39_tot (1)-конвертирован. Курс лекций по дисциплине теоретические основы теплотехники удк 621 016 Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" Учеб пособие А. А. Джамалуева, 2020. 127 с

• Название: Курс лекций по дисциплине теоретические основы теплотехники удк 621 016 Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" Учеб пособие А. А. Джамалуева, 2020. 127 с
• Дата: 28.12.2021
• Размер: 0.66 Mb.
• Имя файла: 39_tot (1)-конвертирован.docx
• Тип: Курс лекций; #320815
• страница: 9 из 11

q 87.8 P^0.8S ^0.6( ^T

₎3 _,

Н₂О

100

где Р – парциальное давление, МПа; S – средняя толщина слоя газа, м;

Т – средняя температура газов, К.

По этим же формулам вычисляется лучистый поток, поглощаемый газами от стенок канала, но подставляется средняя температура стенок канала.

Поверхностную плотность лучистого потока, воспринятого стенками канала в результате теплообмена излучением между газом и стенкой, находим из уравнения

q_изл = (q_r – q_ст)ε^/_ст ,


ст
где ε^/ – приведенная степень черноты стенки,

ε

.
/ ст
Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле
^αизл _,
где Т_г и Т_ст – абсолютная температура газа и стенки, К.

5. 
   Сложный теплообмен
   

Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение очень удобно для изучения этих процессов. В действительности очень часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя или даже всеми тремя способами одновременно.

Наиболее распространенным случаем теплообмена является теплоотдача от поверхности к газу или от газа к поверхности. При этом теплота переносится конвекций за счет контакта поверхности с омывающим ее газом и, кроме того, сама же поверхность излучает и

поглощает энергию, обмениваясь потоками излучения с газом и окружающими предметами. В этом случае суммарный коэффициент теплоотдачи

α = α_к + α_изл .

Обычно считают, что конвекция и излучение не влияют друг на друга. Коэффициент теплоотдачи конвекцией считают по известным нам формулам, а под коэффициентом теплоотдачи излучением понимают отношение плотности теплового потока излучением к разности температур поверхности и газа. Как показывают расчеты, даже при низких температурах вклад излучения в теплообмен между поверхностью и газом может быть значительным, особенно при низкой интенсивности теплоотдачи конвекцией.

В ряде случаев одной из составляющих можно пренебречь. Например, с увеличением температуры резко возрастает тепловой поток излучением, поэтому в топках паровых котлов и печей, где скорости течения газов невелики, а температуры более 1000^о С, можно пренебречь коэффициентом теплоотдачи конвекцией. И, наоборот, при теплообмене поверхности с потоком капельной жидкости преобладающим будет конвективный теплообмен, а излучением можно пренебречь.

Другой очень распространенный случай сложного теплообмена – перенос теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой процесс называется теплопередачей, он объединяет все рассмотренные нами элементарные процессы.

Количественной характеристикой процесса теплообмена от газа к стенке (или наоборот) является суммарный коэффициент теплоотдачи:

α = α_к + α_изл,

где α_к – коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией движущейся среды, Вт/(м² К);

α_изл – коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением, Вт/(м² К).

Тепловой поток в этом случае определяется:

Q = к F (t₁ - t₂),

где к- коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К).

Важно подчеркнуть, что коэффициент теплопередачи никогда

не может быть больше α₁, α₂ и Сильнее всего он зависит от

наименьшего из этих значений, оставаясь всегда меньше его.

Для интенсификации процесса переноса теплоты через стенку нужно: 1) увеличить перепад температур между теплоносителями; 2) уменьшить термическое сопротивление теплопередачи, т.е. увеличить коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности и уменьшить толщину стенки. Однако, прежде чем выбирать методы воздействия на процесс теплопередачи, необходимо установить вклад отдельных составляющих и увеличить меньшую из них.

5. 
   Вопросы для самоконтроля
   

1. 
   Охарактеризовать основные законы излучения.
   
2. 
   В чем заключается принцип расчета процесса излучения между твердыми телами?
   
3. 
   Перечислить основные особенности излучения газов.
   
