Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов

Программа.

Теплопередача как частный случай сложного вида теплообмена. Коэффициент теплопередачи. Термическое сопротивление при теплопередаче. Теплопередача через однослойную и многослойную плоскую и цилиндрическую стенку.

Назначение и классификация теплообменных аппаратов. Баланс теплоты. Схемы движения теплоносителей. Температурные графики. Средняя разница температур теплоносителей. Конструкторский и поверочный расчеты теплообменных аппаратов.Методы интенсификации теплоотдачи в теплообменных аппаратах.

Методические указания. Теплопередача, как частный случай сложного вида теплообмена, представляет собой перенос теплоты от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку.

Коэффициент теплопередачи представляет собой количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности при разности температур теплоносителей в 1 К (или градус).

 

, Вт/(м²К).                      (3.9)

 

Однофазные теплоносители при теплообмене меняют свою температуру, поэтому температурный напор (разность температур теплоносителей) по поверхности теплообменного аппарата неустойчивый (рис. 2). При противоточной схеме движения теплоносителей средний по поверхности теплообменного аппарата температурный напор всегда выше, чем при прямоточной схеме, что позволяет передавать одинаковое количество теплоты меньшей площадью.

В противоточных теплообменных аппаратах температура холодного теплоносителя на выходе может быть выше температуры горячего теплоносителя, с которой он выходит из аппарата (t_x ² >t_г ²).

 

 

Рисунок 2 – Изменение температуры теплоносителей в теплообменных аппаратах:а) при прямотоке; б) при противотоке

 

При изучении данной темы студент должен обратить особое внимание на влияние различных факторов на значение коэффициента теплопередачи, на методы интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах, выделяя среди них наиболее важные.

Тепловой баланс ТОА:

Ф=m₁ × с_p1 × (t^/₁-t^//₁)=m₂ × с_p2 × (t^//₂- t^/₂ ), Вт      (3.10)

 

где m₁ – массовый расход горячего теплоносителя, кг/с;

 m ₂ – массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

t^/₁, t^//₁ – начальные и конечные значения температуры горячего теплоносителя, °С;

t^/₂, t^//₂ –начальные и конечные значения температуры холодного теплоносителя, °С.

 

Массообмен

Программа.

Массообмен. Виды диффузии. Диффузионный поток. Уравнение Фика. Физический смысл коэффициента массопереноса. Числа подобия массообмена.

Методические указания.

В теплотехнике массообмен встречается в процессах испарения, конденсации, сушки, вентиляции, кондиционирования воздуха и т.п. Массоотдачей называют перенос массы вещества из ядра фазы к поверхности раздела фаз и наоборот. Движущая сила масообменных процессов может быть выражена в системе жидкость-жидкость разностью объемных концентраций вещества; в системе газ-жидкость – разностью парциальных давлений компонента; в твердых телах – разностью концентраций.

Уравнение массообмена (без учета термо- и бародиффузии):

.                          (3.11)

Исходя из аналогии процессов теплообмена и массообмена, можно:

.                     (3.12)

Числа подобия массообменных процессов имеют структуру, аналогичную структуре чисел подобия процессов теплообмена.

Диффузионное число Нуссельта (число Шервуда Sh), включает искомый безразмерный коэффициент массоотдачи:

.                                (3.13)

Диффузионное число Прантдля (число Шмидта Sc) – критерий подобия скоростных и концентрационных полей в потоке:

,                     (3.14)

где n – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; µ – коэффициент динамической вязкости, Па∙с.

Число Гухмана характеризует влияние массообмена на теплообмен:

,                            (3.15)

где Т_с и Т_м – значение температуры сухого и мокрого термометра, К.

Диффузионное число Стантона:

.                            (3.16)

Диффузионное число Пекле:

,                                   (3.17)

где w – скорость переноса массы вещества, м/с.

Вид диффузионных критериев вытекает из анализа соотношений по аналогии с соответствующими тепловыми процессами.

Поток может быть записан через коэффициент конвективного массообмена:

,                            (3.18)

где – концентрации вещества у поверхности и на значительном удалении от нее, кг/м³; b - коэффициента массоотдачи, м/с.

Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 3.

1. Основные понятия и определения теории теплообмена. Простые виды теплообмена.

2. Исследование теплопроводности. Закон Фурье. Физический смысл коэффициента теплопроводности.

