Теплопередача через циліндричну стінку

Особливість теплопередачі полягає в тому, що теплота, яка передається від гарячого середовища в середині циліндричної труби до холодного омиваючого середовища зовні ніби розширяється, оскільки внутрішня площа поверхні теплопередачі менша, ніж зовнішня.

Для такого випадку густина теплового потоку , що передається теплопередачею від гарячого теплоносія всередині труби до холодного зовні підраховується за формулою

,

де лінійний коефіцієнт теплопередачі через трубу довжиною один метр, Вт/(м·К) і визначається за формулою:

,

де коефіцієнти тепловіддачі конвекцією від гарячого теплоносія до внутрішньої стінки і від зовнішньої стінки до холодного, Вт/(м²·К); коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, Вт/(м·К); внутрішній і зовнішній діаметри труби, м.

 

Лекція 17

Основи теплового розрахунку теплообмінних апаратів. Класифікація, призначення і схеми теплообмінних апаратів. Конструкторський і перевірочний теплові розрахунки теплообмінників. Середній температурний напір.

Теплообмінні апарати

Теплообмінник – пристрій для підігріву (охолодження) одного рухомого середовища за рахунок вищої (нижчої) температури іншого рухомого середовища.

За способом передачі теплоти усі теплообмінники поділяються на два типи:

1. Контактні (змішувальні), де передача теплоти від гарячого до холодного теплоносія здійснюється при безпосередньому контакті молекул гарячого і холодного теплоносія (скрубери, градирні).

2. Поверхневі, в яких передача теплоти від гарячого до холодного теплоносія здійснюється через теплопередаючу поверхню.

Поверхневі теплообмінники можна розділити на три види:

a) ємкісні поверхневі, в яких об’єм або площа поверхні гарячого тіла (теплоносія) значно менші ніж об’єм підігріваємого тіла (електричний чайник);

b) поверхневі теплообмінники регенеративного типу, в яких гарячий і холодний теплоносії по черзі омивають одну і ту ж теплоємкісну поверхню;

c) рекуперативні поверхні теплообмінники, в яких передача теплоти від гарячого теплоносія до холодного здійснюється через теплопередаючу поверхню (швидкісні теплообмінники для приготування гарячої води, випарювачі, конденсатори, радіатори систем охолодження і т. д).

 

Тепловий розрахунок на прикладі рекуперативного

Поверхневого теплообмінника

Основні положення зберігаються для теплового розрахунку теплообмінників інших типів і різновидів. Розрізняють конструктивний тепловий розрахунок, мета якого по відомих кількостях передачі теплоти і температурах теплоносіїв на вході в теплообмінник і виході з нього визначити площу поверхні теплопередачі . Розрізняють також перевірочний розрахунок в якому по відомій площі поверхні теплопередачі визначають кількість теплоти, що передається від гарячого теплоносія до холодного і температури теплоносіїв на вході в теплообмінник і виході.

В основі теплових розрахунків є наступні рівняння.

1. Рівняння теплових балансів теплоносіїв. Кількість теплоти, що віддає в теплообміннику гарячий теплоносій рівна кількості теплоти, яку отримує в теплообміннику холодний теплоносій

де масові витрати гарячого і холодного теплоносіїв, кг/с; ентальпії гарячого теплоносія на вході в теплообмінник і виході із нього, Дж/кг; ентальпії холодного теплоносія на виході із теплообмінника і вході в нього, Дж/кг;

Індекс 1 – гарячий теплоносій. Індекс 2 – холодний теплоносій. Показник ‘ – параметри на вході. Показник ” – параметри на виході з теплообмінника.

При відсутності фазових перетворень теплоносіїв попереднє рівняння матиме вигляд

питомі ізобарні теплоємності гарячого і холодного теплоносіїв при p=const, Дж/(К·кг); температури гарячого теплоносія на вході в теплообмінник і виході із нього; температури холодного теплоносія на виході із теплообмінника і вході в нього.

