Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ Термодинамика и теплотехника. Термодинамика и теплотехника Стр 1 из 11Следующая ⇒ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ В двух частях   Часть 2 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА   Одесса – 2007   УДК 532.5 ББК 30.123     К 43         Кирис А.В., Лисин В.В. К 43     Термодинамика и теплотехника [Текст]: учебное пособие. – В 2 ч. Ч. 2:     Теплопередача. – Одесса: ОНМА, 2007. – 53 с.              Рецензенты: профессор Одесской государственной академии холода     Дорошенко А.В., д.т.н.; профессор Одесского национального морского      университета Вассерман А.А., д.т.н.         Изложены основы теории передачи теплоты: теплопроводности, кон вективного теплообмена, теплового излучения, теплообмена при кипении и конденсации. Рассмотрен комплексный процесс передачи теплоты – те плопередача, а также основные положения теплового расчета теплооб менных аппаратов.      Утверждено учёным советом ОНМА в качестве учебного пособия по направлению нию подготовки 0925 «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии» и рекомендовано к печати «___»_________ 2007, протокол №.                                                                                      © А.В Кирис, В.В Лисин, 2007 СОДЕРЖАНИЕ   1. Введение. Основные понятия и определения……………………………….......5 1.1. Общая характеристика процессов передачи теплоты………………………...5 1.2. Контрольные вопросы…………………………………………………………..6 2. Теплопроводность…………………………………………………………….......6 2.1. Основные понятия…………………………………………………………........6 2.2. Закон Фурье……………………………………………………………………..8 2.3. Теплопроводность плоской однослойной стенки……………………….……9 2.4. Теплопроводность плоской многослойной стенки…………………….……10 2.5. Теплопроводность однослойной цилиндрической стенки………………….11 2.6. Теплопроводность многослойной цилиндрической стенки………….……..13 2.7. Приближенные методы расчета теплопроводности цилиндрических стенок………………………………………………………………………..………14 2.8. Теплопроводность тел произвольной формы………………………………..15 2.9. Контрольные вопросы……………………………………………………........15 3. Конвективный теплообмен………………………………………………….......16 3.1. Общие положения……………………………………..…………………........16 3.2. Коэффициент теплоотдачи……………………………………………………17 3.3. Пограничный слой……………………………………………………………..17 3.4. Определение q при теплоотдаче между жидкостью и стенкой…………….18 3.5. Основные положения теории подобия……………………………………….19 3.6. Основные критерии подобия конвективного теплообмена……………........21 3.7. Критериальные уравнения конвективного теплообмена……………………22 3.8. Определяющие размер и температура………………………………………..23 3.9. Определение коэффициента теплоотдачи……………………………………24 3.10. Теплообмен при вынужденном движении жидкости в трубах……………25 3.10.1. Ламинарный режим………………………………………………………...25 3.10.2. Турбулентный режим…………………………………………………........27 3.11. Теплообмен при свободном движении………………………………….......27 3.12. Теплообмен при поперечном обтекании труб……………………………...28 3.13. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб……………………..29 3.14. Контрольные вопросы………………………………………………………..30 4. Кипение и конденсация………………………………………………………….31 4.1. Теплообмен при кипении. Общие положения……………………………….31 4.2. Особенности теплообмена при кипении в большом объеме и трубах……..32 4.3. Теплообмен при конденсации………………………………………………...33 4.4. Контрольные вопросы…………………………………………………………34 5. Тепловое излучение……………………………………………………………...34 5.1. Общие сведения о тепловом излучении……………………………………...34 5.2. Виды лучистых потоков……………………………………………………….35 5.3. Законы теплового излучения………………………………………………….36 5.4. Лучистый теплообмен между телами………………………………………...38 5.5. Экранирование…………………………………………………………………39 5.6. Контрольные вопросы…………………………………………………………40 6. Теплопередача…………………………………………………………..…..........41 6.1. Общая характеристика теплопередачи……………………………………….41 6.2. Теплопередача через одно- и многослойные стенки с плоскими параллель-ными поверхностями……………………………………………………………….41 6.3. Теплопередача через одно- и многослойную цилиндрическую стенку……43 6.4. Упрощенные формулы для расчета теплопередачи…………………………44 6.5. Критический диаметр изоляции………………………………………………44 6.6. Контрольные вопросы…………………………………………………………45 7. Тепловой расчет теплообменных аппаратов…………………………………...45 7.1. Общая характеристика теплообменных аппаратов………………………….45 7.2. Основные положения и уравнения теплового расчета…………………….. 46 7.3. Определение среднего температурного напора……………………………..48 7.4. Приближенный расчет конечной температуры рабочих жидкостей……….49 7.5. Контрольные вопросы……………………………………………………........50 Литература………………………………………………………..............................51     1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ   ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Основные понятия   Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разности температур тела. Температурное поле – совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства, в котором протекает процесс. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид  где t – температура тела; - координаты точки. Такое поле называется нестационарным, оно отвечает неустановившемуся режиму теплопроводности. Если температура тела не изменяется с течением времени, поле называется стационарным. В этом случае                                       (1) Температура может быть функцией одной, двух и трех координат. Соответственно этому температурное поле называется одно-, двух- и трехмерным. Для одномерного стационарного температурного поля                       (2) Если соединить все точки тела с одинаковой температурой, то получим поверхность равных температур – изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не могут пересекаться, все они либо замыкаются на себя, либо кончаются на границе тела. Изотерма (линия постоянной температуры) получается в результате пересечения изотермической поверхности плоскостью. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности или изотермы.                                                      Наиболее резкое изменение темпера-                                                    туры получается в направлении нор-                                                    мали n к изотермам. Интенсивность                                                    изменения температуры в каком-либо                                                    направлении характеризуется отноше-                                                    нием  принимающим наибольшее                                                    значение в направлении n (рис. 1).               Рис. 1 Предел отношения изменения температуры ( еще называют температурным напором) к расстоянию между изотермами по нормали ∆ n при называется температурным градиентом, имеющим размерность [град/м]:                     grad t = lim  [град/м].                           (3) Таким образом, градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермной поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный частной производной от температуры по этому направлению. grad t является мерой интенсивности изменения температуры. Самопроизвольно теплота переносится только в сторону убывания температуры. Тепловым потоком Q называется количество теплоты, переносимой в единицу времени τ через произвольную поверхность. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности F, называется плотностью теплового потока, удельным тепловым потоком или тепловой нагрузкой поверхности q. Если поверхность, через которую передается теплота, изотермическая, то q является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора grad t (рис. 1).       Закон Фурье   Для распространения теплоты в любом пространстве необходима разность температур. Т.е. при передаче теплоты теплопроводностью необходимо, чтобы градиент температур в различных точках тела не был равен 0. Согласно экспериментальным исследованиям Фурье, количество переданной теплоты пропорционально падению температуры ∆ t, времени τ, площади сечения F, перпендикулярного направлению распределения теплоты, и обратно пропорционально толщине тела , в котором передается теплота ,                                   (4) где λ – множитель пропорциональности (знак «-» показывает, что теплота передается в сторону уменьшения температуры). Исходя из определения q справедлива запись .                                             (5)                                                                    Множитель пропорциональности  называется коэффициентом теплопроводности, характеризует способность вещества проводить теплоту и является физическим свойством веществ .                                        (6) Коэффициентом теплопроводности  называется количество теплоты, которое проходит в единицу времени через 1 м2 изотермической поверхности при температурном градиенте, равном 1 (при разности температур в 1о на единице толщины 1м). Отсюда единицей измерения λ будет [вт/м2 град/м] = [вт/м град]. Для различных веществ коэффициент теплопроводности  различен и в общем случае зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Для ответственных расчетов  нужно определять экспериментально. Для большого числа материалов , где - коэффициент теплопроводности при температуре to;   b – постоянная, определяемая опытным путем. Для газов, применяемых в технике, 0,02 <  < 0,2 вт/м град. С ростом температуры теплопроводность газов растет, от давления не зависит. Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях представляется как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. С повышением температуры  жидкостей убывает, исключение составляют вода и глицерин. Для жидкостей 0,08  < 0,7 вт/м град. Для строительных материалов с ростом температуры  падает, для материалов с большей плотностью  выше. Существенное влияние на  оказывает влажность. Если  < 0,25 вт/м град, то материал может применяться для тепловой изоляции. У металлов с ростом температуры  падает, т.к. при повышении to вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивание электронов увеличивается. Металлы являются лучшими проводниками теплоты. Для металлов 7,9 <   < 458 Вт/м град. В неметаллах (диэлектриках) с повышением to    увеличивается. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН   Общие положения   Это молярный процесс переноса теплоты вместе с потоком теплоносителя, иными словами, конвекция происходит только в упругих и неупругих жидкостях. Передача теплоты конвекций всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективный теплообмен. Различают вынужденную и естественную (свободную) конвекцию. В первом случае жидкость или газ движутся за счет внешних для данного процесса сил. Во втором – за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц. Свободное движение может появиться в жидкости с переменной плотностью только в случае нахождения в поле массовых сил. Вынужденное движение обычно сопровождается свободным, причем относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных частиц и чем меньше скорость вынужденного движения. В силу сложности конвективного теплообмена его прикладные задачи решаются следующими путями: 1. Приближенные эмпирические уравнения (для простейших случаев). 2. Путь совместного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих сложные процессы теплообмена в их элементарной форме. 3. Единственно точным методом решения задач конвективного тепло- обмена является метод эксперимента. Всякий раз проводить эксперимент практически невозможно, поэтому на помощь приходит теория теплового подобия и теплового моделирования, позволяющая распространять выводы, полученные в ходе контрольного эксперимента, на всю область подобных (в тепловом отношении) явлений и процессов. Количество теплоты, переданной конвективным теплообменом (конвекцией) определяется по формуле Ньютона-Рихмана, в соответствии с которой тепловой поток Q пропорционален площади поверхности теплообмена F и температурному напору  если теплота передается от стенки ,                                            (31) где коэффициент теплоотдачи (коэффициент пропорциональности); t с – температура стенки; t ж– температура жидкости.   Коэффициент теплоотдачи Интенсивность конвективного теплообмена определяется коэффициентом теплоотдачи   , который представляет собой количество теплоты, переносимой в ходе конвективного теплообмена между твердой поверхностью и подвижным теплоносителем (упругой или капельной жидкостью) в течение единицы времени через единицу площади при температурном напоре, равном 1 градус. На интенсивность конвективного теплообмена (а следовательно, и на численное значение ) обычно оказывает влияние весьма большое количество различных переменных факторов, как то: теплофизические и гидродинамические свойства потока теплоносителя (температура, скорость, вязкость, плотность, теплопроводность, поверхностное натяжение, смачивающие свойства жидкости и т.д.), а также теплофизические свойства и геометрические характеристики теплообменной поверхности. В силу изложенного численные значения  резко разнятся для различных случаев конвективного теплообмена. Порядок величин значений  обычно находится в следующих пределах - для газа                                               Дж/ ;  - для капельных жидкостей                 - «-; - при кипении и конденсации             и более - «-.   Пограничный слой

, который называется критерием (числом) Рейнольдса Re. Переход ламинарного режима движения в турбулентный происходит при критическом значении этого критерия Reкр=2000.

Различают естественную и искусственную турбулентность.

 в котором скорость падает от значения скорости потока вдали от поверхности до нуля на самой поверхности.

Теоретическое исследование конвективного теплообмена, основанное на теории пограничного слоя, проведено Л.Прандтлем (1904 г.).

                                                      Если температуры жидкости и потока

                                                    неодинаковы, вблизи поверхности

                                                    образуется тепловой пограничный

                                                    слой, где происходят все изменения

                                                    температуры.

                                                          На рис. 6 показаны графики зави-

                                                    симости температуры и скорости жид-

                                                    кости, нагреваемой поверхностью, от

                                                    расстояния до этой поверхности.

            Рис. 6

 пограничных слоев не совпадают. Однако эти толщины могут и совпадать, что оценивается числом Рr (см. 3.6).

Механизм и интенсивность переноса теплоты определяется характером движения жидкости в пограничном слое. Если ламинарный – то теплота переносится теплопроводностью. Если турбулентный – то перенос теплоты обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Интенсивность такого переноса теплоты существенно выше.

Ламинарный режим

Интенсивность теплообмена может меняться в широких пределах и в большой степени зависит от скорости движения потока. Изменение температуры при движении жидкости в трубах происходит как по сечению, так и по длине трубы.

50d. Стабилизированные течения наблюдаются как при ламинарном, так и при турбулентном течении.

максимальная скорость в центре трубы.

Рис. 10

При ламинарном течении встречаются два режима неизотермного движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный.

.

Вязкостно-гравитационный режим имеет место тогда, когда вынужденное течение жидкости сопровождается и естественной конвекцией. В этом случае распределение скоростей по сечению не будет чисто параболическим, так как с изменением температуры по сечению меняется и вязкость.

При вязкостно-гравитационном режиме имеет большое значение направление свободной конвекции и вынужденного движения. Они могут совпадать, быть направлены противоположно друг другу и быть взаимно перпендикулярными. В данном случае интенсивность теплообмена будет так же зависеть от направления теплового потока – т.е. от того, нагревается или охлаждается жидкость в трубе. При нагревании жидкости ее температура возле стенки выше температуры основного потока, а вязкость меньше, при охлаждении – наоборот. Следовательно, при нагревании жидкости ее скорость у стенки будет больше, чем при охлаждении. Поэтому интенсивность теплоотдачи окажется выше.

При вынужденном движении жидкости в трубах можно выделить три характерных случая. Так, первый случай – жидкость движется вверх и нагревается. Эпюра распределения скоростей имеет следующий вид (рис. 11), где:                                                         1 – суммарная эпюра скорости, 2 – эпюра скорости, обусловленной вынужденным движением, а 3 - эпюра скорости, обусловленной свободным движением.

                                                              Второй случай наблюдается

                                                            в горизонтальных трубах. У

                                                            стенки трубы возникают вос-

                                                            ходящие токи, а в центре –

                                                            нисходящие (при нагревании

                                                            жидкости). За счет лучшего

                                                            перемешивания (жидкость

                                                            движется по винтовой) и ин-

                                                            тенсивность теплоотдачи

                                                            выше, чем в первом случае.

                 Рис. 11

Третий случай имеет место при нагревании жидкости и ее движении сверху вниз, а также при охлаждения жидкости и ее движении вверх.

Очевидно, что направление оказывает влияние на интенсивность теплообмена и при совпадении направлений коэффициент теплоотдачи будет выше.

.                      (38)

Для всех случаев вязкостно-гравитационного режима применяется формула

.             (39)

, так как критерий Прандтля капельных жидкостей существенно уменьшается с увеличением температуры.

, представляющий собой поправку на гидродинамический начальный участок.

Турбулентный режим

 Жидкость весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на теплоотдачу, поэтому из совокупности определяющих критериев исключается число Грасгофа. При нагревании жидкости интенсивность теплоотдачи выше, чем при охлаждении.

Для развитого турбулентного движения справедливо следующее уравнение подобия:

.                       (40)               

0,7) последнее уравнение упрощается:

                                         Nu = 0,018 Reж0,8.                                        (41)

оно исчезает.

Значение среднего коэффициента теплоотдачи в изогнутых трубах будет выше, чем в прямых, за счет возрастания скорости и вторичной циркуляции.

КИПЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

     4.1 Теплообмен при кипении. Общие положения

Процесс кипения всегда связан с подводом теплоты к кипящей жидкости. Кипением называется парообразование, характеризующееся возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой чуть выше температуры насыщения. Различают кипение на твердой поверхности теплообмена, к которой подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Различают ядерное (пузырьковое) и пленочное кипение.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым. С увеличением q до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у стенки сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Такой режим называется пленочным.

Высокая интенсивность ядерного кипения обусловлена тем, что периодический процесс роста и отрыва отдельных пузырьков от стенки, а также их всплытие вызывает турбулизацию жидкости, частично разрушающую пристеночный слой.

Для возникновения парового пузырька необходимо, чтобы суммарное давление р в нем было не меньше суммы всех сил, действующих на пузырек (силы давления окружающей среды и поверхностного натяжения поверхности пузырька). Условие равновесия при этом определяется уравнением Лапласа.

Паровые пузыри обычно образуются на теплообменной поверхности, где обычно молекулярное сцепление между молекулами более или менее ослаблено. Количество образующихся пузырей пара увеличивается при увеличении: количества центров парообразования, температурного напора, q, давления.

Величина пузырьков пара зависит от смачивающей способности жидкости. При хорошей смачиваемости пузырек легко отрывается.

 может меняться в зависимости от состояния материала и чистоты поверхности нагрева. Это объясняется влиянием этих факторов на изменение плотности центров парообразования.

 и q представляется в виде:

Теплообмен при конденсации

Процесс конденсации заключается в переходе пара в жидкое состояние и может происходить только при условии, что t и p пара ниже параметров критической точки; протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. При конденсации необходимо отводить образовавшееся вещество и отводить теплоту.

 в 15-20 раз выше по сравнению с пленочной конденсацией.

 3 раза.

 конденсации уменьшается (до 30% по сравнению с гладкой и чистой поверхностью).

При горизонтальном расположении труб конденсатора средний коэффициент теплоотдачи оказывается выше, так как толщина пленки конденсата будет меньше даже на нижних трубах, где пленка будет разбиваться струйками и каплями стекающего с верхних труб конденсата.

 конденсации на 60%.

    4.4 Контрольные вопросы

    1. Опишите механизм теплообмена при пузырьковом кипении.

t при кипении в большом объеме.

    3. Какими критериальными уравнениями описывается теплоотдача при кипении в трубах и большом объеме?

    4. Опишите особенности процесса конденсации.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Виды лучистых потоков

Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется потоком излучения Q. Плотность потока излучения Е– это поток, излучаемый с единицы поверхности по всем направлениям (в дальнейшем – излучение)

. Поделив обе части на Q, получим A + R + D = 1,

где А характеризует поглощательную способность тела, R – отражательную и D – пропускательную.

Если А = 1, то R = 0 и D = 0, т.е. вся падающая энергия полностью поглощается. Такие тела называются абсолютно черными.

Если R = 1, то A = 0 и D = 0, т.е. вся энергия полностью отразилась. Эти тела называются абсолютно-белыми, если отражение диффузное, и зеркальными, если отражение правильное.

Если D = 1, R = 0, A = 0, вся энергия прошла сквозь тело. Такие тела называются диатермичными (абсолютно прозрачными).

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе нет. Значения A, R, D зависят от природы тела, его температуры, спектра падающего излучения. Например, воздух для тепловых лучей прозрачен, но при наличии паров воды или СО2 становится полупрозрачным.

Твердые тела и некоторые жидкости (Н2О, спирт) для тепловых лучей непрозрачны (атермичны), D = 0.

В природе есть тела, которые прозрачны для определенных длин волн (кварц для тепла непрозрачен, а для света и ультрафиолета – да, каменная соль – наоборот, оконное стекло прозрачно только для света и почти непрозрачно для ультрафиолетовых лучей).

Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь свет. Невидимые же тепловые лучи белая ткань и краска поглощают так же хорошо, как и темные. Для поглощения и отражения тепловых лучей большое значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Так, например, белый бархат для тепловых лучей является почти абсолютно черным телом, свойствами которого обладает отверстие в стенке полого тела.