его поглощательной способности (А) есть величина постоянная и равная излучательной способности АЧТ (Е 0 ), (для АЧТ А 0 =1). Выводы Чем больше тело поглощает, тем больше оно и излучает, и наоборот. Отношение Е/А зависит только от Т и не зависит от природы рассматриваемого тела. 4.2. Теплообмен излучением между двумя поверхностями Падающая на реальное непрозрачное тело лучистая энергия Е пад , частично поглощается, а частично отражается. Сумму собственного (излучаемого) и отраженного (падающего) потоков называют эффективным излучением: Е эф = Е соб + R·Е пад или Е эф = Е соб + (1-А)·Е пад (16.6) Рис.4.3. Теплообмен между двумя параллельными пластинами При теплообмене между двумя бесконечно большими непрозрачными параллельными пластинами (рис. 4.3) для 1 м 2 каждой из них: = и Для теплообмена излучением с поверхности размером А, м 2 (16.7) Приведенный коэффициент излучения (16.8) 4.3. Тепловые экраны Для снижения интенсивности теплообмена излучением используют тепловые экраны. При установившемся теплообмене количества теплоты, передаваемой от первой поверхности к экрану, и от экрана ко второй поверхности будут равны, то есть При равенстве коэффициентов излучения: https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 5 из 12 .(16.9) Если коэффициенты излучения поверхностей и установленного между ними экрана равны, при установке: 1 экрана тепловой поток уменьшается в 2 раза, то есть ; 2 экранов – в 3 раза; и так далее. При различных значениях коэффициентов излучения тепловой поток между двумя поверхностями и использовании экрана определяется соотношением: где – приведенный коэф. излучения между экраном и поверхностью; – приведенный коэф. излучения между поверхностями при отсутствия экрана. 19. Сложный теплообмен и теплопередача. Теплопередача представляет собой перенос теплоты от горячей к холодной среде (жидкой или газообразной) через твердую стенку. Механизм распространения теплоты: ➢ от горячего среды к стенке – теплоотдачей: ➢ в твердой стенке – теплопроводностью: ➢ от стенки к холодной среде – теплоотдачей: 5.2. Теплопередача через плоскую стенку При стационарной теплопередаче через плоскую стенку толщиной (рис. 5.1) плотность теплового потока q одинакова во всех процессах теплопередачи и q можно определить по уравнениям этих процессов: ò при теплоотдаче от горячей среды в стенку ; o t f1 горячей среды; o 1 коэффициент теплоотдачи от горячей среды в стенку ò при теплопроводности в стенке ; o t w1 поверхности стенки со стороны горячей среды; o t w2 со стороны поверхности холодной среды; (t n+1 при n–слойной стенке) o - коэффициент теплопроводности стенки; ( i для i –го слоя в многослойных стенках) o – толщина стенки. ( i для i –го слоя в многослойных стенках) ò при теплоотдаче от стенки в холодную среду o t f2 холодной среды; o 2 коэффициент теплоотдачи от стенки в холодную среду. Рис.5.1. К определению параметров теплопередачи через плоскую однослойную стенку Температурные напоры при этом: o между горячей средой и стенкой при теплоотдаче ; o между горячей и холодной поверхностями стенки теплопроводностью ; o между стенкой и холодной средой при теплоотдаче Суммируя левые и правые части этих выражений, получим Окончательно , K - коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/(м 2 К) 20. Теплообменные аппараты. Теплообменные аппараты (ТОА), – устройства, в которых осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. ТОА широко применяют в различных промышленных технологических процессах; в отопительных системах; в поршневых двигателях внутреннего и внешнего сгорания и их системах (охладители наддувочного воздуха в двигателях с наддувом, радиаторы в системе охлаждения и смазочной системе); в газотурбинных двигателях (охладители, нагреватели - теплообменники); в паросиловых установках (пароперегреватели, конденсаторы, подогреватели, экономайзеры), а также в других целях. Типы теплообменных аппаратов: По способу передачи теплоты ТОА подразделяют на рекуператоры (стационарные), регенераторы (нестационарные) и смесительные. Ø В регенераторах одна и та же поверхность матрицы поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При прохождении горячего теплоносителя стенки матрицы нагреваются, аккумулируя теплоту, затем передают ее проходящему холодному теплоносителю. Ø В смесительных ТОА процесс теплопередачи происходит при перемешивании теплоносителей, поэтому эти теплообменники называют также контактными. Пример такого ТОА - градирня, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом. Если после теплопередачи требуется разделение теплоносителей, то очевидно одним из них должен быть газ, а другим жидкость, или оба теплоносители жидкости с разной плотностью. Ø В рекуператорах каналы горячего и холодного теплоносителей раз-делены, передача теплоты происходит через стенку, разделяющую каналы. Элементарная часть ТОА, в которой происходит процесс передачи теплоты, называется теплопередающей матрицей. Рекуперативные ТОА выполняют с различными теплопередающими поверхностями, некоторые схемы которых, применяемые в системах охлаждения двигателей. технике наибольшее применение получили рекуперативные теплообменники. https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 6 из 12 При 1 >> 2 K< min( 1 , 2 ) Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением Тогда Для многослойной плоской стенки с количеством слоев n коэффициент теплопередачи определяется с учетом термического сопротивления каждого слоя , где i и i -толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя. На практике в смежных слоях в месте их контакта могут возникать дополнительные локальные термические сопротивления и местные скачки температуры. Это связано с неплотностью соединения между контактирующими поверхностями вследствие их плохой обработки, окисления или загрязнений. Возникающая газовая прослойка имеет более низкий коэффициент теплопроводности, а также уменьшает площадь контакта соприкасающихся слоев. 5.3. Теплопередача через цилиндрическую стенку При передаче теплоты через цилиндрическую стенку (трубу) длиной l с внутренним диаметром d 1 и наружным d 2 (рис. 5.2) граничные условия по и t аналогичны тем, которые определены для плоской стенки. Рис.5.2. К определению параметров теплопередачи через цилиндрическую однослойную стенку В стационарном процессе тепловой поток Q, проходящий через каждое i–е сечение цилиндрической стенки, одинаков, а плотность теплового потока q с увеличением диаметра d уменьшается, так как увеличивается площадь i-го сечения А (q i = Q/A i ). Уравнения для определения теплового потока: ò при теплоотдаче от горячей среды в стенку с внутренним диаметром d 1 (A 1 = d 1 l) ; ò при теплопроводности через стенку ; ò при теплоотдаче от наружной стенки диаметром d 2 (A 2 = d 2 l) в холодную среду Температурные напоры: ò между горячей средой и стенкой при конвективной теплоотдаче ; ò между горячей и холодной поверхностями стенки теплопроводностью ; ò между стенкой и холодной средой при конвективной теплоотдаче После суммирования левых и правых частей выражений Тогда , K - |