Тепломассообмен методичка. Тепломассообмен Методические материалы для студентов Направление подготовки Теплоэнергетика и теплотехника Профиль Энергообеспечение предприятий Составитель доцент кафедры Энергетики и электротехнологии Артамонова Л.

• Название: Тепломассообмен Методические материалы для студентов Направление подготовки Теплоэнергетика и теплотехника Профиль Энергообеспечение предприятий Составитель доцент кафедры Энергетики и электротехнологии Артамонова Л.
• Дата: 13.04.2023
• Размер: 0.85 Mb.
• Имя файла: Тепломассообмен методичка.doc
• Тип: Методические указания; #1059613
• страница: 4 из 7

Тема 6. Теплообмен излучением

Основные понятия и определения. Виды лучистых потоков. Основные законы теплового излучения. Теплообмен излучением между твердыми телами. Теплообмен в системе тел с плоскопараллельными поверхностями. Теплообмен излучением между телом и его оболочкой. Теплообмен между телами, произвольно расположенными в пространстве. Защита от теплового излучения. Тепловое излучение газов. Сложный теплообмен.
Основные формулы для решения задач
Поверхностная плотность потока собственного излучения тела Вт/м², имеющего абсолютную температуру Т, К,



здесь – интегральный коэффициент теплового излучения – отношение плотностей потока излучения реального тела и абсолютно черного тела или отношение коэффициентов лучеиспусканияреального тела с и абсолютно черного тела

Тогда для реального тела



Значение с изменяется от 0 до 5,67, а ε изменяется от 0 до 1. Пренебрегая зависимостью ε от температуры, можно выбирать значения из приложения.

Тепловой поток излучения , между двумя телами, имеющими температуры и ,определяется в общем виде по формуле



где – приведенный коэффициент теплового излучения системы двух тел; – приведенный коэффициент лучеиспускания системы двух тел; – площадь поверхности тела с температурой ; – средний угловой коэффициент лучеиспускания тела с температурой .

Средний угловой коэффициент лучеиспускания(коэффициент облученности) , есть безразмерное число, меньшее единицы, которое показывает, какая доля от всего теплового потока , излучаемого одним телом со всей своей поверхности во все стороны пространства, достигает поверхности другого тела, т. е. где – поток от первого тела, достигший поверхности второго тела. Излучаемые потоки предполагаются диффузными, и значения потоков не меняются по соответствующим поверхностям.

Свойство взаимности угловых коэффициентов:



где – средние угловые коэффициенты излучения первого и второго тел; – площади поверхности первого и второго тел.

Угловые коэффициенты излучения определяются в зависимости от геометрических параметров и способа размещения двух тел в пространстве:

1) два параллельных диска с центрами на общей нормали и одинаковыми диаметрами d



где h – расстояние между дисками;

2) два параллельных диска с центрами на общей нормали, но разными диаметрами, d₁<d₂:





две параллельные пластины одинаковой ширины а:



где – расстояние между поверхностями пластин;

1. 
   стенка с расположенным на ней рядом труб с наружным диаметром dи шагом s:
   

– условие взаимности угловых коэффициентов лучеиспускания за 1 м длины трубы.

Приведенный коэффициент теплового излучения системы двух тел определяется с помощью коэффициента теплового излучения первого и второго тел, расположенных следующими способами:

1) два тела, произвольно расположенных в пространстве (общий случай)

2. 
   два тела с параллельными поверхностями больших размеров, угловые коэффициенты
   

2. 
   тело с площадью поверхности F₁ находится внутри другого тела с площадью поверхности . Угловые коэффициенты .
   

При имеем , тогда ;

2. 
   при наличии п плоскихэкранов, расположенных между двумя телами с параллельными поверхностями больших размеров,
   

где – коэффициент теплового излучения i-го экрана;

2. 
   при наличии п цилиндрическихэкранов, расположенных между телом и внешней оболочкой,
   

где – коэффициенты теплового излучения соответственно тела, внешней оболочки и i-го экрана; – площади поверхностей соответственно тела, внешней оболочки и i-го экрана

Закон Вина:

где Т – температура тела, К; – длина волны, соответствующая максимуму спектральной интенсивности излучения, м,

Закон Кирхгофа:

где – плотности потоков собственного излучения реального и абсолютно черного тел в условиях теплового равновесия; А – коэффициент поглощения реального тела.

