1 Основы теории теплообмена. Роль тепловых процессов и аппаратов. Виды теплообмена и теплообменных процессов. Основные теплофизические свойства веществ

• Название: 1 Основы теории теплообмена. Роль тепловых процессов и аппаратов. Виды теплообмена и теплообменных процессов. Основные теплофизические свойства веществ
• Дата: 24.02.2023
• Размер: 7.02 Mb.
• Имя файла: shpory_piakht.docx
• Тип: Документы; #953140
• страница: 1 из 5

1 Основы теории теплообмена. Роль тепловых процессов и аппаратов. Виды теплообмена и теплообменных процессов. Основные теплофизические свойства веществ.

Перенос тепловой энергии называют теплообменом. Тепло переносится из зоны с большей температурой в зону с меньшей температурой. Процессы теплообмена выполняют самостоятельную и вспомогательную роль.

Тепло переносится за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Теплопроводность – перенос тепла за счёт движения микрочастиц вещества.

Конвекция – перенос тепла из-за перемещения макрочастиц вещества в газах и жидкостях. Свободная конвекция возникает из-за разности плотностей среды в различных ее зонах. Вынужденная конвекция наблюдается при вынужденном движении среды.

Лучистый теплообмен – перенос тепла электромагнитными волнами (инфракрасными). Перенос тепла от границы теплоносителя в ядро его потока (либо в обратном направлении) – теплоотдача.

Перенос тепла от одного теплоносителя к другому при – теплопередача.

Температурное поле – совокупность мгновенных значений температуры в различных точках системы.

Изотермические поверхности – поверхности, на которых температуры одинаковы.

При расчётах процессов теплообмена используют свойства веществ (плотность, вязкость динамическая и кинематическая  , поверхностное натяжение  , коэффициент объёмного температурного расширения t , удельные теплоёмкость, теплота фазового перехода и энтальпия, теплопроводность, температуры фазовых переходов).

Удельная теплоёмкость – количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы изменить его температуру на 1 К.

Удельная теплота фазового перехода r, Дж/кг, – количество теплоты, которое необходимо подвести (отвести) к телу массой 1 кг при температуре фазового перехода, чтобы перевести его из одного фазового состояния в другое.

Фазовые переходы: из твёрдого состояния в жидкое – плавление; обратный плавлению – кристаллизация; из жидкого в газообразное – испарение; обратный испарению – конденсация; из твёрдого, минуя жидкое – возгонка

Удельная теплоёмкость смеси:



где n – число компонентов; c – удельная теплоёмкость i-го компонента; x – массовая доля i-го компонента.

2 Тепловые балансы

При расчётах теплообмена определяют количество передаваемого тепла или тепловой поток, количество или расходы теплоносителей.

Тепловой поток Q, Вт,– количество тепла, которое передаётся от теплоносителя к теплоносителю в единицу времени.



Верхние индексы „ ′ ” и „ ′′ ” – вход и выход теплоносителя; нижние индексы „1” и „2” – горячий и холодный теплоносители.

Тепловой поток, расходы теплоносителей, их начальные и конечные параметры определяют в результате составления и решения уравнений теплового баланса. Эти уравнения составляют, используя закон сохранения энергии.

преобразуем



где G1 и G2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; 1 i и 2 i – удельные энтальпии горячего и холодного теплоносителей.

3 Закон Фурье

Производная температуры по нормали n к изотермической поверхности – градиент температуры:



Перенос тепла осуществляется в направлении, противоположном gradt , а плотность теплового потока q , Вт/м2, пропорциональна ему. Значение q:



Количество тепла Qт , передаваемое теплопроводностью за время  через поверхность F , перпендикулярную gradt , пропорционально F ,  и gradt (закон Фурье):



Для установившегося теплообмена:



Теплопроводность веществ зависит от их природы, агрегатного состояния и температуры, а для газов – и от давления.

Знак «-» в уравнении закона Фурье указывает на то, что перенос тепла осуществляется в направлении, противоположном направлению градиента температуры.

4 Теплопроводность плоской стенки и цилиндрической.

*ПЛОСКАЯ



Ось х ориентирована перпендикулярно к плоскости поверхности стенки. Для этого случая уравнение теплопроводности Фурье принимает вид:

Проинтегрируем:

Количество тепла Q , Дж, которое передается за счет теплопроводности через плоскую стенку при стационарном теплообмене, вычисляется по формуле:



Плотность теплового потока q , Вт/м 2 , через неё при этом составляет:



Для многослойной, состоящей из n слоёв стенки при стационарном теплообмене плотности теплового потока во всех слоях одинаковы (q1=q2=q3=…=qn).



*ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ

Для цилиндрической стенки большой длины (трубы) при стационарном теплообмене вычисляется следующим образом:



Цилиндрическая однослойная:



Цилиндрическая многослойная:



5 Тепловое подобие. Критерии теплового подобия

Критерий теплового подобия Нуссельта:



Nu характеризует отношение интенсивности переноса тепла конвекцией к интенсивности его переноса теплопроводностью в пограничном слое.

Критерии Пекле Pe и Фурье Fo:



Pe характеризует отношение интенсивности переноса тепла конвекцией к интенсивности его переноса теплопроводностью при конвективном теплообмене. Fo характеризует подобие нестационарных процессов.

Pe преобразуют, используя теплопроводность  , плотность  , теплоемкость c и динамическую вязкость  теплоносителя:



где Re и Pr – критерии Рейнольдса и Прандтля.

Критерий Прандтля:



Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи представляют:



где Г1 и Г2 – симплексы геометрического подобия.

При значимом влиянии естественной конвекции на конвективный теплообмен эффект учитывают критерием Грасгофа Gr:



6 Теплоотдача, не сопровождающаяся изменением агрегатного состояния теплоносителя.

Теплоотдача – перенос тепла от границы раздела теплоносителя в ядро потока теплоносителя или наоборот. Расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляются с помощью закона охлаждения Ньютона или ур. теплоотдачи: d2Q=α(tж – tст)dFdτ. α- коэфф.

теплоотдачи. При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи ур- вид: Q=α(tж – tст)τ.

Коэфф. теплоотдачи показывает, какое кол-во теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки в ед. времени при разности Т между теплоносителем(жидкостью) и стенкой 10С.

Коэфф. хар-ет скорость переноса теплоты в теплоносителе.

Зависит от многих параметров: режима движения, физ. св-в теплоносителя, геометр.параметров

Конвективный теплообмен (теплоотдача), при котором не происходит изменения агрегатного состояния теплоносителя, имеет огромное множество разновидностей. Эти разновидности могут отличаться характером конвекции режимами движения теплоносителя, формой и характерными размерами объекта, в котором протекает процесс, а также другими факторами. Общим для всех указанных случаев является следующее: интенсивность теплоотдачи возрастает при увеличении активности движения теплоносителя, а также при увеличении его теплопроводности и плотности. Для нас в первую очередь представляют интерес те случаи теплоотдачи, которые наиболее широко представлены в промышленных условиях.

В качестве элементов теплообменных устройств чаще всего применяются прямые трубы.
7 Теплоотдача при конвекции пара и при кипении жидкости

Конденсация парового теплоносителя происходит при его контакте со средой или стенкой, имеющей температуру меньшую, чем температура конденсации (насыщения) этого теплоносителя при данном давлении. Пар в зоне контакта переохлаждается. В этом случае за счет отвода тепла происходит переход вещества из газообразного состояния в жидкое.



Где tп и tст – температуры пара и поверхности охлаждающей стенки соответственно, град.

Пленочная конденсация пара. 1 – пар; 2 – конденсат; 3 – охлаждающая стенка.

Критерий конденсации K характеризует тепловые балансы конденсации пара и охлаждения его конденсата. Критерий Галилея учитывает как режим движения плёнки конденсата, так и влияние на её течение сил тяжести. Формулу критерия Галилея получают следующим образом:



Перегрев пограничного слоя жидкости вызывает нарушение его структуры. На мельчайших неровностях стенки, в первую очередь на впадинах (концентраторах плотности теплового потока), а также на механических включениях создаются условия для перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, и в жидкости образуются пузырьки пара. Число, интенсивность образования пузырьков, их форма зависят от интенсивности подвода тепла (плотности теплового потока q ), характера поверхности стенки, смачиваемости материала стенки и других факторов. Пузырьки, достигнув определённого размера, отрываются от стенки и, двигаясь в перегретой жидкости, перемешивают и турбулизуют ее, а также продолжают свой рост за счёт продолжающегося испарения. Пузырьки до момента отрыва способны перемещаться по поверхности стенки под действием подъёмной силы.

Таким образом, процесс теплообмена при кипении жидкости протекает в несколько стадий: перегрев жидкости за счёт теплопроводности и конвекции; образование пузырьков (центров парообразования), тепло- и массоперенос внутрь пузырька.
8 Лучистый и сложный теплообмен.