2. Рівняння теплопередачі, зміст якого полягає в тому, що теплота, яка передається теплопередачею від гарячого до холодного теплоносія в теплообміннику через теплопередачу поверхню, рівна кількості теплоти, що віддає гарячий теплоносій і рівна кількості теплоти, що отримує холодний

,

де коефіцієнт теплопередачі від гарячого до холодного теплоносія через теплопередаючу поверхню, Вт/(м²·К); площа поверхні теплопередачі, м², шукана величина в тепловому конструктивному розрахунку теплообмінника; середньоарифметичний або середньологарифмічний температурний напір між гарячим і холодним теплоносіями через теплопередаючу поверхню.

Розглянемо дві схеми рухів теплоносіїв через теплообмінник (прямоток, протиток).

 

 

Схеми кожухотрубних рекуперативних теплообмінників із різними схемами рухів теплоносіїв із змінами температур по довжині апаратів.

Середньологарифмічний температурний напір підраховується з наступного рівняння

.

Лекція 18

Промислова теплотехніка. Види органічних палив та їх характеристики. Класифікація палив. Елементарний склад палив. Теплота згоряння. Коефіцієнт надлишку повітря. Основи енерготехнології, вторинні енергетичні ресурси і захист оточуючого середовища від шкідливих викидів продуктів згоряння палива.

Палива, що застосовуються в теплотехніці, ділять за агрегатним станом на тверді, рідкі і газоподібні. Розрізняють палива органічні і ядерні. При використанні органічних палив теплота виділяється у результаті реакцій сполучення горючих елементів палива з окислювачем, яким є кисень. Ядерне паливо при реакціях розпаду атомних ядер, деяких протонів важких елементів (природного , штучного і ) виділяє теплоту в міліони разів більшу, ніж найкраще органічне паливо. За походженням палива бувають штучні і природні. До природних твердих палив відносяться антрацит, кам’яне і буре вугілля, торф, горючі сланці; до штучних – кокс, деревне вугілляю природним рідким паливом є нафта, а штучними рідкими – бензин, керосин, дизпаливо, мазут і ін. Природні газоподібні палива – природний газ, попутний нафтовий газ, а штучні – інертні гази, гази сухої перегонки, побічні гази і ін.

 

Елементарний склад палив

До складу органічних палив входять різноманітні з’єднання горючих і негорючих елементів. Тверді і рідкі палива містять вуглець , водень , летючу сірку і негорючі речовини – кисень, азот, золу. Летюча сірка складається з органічних і колчеданних сполук: . Органічні палива характеризуються робочою масою , сухою масою і горючою масою . Можна перерахувати склад палива з одної маси на іншу за допомогою відповідних коефіцієнтів.

Теплота спалювання , що виділяються в результаті спалювання 1 кг твердого (рідкого) палива чи 1 м³ газоподібного при перетворенні водяних парів, які містяться в продуктах згоряння, в рідину називається вищою теплотою згоряння. Нижча теплота – менше вищої на величину теплоти пароутворення вологи, що є в паливі чи такої, що утворюється в результаті згоряння водню палива.

Приблизно робоча нижча теплота згоряння твердого і рідкого палива в (кДж/кг) може бути визначена за допомогою елементарного складу палива по формулі Менделєєва:

.

Умовне паливо використовують для порівняльних розрахунків. Перерахунок дійсної кількості палива в умовне проводиться множенням кількості даного палива на його еквівалент . При порівняльних розрахунках користуються приведеною …… . Сірка – це дуже небажаний елемент палива. При її спалюванні утворюються окисли і , які викликають корозію елементів енергетичних установок і здійснює негативний вплив на навколишнє середовище. Рідкі штучні палива ділять на рідкі дистилятні, важкі дистилятні і залишкові палива.

Горіння палива супроводжується сумішоутворенням, дифузією, загорянням, теплообміном та іншими процесами, які протікають в умовах тісного взаємозв’язку. Тому організацію процесу горіння у спалювальних пристроях потребує не тільки властивостей палив і кінетики реакцій горіння, але й особливостей всіх фізичних процесів при горінні.

Розрізняють гомогенне і гетерогенне горіння. При гомогенному горінні тепло- і масообмін йдуть між речовинами, що знаходяться в однаковому агрегатному стані (зазвичай газоподібному). Гетерогенне горіння властиве рідкому і твердому паливам.

Розрахунок процесу горіння. При проектуванні спалювальних пристроїв необхідно визначити кількість потрібного для горіння палива окислювача і газоподібних продуктів згоряння. Дані для цих розрахунків можуть бути отримані в результаті аналізу елементарних реакцій горіння горючих елементів, які містяться в паливі. Горіння може бути повним і неповним. Повне горіння проходить при достатній кількості окислювача і завершується повним оксиленням горючих елементів палива. Продукти згоряння при цьому складаються з . При недостатній кількості окислювача відбувається неповне згоряння вуглецю з утворенням .

 

Коефіцієнт надлишку повітря — відношення повного об’єму повітря, що подається в камеру згоряння до теоретично-необхідного об’єму повітря для згоряння одного кілограму цього палива:

безрозмірна.

Для топок теплогенераторів: 1,05-1,5.

Для камери згоряння поршневих ДВЗ: (збіднена суміш).

Нижча теплота згоряння палива—кількість теплоти, що виділяється при згорянні одного кілограма твердого або рідкого палива, або одного метра кубічного газоподібного без урахування теплоти пароутворення. У будь-якому органічному паливі є вода або пара і деяка кількість теплоти, що виділяється при згорянні, йде фазову зміну води з рідкого в газоподібний стан.

Вища теплота згоряння палива—кількість теплоти, що виділяється при згорянні однієї маси або об’єму палива з урахуванням теплоти пароутворення.

Одним з найбільш дієвих засобів підвищення ефективності споживання палива є перехід до комплексних методів використання палива при обов’язковому комбінуванні процесу спалювання частини палива для виробництва теплової і електричної енергії з різними технологічними процесами.

Вторинні енергетичні ресурси – енергетичний потенціал продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, що утворюються в технологічних агрегатах (установках), який не використовується в самому агрегаті, але може бути частково чи повністю використаний для енергопостачання інших агрегатів.

 

 

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

 

1. Алабовский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача:Учеб. пособие. – К.:Выща шк., 1990. –255 с.

2. Швец И. Т., Толубинский В. И. и др. Теплотехника. Издательское объединение “Выща школа”, 1976, с. 520

3. Теплотехника: Учеб. для вузов/ А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскатова.– 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат,1991. – 224 с.

4. Теплотехника: Учебник для студентов вузов/ А.М. Архаров, С.И. Исаев, Кожинов И.А.и др.; Под. общ. ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.

5. Лариков Н.Н. Общая теплотехника. Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1975. – 559 с.

6. Задачник по технической термодинамике и теории тепломасообмена: Учеб. пособие для энергомашиностроит. спец. вузов / В.Н. Афанасьев, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под ред. В.И. Крутова и Г.Б. Петражицкого. – М.: Высш. шк., 1986. – 383 с.

7. Панкратов Г.П. Сборник задач по теплотехнике: Учеб. пособие для энергетич. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1986. – 248 с.

8. Приймак О.В. Основні теплотехнічні вимірювальні прилади. – Методичні вказівки, інструкція і контрольні запитання із лабораторної роботи №1. –ЛІІ, 1991

9. Приймак О.В. Залежність температури кипіння рідини від тиску. Методичні вказівки, інструкція і контрольні запитання із лабораторної роботи №2. –ЛІІ, 1992

10. Приймак О.В. Визначення показників адіабати К методом Клімана і Дезорма. – Методичні вказівки, інструкція і контрольні запитання із лабораторної роботи №3. –ЛІІ, 1992

11. Приймак О.В. Визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією від горизонтальної труби при вільному русі повітря. – Методичні вказівки, інструкція і контрольні запитання із лабораторної роботи № 4. – ЛІІ, 1993.

ДЛЯ НОТАТОК

\

ДЛЯ НОТАТОК

 

ДЛЯ НОТАТОК