Для серого тела в условиях теплового равновесия интегральные характеристики .

Эффективное и результирующее излучения тела определяются соотношениями



где – собственное излучение тела; R, А – коэффициенты отражения и поглощения тела; – плотность падающего извне теплового излучения на тело.

Лучисто-конвективный теплообмен между двумя телами с температурами и

1) тепловой поток ,Вт, и его плотность , Вт/м²,



или

где – коэффициент конвективной теплоотдачи, определенный без учета влия­ния лучистого теплообмена (рассчитывается по формулам для свободного_vили вынужденного движения среды); – коэффициент лучисто-конвективной теплоотдачи ;

2) условный коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К),



Тема 7. Теплопередача. Теплообменные аппараты.

Основные понятия и определения. Уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую однослойную и многослойную стен­ку. Теплопередача через цилиндрическую однослойную и много­слойную стенку, общее термическое сопротивление. Методы интенсификации теплопередачи.

Типы теплообменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и теплопередачи. Основные схемы движения теплоносителей. Среднеарифметический и среднелогарифмический напоры. Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Методы интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменниках.
Основные формулы для решения задач
Теплопередача через плоскую стенку между двумя средами с температурами и



где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К.

Коэффициент теплопередачи для п-слойной стенки



где и – коэффициенты теплоотдачи на внешних поверхностях стенки, Вт/м²·К.

Теплопередача через цилиндрическую стенку между двумя средами с температурами и t_ж2



Линейный коэффициент теплопередачи k_l, в формуле для n-слойной стенки



где и – коэффициенты теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях стенки соответственно.

Тепловой баланс для теплообменного аппарата имеет вид:

G₁∙c_p1∙(t₁'-t₁") = G₂∙c_p2∙(t₂"-t₂')

Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике определяется

для теплообменников с прямотоком



для теплообменников с противотоком



Тема 8. Массоотдача

Основные закономерности тепло-массопереноса. Основные законы переноса теплоты и массы вещества в коллоидных капиллярно-пористых телах. Числа подобия тепло- и массопереноса. Внешний перенос теплоты и массы. Коэффициент переноса теплоты и вещества.

Основные формулы для решения задач
Движущая сила массообменных процессов может быть выражена в системе жидкость – жидкость разностью объемных концентраций вещества с единицей измерения кг/м³, а в системе газ – жидкость – разностью парциальных давлений компонента.

По закону Фика масса вещества m_t, кг, прошедшего в процессе молекулярной диффузии через слой δ, м, пропорциональна площади поверхности слоя F, м², изменению концентрации вещества ρ, кг/м³, по толщине слоя, времени τ, с, и обратнопропорциональна толщине слоя:



где D – коэффициент диффузии: количество вещества, диффундирующего через поверхность площадью 1 м² в единицу времени при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице, измеряется в м²/с.

Коэффициент диффузии Dгазов и паров в зависимости от давления р и температуры tопределяется по формуле



где – коэффициент диффузии при нормальных физических условиях; – давление при нормальных физических условиях; п – показатель степени, который зависит от состава газовой смеси, например n=0,8 для смеси водяного пара и воздуха.

Уравнение массоотдачи



где – плотность потока массы, кг/(м²·с); – коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/с; –концентрация диффундирующего вещества у поверхности раздела фаз и вдали от нее, кг/м³; – относительная массовая концентрация диффундирующего вещества у поверхности раздела фаз и вдали от нее; R – газовая постоянная диффундирующего газа, Дж/(кг·К); T – cредняя температура пограничного слоя, К; —парциальные давления диффундирующего вещества у поверхности раздела фаз и вдали от нее, Па.