4. 
   Каким образом рассчитывают процессы сложного теплообмена?
   

4. 
   Теплообменные аппараты
   

1. 
   Классификация теплообменных аппаратов
   

Теплообменный аппарат (теплообменник) – это устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения материального потока. Чаще всего в этих аппаратах осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного потока происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренними тепловыделениями – это разного рода электронагреватели и реакторы.

По принципу работы теплообменные аппараты делят: регенеративные;

смесительные; рекуперативные.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое, в свою очередь, отдает свою теплоту холодному теплоносителю, т.е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном смешении обоих теплоносителей, например в смешивающих конденсаторах.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячего к холодному теплоносителю передается через разделяющую стенку (например – трубчатый теплообменник). Такие аппараты мы рассмотрим подробнее.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения – паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели,

приборы центрального отопления и т.д. Теплообменные аппараты значительно отличаются друг от друга по своим формам и размерам, по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение теплоносителей осуществляется по 3 основным схемам:

прямоток – направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают;

противоток – направление движения теплоносителей противоположны;

поперечный ток – направление потока горячего теплоносителя перпендикулярно движению холодного.

Кроме этих применяют и более сложные схемы движения, включающие в себя все три основные схемы.

Выбор того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должен быть обоснован технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

2. 
   Основные положения теплового расчета
   

При проектировании новых аппаратов целью теплового расчета является определение площади поверхности теплообмена или конечных температур рабочих тел.

Основными расчетными уравнениями теплообмена являются уравнения теплоотдачи и уравнение теплового баланса:

Q = к F (t₁ – t₂), (2.30)

где Q – тепловой поток, Вт;

к – средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

F – площадь поверхности теплообмена в аппарате, м²;

t_{1 ,} t ₂ – температуры горячего и холодного теплоносителей, ⁰С _.

Q = G₁ C₁ ∆t₁ = G₂ C₂ ∆t₂, (2.31)

где G₁,G₂ - массовый расход, кг/с;

С₁, С₂ – теплоемкость теплоносителей, Дж /(кг К);

∆t₁, ∆t₂ – перепад температуры теплоносителей, ^о С.

При выводе основного уравнения теплопередачи принималось, что температуры теплоносителей в теплообменном аппарате не изменяются. В действительности они изменяются, причем на изменение температур большое влияние оказывает схема движения теплоносителей. Для учета этого изменения ввели величину

«температурный напор».

Если температура теплоносителей изменяется по линейному закону, то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

^tср , (2.32)

где

t₁ ,t₂

• 
  температуры теплоносителей на входе из аппарата, ⁰С;
  

t₁ , t₂

• 
  температуры теплоносителей на выходе из аппарата, ⁰С.
  

Однако температуры меняются не по линейному закону и данная форма применима только при небольших изменениях температуры обоих теплоносителей (для приближенных расчетов).

Точное значение среднего перепада температур можно определить по следующей формуле:
, (2.33)

где

t_б ^и

- перепады температур между теплоносителями на

концах теплообменника. Для исключения ошибок при расчете

температурного напора необходимо нарисовать график
изменения температуры по длине теплообменника, затем рассчитать разность температур на концах теплообменника,

выявить большую и меньшую разность, а потом рассчитывать .
В случае, когда ∆t_б / ∆t_м >2, средний перепад температур определяют как среднеарифметическое значение:

^tср

0.5( t_б

t_м ) _.

Уравнение теплоотдачи (2.30) с учетом вышесказанного имеет

вид
Q^* kF _.
На практике чаще используют противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей температурный напор при противотоке всегда больше, чем при прямотоке. Это означает, что при передаче одного и того же теплового потока при противоточной схеме потребуется теплообменник меньшей площади. Еще одно преимущество противоточного теплообменника заключается в том, что холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе, что в прямоточном теплообменнике сделать невозможно.

Виды теплового расчета теплообменников

Наиболее простым является конструктивный расчет теплообменника, при котором известны начальные и конечные параметры теплоносителей и необходимо рассчитать поверхность теплообмена, т.е. фактически сконструировать теплообменник.

Порядок проведения конструктивного расчета:

из балансового уравнения определяют тепловой поток Q^*; по рекомендациям специальной литературы задаются

скоростями течения теплоносителей и конструктивными особенностями теплообменника (d, проходные сечения);

рассчитывают коэффициенты теплоотдачи; определяют температурный напор;

находят площадь теплообменника;

по известной площади рассчитывают длину трубок теплообменника.

При проверочном расчете известны конструкция теплообменника и начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т.е. проверить пригодность теплообменника для имеющихся условий. Это более сложный расчет, т.к. в самом его начале необходимо знать конечные температуры теплоносителей, поскольку они входят в уравнение теплового баланса и в уравнение теплоотдачи. Часто используют метод последовательных приближений, при этом расчеты лучше проводить на ЭВМ.

3. 
   Вопросы для самоконтроля
   

1. 
   По каким признакам классифицируют теплообменную аппаратуру?
   
2. 
   Чем определяется выбор типа теплообменника?
   
3. 
   Охарактеризовать основные схемы движения теплоносителей в теплообменнике.
   
4. 
   Какие уравнения лежат в основе расчетов теплообменников?
   
5. 
   Что такое температурный напор и как его рассчитать?
   
   3. 
      Прикладная термодинамика
      

1. 
   Компрессоры
   
   1. 
      Общие сведения
      

Компрессорами называются устройства для сжатия и перемещения газов. По назначению компрессоры подразделяются:

воздушные (компрессоры общего назначения); газовые.

Наибольшее распространение получили воздушные компрессоры, они вырабатывают сжатый воздух давлением до 5 МПа, который широко применяется в промышленности. Например: в металлургии сжатый воздух используют в качестве дутья для доменных и мартеновских печей, вагранок, нагревательных и термических печей. Сжатый воздух как энергоноситель используется для привода пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, обрубных молотов, пневмоподъемников и т.д. Воздух широко используется для транспортировки сыпучих тел, для перемешивания материалов, для сепарации пыли и других процессов.

По принципу действия различают: поршневые (объемные) компрессоры и турбокомпрессоры. В поршневых машинах повышение давления происходит вследствие уменьшения объема замкнутого пространства, в котором находится газ, за счет перемещения стенки (например, поршня в цилиндре). При сжатии газ практически неподвижен, силы инерции в нем не проявляются

(статическое сжатие). Характерная особенность – периодичность рабочего процесса.

В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие использования сил инерции потока газа. Преобразование энергии можно условно расчленить на два этапа: на 1-м этапе газу сообщается кинетическая энергия, на 2-м этапе поток газа тормозится и его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Оба этапа могут совершаться и одновременно. Характерная особенность – непрерывность рабочего процесса.

По направлению движения потоков различают центробежные и осевые турбокомпрессоры. В центробежных машинах поток движется радиально (от центра к периферии вращающегося рабочего колеса), а в осевых машинах поток параллелен оси вращения рабочего колеса.

По степени повышения давления турбокомпрессоры подразделяются:

вентиляторы (степень повышения давления рабочего тела х = Р₂/ Р₁ ≤ 1.15);

нагнетатели или газодувки (х >1.15 при отсутствии охлаждения);

собственно компрессоры (х > 1.15 при наличии охлаждения).

Основными параметрами компрессора являются :

давление газа на входе компрессора – Р₁, Па; давление газа на выходе компрессора – Р₂, Па; степень повышения давления – х = Р₂/Р₁;

производительность компрессора – V, м³/с (производительность определяется объемом газа, который поступает в компрессор с давлением Р₁).

Несмотря на различие принципов сжатия газов в компрессорах и их конструктивные отличия, термодинамика процессов сжатия в них одинакова для любых типов машин. Процессы в компрессорах описываются одними и теми же уравнениями. Поэтому для анализа процессов, протекающих в машине для сжатия газов, рассмотрим работу наиболее простого одноступенчатого поршневого компрессора, в котором все явления хорошо изучены и являются наглядными.