Процессы теплообмена и их показатели

Теплопроводность (кондукция) – распространение тепла вследствие теплового движения частиц вещества.

Конвекция – процесс распространения тепла в результате теплопроводности и перемещения среды; конвективный перенос тепла имеет место в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах.

Тепловое излучение – превращение тепловой энергии тела в лучистую и её передача в пространство, окружающее тело. Процесс передачи тепла, обусловленный взаимным излучением и поглощением тепловой энергии между двумя или несколькими телами, имеющими разную температуру, называется теплообменным излучением.

Теплоотдача – теплообмен между твёрдой стенкой (телом) и обтекающей её средой (жидкой, газообразной или сыпучей).

Теплопередача – процесс теплообмена между двумя средами (см. рис. 32), разделёнными перегородкой (обычно твёрдой, состоящей из одного или нескольких слоёв).

Формулы для расчёта стационарных процессов теплоотдачи и теплопередачи:

Q=α₁ (t_ж1-t_с1)F₁;

Q=α₂ (t_с2-t_ж2)F₂;

Q=kΔtF;

Где Q – количество тепла, ккал/ч:

   F₁ и F₂ – наружные поверхности, м²;

   t_ж1 и t_ж2  – средние температуры соответственно греющей и нагреваемой среды ºС;

   t_с1 и t_с2 - средние температуры стенки соответственно воспринимающей и отдающей тепло ºС;

α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи соответственно от греющей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде, ккал/м² ·ч· ºС, в системе СИ: α (вт/м² ·град)=1,163 α (ккал/м² ·ч· ºС);

k - коэффициент теплопередачи от одной среды к другой, отнесённый к F, ккал/м² ·ч· ºС.

 

Термическое сопротивление – величина обратная коэффициентам теплоотдачи и теплопередачи, (м² ·ч· ºС/ккал):

R₁=[(t_ж1-t_с1)F₁]/Q=1/ α₁;

R₂=[(t_с2-t_ж2)F₂]/Q=1/ α₂;

R=ΔtF/Q=1/ k.

Термическое сопротивление сложной системы равно сумме термических сопротивлений её частей.

 

Средняя разность температур или температурный напор, Δt - усреднённая по поверхности F нагрева (или охлаждения) разность температур сред участвующих в теплообмене. Если температура одной среды в пределах поверхности нагрева (охлаждения) не изменяется, то температурный напор не зависит от взаимного направления движения сред.

Среднелогарифмическая разность температур дляобеих схем движения теплообменивающихся сред:

Δt_ср= (Δt_б - Δt_м)/[2,3lg(Δt_б /Δt_м)], ºС,

Где Δt_б – наибольшая разность температур теплообменивающихся сред, ºС;

Δt_м – наименьшая разность температур теплообменивающихся сред, ºС.

Для вычисления можно пользоваться номограммой, приведённой на рис. 33.

В тех случаях, когда Δt_б / Δt_м <1,7, температурный напор с достаточной точностью определяется как среднеарифметическая разность температур:

Δt_ср= (Δt_б - Δt_м)/2.

При любых конечных температурах наибольший возможный температурный напор достигается при противотоке, наименьший – при прямотоке. Все другие схемы течения приводят к промежуточным значениям температурного напора.

 

Плотность теплового потока:

q=Q/ F=k Δt_ср  ккал/(м² ·ч)

В системе СИ q [вт/ м²]= q 1,163 [ккал/(м² ·ч)].

Характеристика накипи и коэффициент её теплопроводности (λ=0,05…0,1γ³ ккал/м² ·ч· ºС, где γ – объёмный вес накипи, г/см³) приведены в таблице 9.1.

                                                                              Таблица 9.1

Вид накипи	Характеристика накипи	Коэффициент её теплопроводности λ
Загрязнённая маслом	Твёрдая	0,1
Cиликатная CaSiO3	Твёрдая	0,05 - 0,2
Карбонатная (аморфная) CaСO3	Мягкая	0,2 - 1
Гипсовая (сульфатная) CaSO4	Твёрдая	0,5 - 2
Карбонатная (кристаллическая)	От аморфного порошка до твёрдого котельного камня	0,5 - 2
Смешанная	Твёрдая плотная	0,7

 

Коэффициент теплопроводности нагара (в цилиндрах ДВС):

λ_наг=0,116 вт/(м · ºК).

То же для накипи:

λ_нак=0, 696…2,32 вт/(м · ºК).

Загрязнённая поверхность теплообмена, особенно со стороны охлаждения, вызывает повышение температуры стенок и теплонапряжённости (слой накипи толщиной 1мм по термическому сопротивлению эквивалентен 40мм стальной стенки). Образование на поверхности поршня лаковой плёнки значительно ухудшает теплоотдачу (лаковая плёнка толщиной 0,15мм уменьшает теплоотдачу на 40%).

Коэффициент теплопроводности λ некоторых сталей и сплавов приведён в таблице 9.2.

 

                                                                              Таблица 9.2

Стали и сплавы		Температура, ºС	λ  Вт/м · ºС (ккал/м ·ч· ºС)
Стали	Углеродистые	20 - 500	46 – 35 (40 – 30)
	Низкоуглеродистые	20 - 500	27 - 35 (23,5 – 30)
	Хромистые нержавеющие	20 - 500	24 -28 (21 – 24)
	Хромоникелевые	20 - 500	12 - 22 (10 – 19)
	Высоколегированные	100 - 500	15 - 20 (13 – 17)
Алюминиевая бронза		20	82 (71)
Бронза		20	22 - 46 (22 – 40)
Сплавы	Магниевые	20 - 200	58 - 133 (50 – 114)
	Медные	20 - 100	13 - 76 (11 – 65)

 

Коэффициент теплопроводности мазутов (ккал/м ·ч· ºС) приведён в таблице 9.3.

                                                                                      Таблица 9.3

Марка мазута	Температура, ºС
	30	40	50	60	70
20	0,103	0,102	0,101	0,099	0,098
40	0,116	0,115	0,114	0,113	0,112

 

Поверхностное натяжение мазутов в пределах температур 50 -100 ºС составляет 0,003 – 0,0025кгс/см.