Поток массы вещества i-ro компонента через площадь Fв единицу времени, кг/с,



Основные параметры процесса сушки определяются следующими соотношениями. Расход Wиспаряемой влаги, кг/с:



где L – расход сухого воздуха, находящегося во влажном воздухе, кг/с; – начальное и конечное влагосодержание воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха.

Расход сухого воздуха Lна Wкг испаренной влаги, кг сухого воздуха/с



где – удельный расход сухого воздуха, кг сухого воздуха/кг влаги. Удельный расход сухого воздуха в сушилке



где и – начальное и конечное влагосодержание воздуха.

Удельный расход теплоты в сушилке, кДж/кг испаряемой влаги,



Расход теплоты для нагревания воздуха, кВт,



где i₁и i₂ – энтальпия влажного воздуха на входе в нагреватель и выходе из него, кДж/кг.

Количество влаги испаряющейся с открытой поверхности, кг,



где F— площадь поверхности воды, м⁵; – парциальное давление насыщенного водяного пара, Па; – парциальное давление пара в воздухе, Па; – продолжительность процесса испарения, ч; с – коэффициент испарения, кг/(ч·м²·Па), определяется по формуле



здесь ω – скорость воздуха над поверхностью воды, м/с.

При смешивании воздуха двух состояний; состояния 1в количестве кг, и состояния 2 в количестве , кг, – имеем следующие параметры образовавшейся смеси:

масса или

энтальпия или

влагосодержание

температура

в формулах

Коэффициент массоотдачи ,м/с, в процессе сушки можно определить из уравнения



где

Определяющие параметры: – длина поверхности испарения в направлении движения сушильного агента; – температура сушильного агента.

Значения c и n определяются в зависимости от числа Re:

Re 1–200 200–6000 6000–70 000

С 0,9 0,87 0,35

п 0,5 0,54 0,65


3 Экзаменационные вопросы

по дисциплине «Тепломассообмен»

1. 
   Способы теплообмена. Основные понятия теплообмена.
   
2. 
   Температурное поле, градиент температуры, тепловой поток, плотность теплового потока.
   
3. 
   Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности газов, жидкостей, твердых тел.
   
4. 
   Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности.
   
5. 
   Теплопроводность в плоской стенке. Термическое сопротивление теплопроводности.
   
6. 
   Теплопроводность в плоской многослойной стенке. Термическое сопротивление теплопроводности.
   
7. 
   Теплопроводность однослойной цилиндрической стенки.
   
8. 
   Теплопроводность многослойной цилиндрической стенки. Упрощение расчетных формул.
   
9. 
   Перенос тепла в плоской стенке переменном коэффициенте теплопроводности.
   
10. 
    Перенос тепла в цилиндрических стенках при переменном коэффициенте теплопроводности.
    
11. 
    Теплопроводность шаровой стенки и тел неправильной формы.
    
12. 
    Теплопроводность плоской стенки с внутренним источником теплоты.
    
13. 
    Теплопроводность круглого стержня с внутренним источником теплоты.
    
14. 
    Теплопроводность цилиндрической стенки с внутренним источником теплоты.
    
15. 
    Нестационарное температурное поле неограниченной пластины. Числа Фурье, Био.
    
16. 
    Нестационарное температурное поле бесконечного цилиндра. Числа Фурье, Био.
    
17. 
    Сущность конвективной теплоотдачи. Свободная и вынужденная конвекция.
    
18. 
    Закон Ньютона - Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Факторы, влияющие на его значение.
    
19. 
    Гидродинамическая структура потока. Режимы течения. Тепловой и гидродинамический пограничные слои.
    
20. 
    Уравнения теплоотдачи, энергии. Краевые условия.
    
21. 
    Уравнения движения. Краевые условия.
    
22. 
    Уравнение неразрывности. Краевые условия.
    
23. 
    Основы теории подобия. Подобие процессов конвективного теплообмена. Критерии подобия. Критериальные уравнения.
    
24. 
    Теплоотдача при обтекании плоской поверхности. Критериальные уравнения вынужденной конвекции.
    