Лучистый теплообмен - перенос тепла электромагнитными волнами инфракрасного диапазона спектра, протекает в оптически прозрачных средах.

П ри лучистом теплообмен через газовую среду излучающим и поглощающими телами являются твердые тела. По закону Стефана – Больцмана лучеиспускательная способность тела, рассчитывается: E= Qл/Fτ

где Qл – количество тепла, передаваемого лучами, Дж; F – площадь поверхности тела, м2  – время, с.

Лучеиспускательную способность рассчитывают по формуле:



где -степень черноты серого тела; С0=5,67 ВТ/ *К – коэф. лучеиспускания абсолютно черного тела; Т- температура поверхности тела

Степень черноты серого тела рассчитывают: =c/c0

Где C – коэффициент лучеиспускания серого тела

Закон Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тела E к его поглощательной способности A при той же температуре – величина постоянная и равна лучеиспускательной способности абсолютно чёрного тела E0 : E0=E/A



Количество тепла, передаваемого от более нагретого тела к менее нагретому за счёт лучеиспускания, можно рассчитать по зависимости:



Где c1-2 – коэффициент лучеиспускания; φ- средний угловой коэф.


где пр – приведенная степень черноты

Величину пр рассчитывают: пр  12

Где 1и 2 – степени черноты более или менее нагретого тел соответственно.

Сложный теплообмен- теплообмен, в котором более и менее нагретое тела разделены газовой и жидкой фазой. В нём наряду с лучистым теплообменом протекает передача тепла конвекцией и теплопроводностью.

При сложном теплообмене общий коэффициент теплоотдачи  приближенно вычисляется как сумма коэффициентов теплоотдачи для лучистого л и конвективного к теплообмена:

 к л

9 Теплопередача. Основное уравнение теплопередач взаимосвязь коэффициента теплопередачи с коэффициентом теплоотдачи.

Основное уравнение теплопередачи –расчетная зависимость для определения интенсивности теплообмена между теплоносителями. При его использовании рассчитываются размеры теплообменного аппарата. В соответствии уравнением количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному Q , Дж, пропорционально площади поверхности теплопередачи F , , разности температур горячего , К , и холодного , К, теплоносителей и времени протекания процесса  , с:



Где K –коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*K).

Введем обозначение разности температур теплоносителей,



Температуры и могут меняться вдоль поверхности теплопередачи, и t может иметь различные значения в различных точках этой поверхности.

Поэтому для стационарного теплообмена уравнение теплопередачи записывается в следующем виде:



где – тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному, Вт;  – средняя разность температур теплоносителей, К.

Величина K зависит от интенсивности теплоотдачи со стороны обоих теплоносителей и тепловой проводимости разделяющей их стенки.

Величина коэффициента теплопередачи зависит от интенсивности теплоотдачи со стороны обоих теплоносителей (от значений коэффициентов теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей 1 и 2 соответственно) и тепловой проводимости разделяющей теплоносители стенки. Взаимосвязь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи. «термическое сопротивление», его размерность – (м²·К)/Вт. Общее термическое сопротивление обозначим R, термическое сопротивление со стороны горячего теплоносителя – r1 , термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя – r2 термическое сопротивление стенки – rст . Их величины вычисляются по формулам:









10 Теплопередача при переменных температурах теплоносителей. Средняя движущая сила теплопередачи.

Движущей силой теплопередачи - это разность температур теплоносителей, при которой тепло переходит от теплоносителя с большей температурой к теплоносителю с меньшей температурой.

Теплопередача протекает при изменении температур хотя бы одного теплоносителя. Движущая сила зависит от взаимного направления движения теплоносителей.

Направления движения теплоносителей (в непрерывных процессах):

а) прямоток

б) противоток

в) перекрёстный ток

г) смешанный ток теплоносителей – один из теплоносителей движется однонаправленно, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому.

При прямотоке и противотоке среднюю разность температур (средний температурный напор) находят по формуле:



где t1 и t2 – разности температур теплоносителей на концах теплообменника

Например для противотока разности температур на концах рассчитаются:

t1 = t1н− t2к и t2 = t1к− t2н

При отличии t1 и t2 не более, чем в 2 раза, среднюю разность температур можно для инженерных расчетов определить как:



Если оба участвующих в теплообмене теплоносителя не меняют агрегатного состояния, то лучше их противоток, потому что достигается большая средняя разность температур, т.е. при одинаковом количестве предаваемого тепла уменьшить требуемую поверхность теплопередачи и, использовать теплообменник с меньшей поверхностью и стоимостью.