3. Теплопроводность плоской одно- и многослойной стенки при стационарном режиме.

4. Теплопроводность цилиндрической одно- и многослойной стенки при стационарном режиме.

5. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Физический смысл коэффициента теплоотдачи.

6. Что представляет собой теория подобия?Какие явления могут быть подобными?

7. Что называют моделированием?

8. Что называют условиями однозначности и какие факторы к ним относятся?

9. Что называют числами (критериями) подобия и как их обозначают?

10. Сформулировать три теоремы подобия.

11. Какие критерии называют определяющими? Привести пример такого критерия.

12. Что такое метод приближенного моделирования и в чем его сущность?

13. Какие критерии относят к критериям теплового подобия? Что они характеризуют?

14. Как записывается критериальное уравнение теплоотдачи? Привести критериальное уравнение в общем виде.

15. Привести упрощенные критериальные уравнения для вынужденного и свободного движений среды.

16. Каким соотношением учитывают направление теплового потока?

17. Что влияет на возникновение свободной конвекции среды в процессе теплообмена?

18. Какие особенности теплообмена у нагретой поверхности плиты в неограниченном пространстве?

19. Описать ход процесса теплообмена при вынужденном течении жидкости в трубах. От каких факторов зависит этот процесс?

20. Что называют кипением в большом объеме и в потоке?

21. Какие существуют режимы кипения и их особенности? Что называют кризисом кипения?

22. Что называют критическими параметрами состояния при кипении?

23. Описать процесс пузырькового кипения в большом объеме. Режимы кипения.

24. Какие условия нужны для возникновения и существования пузырькового пара?

25. Что такое минимальный критический диаметр паровогопузырька? От чего он зависит и как его определяют?

26. От чего зависит максимальный диаметр парового пузырька при кипении воды в большом объеме и как его определить?

27. От каких факторов зависит интенсивность теплоотдачи при кипении воды в большом объеме и как они влияют на процесс?

28. Стадии кипения жидкости в трубах. Проанализировать их.

29. Критериальные уравнения для анализа теплоотдачи во время кипения жидкости в большом объеме. Проанализировать их.

30. Критериальные уравнение для анализа теплоотдачи при кипении воды в трубах. Проанализировать их.

31. Условия возникновения пленочного кипения.Факторы, влияющие на интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении.

32. Проанализировать характер изменения теплового потока и коэффициента теплоотдачи от температурного напора при кипении воды в условиях свободной конвекции.

33. Привести формулы для определения коэффициента теплоотдачи для различных случаев пленочного кипения.

34. Какова природа энергии излучения?

35. Классификация электромагнитных колебаний.Какие величины характеризуют электромагнитные колебания?

36. Какие лучи имеют свойство передавать энергию в форме теплоты?

37. На какие части делится падающая лучистая энергия?

38. Что называют поглощающей, отражающей и пропускной способностью тела?

39. Что называют абсолютно черным телом, абсолютно белым, зеркальным и абсолютно прозрачным?

40. Какие спектры излучения твердых и газообразных тел?

41. Что называют излучательной способностью тела?

42. Что называют спектральной плотностью излучения?

43. ​​Что называют серыми телами?

44. Поток эффективного излучения и его плотность. Результирующий поток излучения.

45. Закон Планка и его графическое изображение.

46. Закон Вина и закон Стефана-Больцмана.

47. Что называют степенью черноты тела? Сводная степень черноты системы.

48. Закон Ламберта.

49. Закон Кирхгофа и его анализ.

50. Тепловой поток излучения между двумя серыми поверхностями.

51. С какой целью используют экраны? Эффект от применения экранов.

52. От каких факторов зависит значение коэффициентаоблучения?

53. Чем обусловлено излучение газов?

54. Теплообменные аппараты, их типы. Расчет теплообменных аппаратов.

55. По каким величинам составляется полное гидравлическое сопротивление теплообменника и как его определить?

56. Как установить конечные и найти средние арифметические температуры теплоносителей в теплообменных аппаратах?

57. Определение перепадов температур теплоносителей для разных схем их взаимодействия. Водяной эквивалент.

58. Что такое массообмен? Физический смысл коэффициента массообмена.

59. Определение потока вещества.

60. Тройная аналогия уравнений диффузии, энергии и движения.

Смысловой модуль 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