25. 
    Теплоотдача при течении жидкости в трубах. Критериальные уравнения вынужденной конвекции.
    
26. 
    Теплоотдача при свободной конвекции. Теплоотдача в неограниченном пространстве.
    
27. 
    Теплоотдача при свободной конвекции. Теплоотдача в ограниченном пространстве.
    
28. 
    Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной трубы.
    
29. 
    Теплоотдача при поперечном обтекании пучка труб.
    
30. 
    Теплообмен излучением. Виды лучистых потоков. Эффективное излучение. Результирующее излучение.
    
31. 
    Законы теплового излучения. Серое тело и степень черноты.
    
32. 
    Лучистый теплообмен между телами.
    
33. 
    Тепловое излучение газов.
    
34. 
    Теплопередача через плоскую однослойную стенку.
    
35. 
    Теплопередача через плоскую многослойную стенку.
    
36. 
    Теплопередача через однородную цилиндрическую стенку.
    
37. 
    Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку.
    
38. 
    Тепловая изоляция. Критическая толщина изоляции.
    
39. 
    Теплопередача через ребристые поверхности. Коэффициент эффективности ребра. Коэффициент теплопередачи.
    
40. 
    Теплообмен при конденсации пара на вертикальной поверхности, на поверхности горизонтальной трубы.
    
41. 
    Особенности конденсации движущегося пара. Конденсация пара на горизонтальных трубных пучках.
    
42. 
    Теплообмен при кипении жидкости. Режимы кипения. Механизм кипения.
    
43. 
    Влияние теплофизических свойств поверхности и среды на интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении.
    
44. 
    Особенности теплообмена кипящей жидкости в трубках.
    
45. 
    Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов.
    
46. 
    Основы теплового расчета теплообменных аппаратов.
    
47. 
    Конструктивный и поверочный расчет теплообменных аппаратов.
    
48. 
    Гидравлический расчет теплообменных аппаратов.
    
49. 
    Массообмен. Основные понятия и определения.
    
50. 
    Молекулярная диффузия, градиент концентрации, законы Фика.
    

4. ЗАДАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

4.1 Методические указание к выполнению контрольной работы
При решении задач необходимо обращать внимание на единицы величин, с которыми производятся математические операции. Следует помнить, что проверка единиц в процессе математических выкладок помогает выявить ошибки, допущенные в ходе математических операций.

После изучения теоретического материала темы необходимо разо­браться с методикой решения задач, приведенных в учебнике и задачниках, а также ответить на вопросы для самопроверки, приведенные в методических указаниях. Умение решать задачи и дать правильные ответы на вопросы для самопроверки является критерием усвоения данной темы.

Контрольная работа выполняется студентами в тетради или на стандартных листах А4. Исходные данные для выполнения контрольной работы необходимо вы­брать из таблиц задания, в соответствии с вариантом и оформить на отдельном листе.

Условия задач должны быть переписаны полностью. Решение задач должно сопровождаться краткими пояснениями и подробными вычислениями. При вычислении какой-либо величины нужно словами указать, какая величина определяется и по какой формуле.

Необходимо указывать размерность величин как заданных в условиях задач, так и полученных в результате решения. Ответы на контрольные вопросы должны быть краткими и исчерпывающими. Не следует списывать ответы из учебника.

При решении задач и в ответах на вопросы применять только международную систему единиц (СИ). В конце выполненной контрольной работы привести список использованной литературы. На обложке тетради указать номер контрольной работы, название предмета, фамилию, инициалы, шифр зачетной книжки, специальность.

4.2 Вопросы для самоподготовки

Для выполнения контрольной работы студенту необходимо самостоя­тельно изучить по рекомендуемой литературе сле­дующие разделы:

1. Теплопроводность (при стационарном режиме).

2. Конвективный теплообмен в однородной среде (тепло­отдача при вынужденном течении жидкости в трубах).

3. Теплопередача

4. Теплообменные аппараты (тепловой расчет теплообменных аппаратов).

При подготовке к защите контрольной работы необходимо ответить на следующие вопросы: