Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»


НазваниеУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
страница8/14
Дата публикации29.03.2013
Размер1.72 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
userdocs.ru > Математика > Учебно-методический комплекс
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   14

Лекция №11. Теплопередача
1. Теплопередача через плоскую стенку
Передача теплоты из одной среды (горячей) к другой (холодной) через однослойную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной среде.

Рассмотрим теплопередачу через однослойную плоскую стенку (рис.2.3)

Имеется однородная плоская стенка с коэффициентом теплопроводности λ и толщиной δ. По одну сторону стенки находится горячая среда с температурой Тж1, по другую – холодная с температурой Тж2. Температура поверхностей стенки неизвестны, обозначим их буквами Тс1 и Тс2. Значение суммарного коэффициента теплоотдачи на горячей стороне равно α1, а на холодной – α2.


Рис.2.3

При заданных условиях необходимо найти тепловой поток q от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхности стенки Тс1 и Тс2.

Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, в котором теплота передается всеми способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При установившемся тепловом состоянии тепловые потоки q – от греющей жидкости к стенке, прошедший через стенку и, наконец, от стенки к нагреваемой жидкости – одинаковы.

^ Первое звено – перенос теплоты конвекцией от горячего теплоносителя к стенке. При этом плотность теплового потока от горячей жидкости к стенке определяется по уравнению Ньютона-Рихмана:
q= α1ж1с1) (11.1)
где α1- коэффициент теплоотдачи от горячей жидкости к стенке, учитывающий все виды теплообмена.

^ Второе звено – перенос теплоты теплопроводностью через стенку. При этом плотность теплового потока определяется по уравнению Фурье:
q=λстстc1с2) (11.2)
^ Третье звено – перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопроводностью и часто излучением. При этом плотность теплового потока определяется по формуле Ньютона-Рихмана:
q= α2с2ж2) (11.3)
Из уравнений (11.1), (11.2), (11.3) определяются частные температурные напоры, а именно:
ж1с1)=q/ α1;

c1с2)=q∙δ/λ; (11.4)

с2ж2)=q/ α2
cкладывая их, получаем полный температурный напор:
Тж1ж2=q(1/ α1+ δ/λ+1/ α2 (11.5)
из которого определяется значение теплового потока
q=1/(1/ α1+ δ/λ+1/ α2)( Тж1ж2)=K( Тж1ж2)= Тж1ж2/R (11.6)
и значение коэффициента теплопередачи
K=1/(1/α1+ δ/λ+1/α2) (11.7)
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи. Из (11.7) эта величина равна:
R=1/K=1/α1+ δ/λ+1/α2 (11.8)
Из этого соотношения следует, что общее термическое сопротивление равно сумме частных:

R=R α1+Rλ+R α2,
где Rα1=1/α1- частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя; Rλ=δ/λ – частное термическое сопротивление теплопроводности (стенки); Rα2= 1/α2 - частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя. Уравнение (11.6) является уравнением теплопередачи для однослойной плоской стенки.

Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность теплопередачи, Вт/(м2·К). Для определения К требуются предварительные определения α1 и α2, которые в большинстве случаев являются величинами сложными; они учитывают передачи теплоты конвекцией и излучением:

α = αконв+ αизл
Температуры Тс1 и Тс2 определяются после определения q по уравнению (11.4).

Для многослойной стенки состоящей из n слоев толщиной δ1, δ2…δn, коэффициенты теплопроводности которых соответственно равны λ1, λ2…λn, плотность теплового потока будет равна:
i=n

q= Тж1ж2/1/ α1+∑ δil+1/ α2=K(Тж1ж2)= Тж1ж2/R , (11.9)

i=1
где R – общее термическое сопротивление теплопередачи будет равно
i=n

1/К=R=1/ α1+∑ δil+1/ α2 (11.10)

i=1
^ 2.Теплопередача через цилиндрическую стенку.
Пусть имеется цилиндрическая трубчатая поверхность с внутренним диаметром d, внешним d2 и длиной l. Стенка трубы однородна; ее коэффициент теплопроводности равен λ. Внутри трубы горячая среда с температурой Тж1, а снаружи – холодная с температурой Тж2. Температуры поверхностей стенки неизвестны, обозначим их через Тс1 и Тс2 (рис.2.4)
Расчетная формула для определения плотности удельного теплового потока имеет следующий вид:
q1=π(Тж1ж2)/[1/α1d1+1/2λ(lnd2/d1)+1/α2d2]=K1∙π(Тж1ж2) (11.11)

Рис.2.4

Величина Kl называется линейным коэффициентом теплопередачи.

Из уравнения (11.11) получаем
K1=1/α1d1+1/2λ(lnd2/d1)+1/α2d2 (11.12)
Величина обратная Kl, называется общим линейным термическим сопротивлением теплопередачи и равна сумме внешних термических сопротивлений теплопередачи 1/(α1d1) и 1/(d2d2) и внутреннего термического сопротивления теплопроводности стенки 1/[2λln(d2/d1)], т.е.
R1=1/K1=1/[α1d1+1/2λ(lnd2/d1)+ 1/α2d2] (11.13)

Для многослойной цилиндрической стенки, имеющей n слоев,
i=n

K1=1/[α1d1+∑ 1/2λl(lndi+1)/di+ 1/α2dn+1] (11.14)

i=1
^ 3. Интенсификация теплопередачи
Для интенсификации процесса теплоты через стенку согласно формуле (11.6) нужно либо увеличить перепад температуры ∆T= Тж1ж2, либо уменьшить термическое сопротивление теплопередачи R. Температуры теплоносителей обусловлены требованиями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не удается. Термическое сопротивление теплопередачи R можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки δ и увеличения коэффициента теплопроводности материала λ; теплоотдача соприкосновением может быть интенсифицирована путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения; при тепловом излучении – путем повышения черноты E и температуры излучающей поверхности, т.е. воздействуя на любую из составляющих Rα1, Rλ, Rα2. В широко используемом в технике процессе передачи теплоты от капельной жидкости к газу через металлическую стенку наибольшее термическое сопротивление имеет место в процессе теплоотдачи от стенки к газу Rα2, а остальные термические сопротивления Rα1 и Rλ пренебрежимо малы по сравнению с ним. В таких случаях для интенсификации теплопередачи очень часто оребряют ту поверхность стенки (рис.2.5), теплоотдача от которой менее интенсивна. За счет увеличения площади F2 оребренной поверхности стенки термическое сопротивление теплоотдачи с этой стороны стенки Rα2=1/α2 F2 уменьшается и соответственно уменьшается значение R. Отсюда следует, что коэффициент теплоотдачи мал, то внешнее термическое сопротивление можно уменьшить путем увеличения соответствующей площади поверхности. Такой же результат можно получить и для цилиндрической плоской стенки, если одну из площадей увеличить за счет оребрения. При этом термические сопротивления станут пропорциональны величинами 1/(α1F1) и 1/( α2 F1).

Рис.2.5
Аналогичного результата можно было бы достигнуть, увеличив α2, но для этого обычно требуются дополнительные затраты мощности (энергии) на увеличение скорости течения теплоносителя.

Основная литература: 1[Гл.12,§§12.1-12.4,стр.97-102], 5[Гл.21,§§21.1-21.4, стр.219-225].

Дополнительная литература: 14[Гл.21,§§24.1-24.2,стр.326-331;§24.5,§24.6,стр.333-335].

Контрольные вопросы:

1. Каким общим уравнением описывается передача теплоты через стенку?

2. Описать передачу теплоту через стенку.

3. Уравнение теплопередачи через плоскую и цилиндрическую стенку; дать определение.

4. Уравнение общего термического сопротивления теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку.

5. Чем отличается теплопередача от теплоотдачи?

6. В каких случаях и за счет чего можно интенсифицировать теплопередачу?

7. Что такое сложный теплообмен?

8. Что называется коэффициентом теплопередачи?

9. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку; вывод уравнения.

10. Для чего и с какой стороны оребряют стенки?

Лекция №12. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов
Конспект лекции
^ 1. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты – это устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды (жидкости или газа) к другой. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используют разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур: водяной пар, горячая вода, продукты горения топлива, масло, различные растворы солей и смесей жидкости и др. К теплообменным аппаратам относятся паровые котлы, печи, водо и воздухоподогреватели, конденсаторы, радиаторы и др.

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регегенеративные и смесительные. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

Теплообменники широко применяют в различных промышленных технологических процессах, в отопительных системах, в двигателях внутреннего и внешнего сгорания и их системах в качестве охладителя наддувочного воздуха в поршневых двигателях с наддувом, радиатора в системе охлаждения и смазочной системе, охладителя и нагревателя в газотурбинных двигателях, экономайзера, пароперегревателя, конденсатора, подогревателя в паросиловых установках, а также в других целях.

Рекуперативными аппаратами называются теплообменники у которых передача тепла от одного теплоносителя (горячего) к другому (холодному) осуществляется через разделяющую их твердую стенку. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, бойлеры и т.п.

Регенеративными аппаратами называют такие, в которых одна и та же поверхность нагрева то обогревается, то охлаждается теплоносителями. При этом горячий теплоноситель отдает свою теплоту твердому телу (аккумилирующему устройству), которое в свою очередь периодически отдает теплоту второму теплоносителю (холодному). Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских, стеклоплавильных и доменных печей, воздухоподогреватели доменных печей и газотурбинных установок.

В смесительных теплообменниках теплота передается от горячего теплоносителя к холодному при их непосредственном соприкосновении и смешении. Примерами могут служить градирня, скруббер, смесительный конденсатор.

Наибольшее распространение в технике получили рекуперативные теплообменники.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам (рис.2.6, а, б, в): прямоток, противоток и перекрестный ток.




а) б)



в)
Рис.2.6

Прямоток (рис.2.6, а) – движение двух теплоносителей (горячий и холодный) в теплообменном аппарате параллельно друг другу в одном и том же направлении.

Противоток (рис.2.6, б) – движение двух теплоносителей в теплообменном аппарате параллельно друг другу в противоположных направлениях.

^ Перекрестный ток (рис.2.6, в) – движение двух теплоносителей в теплообменном аппарате во взаимно перпендикулярных направлениях.

Кроме таких простых схем движения на практике осуществляются и сложные схемы движения, включающие все три схемы движения: например, одновременно прямоток и противоток (рис.2.7, а); многократно перекрестный ток (рис.2.7, б)
а)



б)
Рис.2.7
^ 2. Основные положения теплового расчета теплообменных аппаратов
При проектировании новых тепловых аппаратов тепловой расчет теплообменного аппарата может быть конструкторским, целью которого является определение площади поверхности теплообмена F(м2), и поверочным, при котором устанавливается режим работы аппарата, определяются конечные температуры теплоносителей Т2гор, Т2хол и количество переданного тепла ф. В обоих случаях основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса:

^ Уравнение теплопередачи
ф=К∙F(Тгх)=K∙F∙∆T(ариф.логар), (12.1)
и уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов
фхг+∆ф, (12.2)
пренебрегая ∆ф, запишем уравнение (12.2) в виде
ф=фхг=mх∆hх=mг∆hг=VхρхСрх2х1х)= VгρгСрг1г2г), (12.3)
где ф - тепловой поток, Вт; К – средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F – площадь поверхности теплообмена в аппарате, м2; Tг и Tх – соответственно средние температуры горячего и холодного теплоносителей по всей поверхности теплообмена; Т1г и Т2г - соответственно средние по сечению температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата; Т1х и Т2х - соответственно средние по сечению температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из аппарата; Срх и Срг - средние удельные массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от Т1г , Т1х до Т2г, Т2х, ∆hг и ∆hх - изменение удельной энтальпии горячего и холодного теплоносителей в аппарате, Дж/кг; Vхρ и Vгρг - массовые расходы теплоносителей, кг/с.

Величину произведения

_ _

VρCр=mCр=W, Вт/К, (12.4)
называют водяным (или условным) эквивалентом. Тогда с учетом (12.4) уравнение теплового баланса (12.3) может быть представлено в следующем виде:
Т2х1х1г2г=Wг/Wх, (12.5)
где Wг, Wх - условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

Соотношение между величинами условных эквивалентов (12.5) горячего и холодного теплоносителей определяет наклон температурных кривых на графиках изменения температуры. Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения (прямоток или противоток) и соотношения величин Wг и Wх. Если по оси абсцисс откладывать площади поверхности аппарата F(м2), а по оси ординат – значения температур Т в различных точках поверхности, то для аппаратов с прямотоком (рис.2.8, а) и противотоком (рис.2.8, б) можно дать характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева в зависимости от схемы их движения и соотношения величин Wг и Wх.
а) б)


Рис.2.8
Как видно из рис.2.8,а, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя, т.е. Т2х< Т2г. При противотоке (рис.2.8, б) конечная температура холодного теплоносителя может быть значительно выше конечной температуры горячего теплоносителя, т.е. Т2х< Т2г. В соответствии с уравнением (2.4.5) на графиках больше изменение температуры ∆Т получается для той жидкости, у которой значение величины W меньше. Таким, образом, при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между теплоносителями, или температурный напор ∆Т=Тгх. Например, температурный напор ∆Т вдоль поверхности при прямотоке изменяется сильнее чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение температурного напора при противотоке больше, чем при прямотоке, т.е. ∆Тпрот>∆Т прям за счет только этого фактора при противотоке теплообменник получается компактнее [см.уравнение (12.1)].
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   14

Похожие:

Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconПрограмма курса (syllabus) по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
Алиным Ж. К. на основании типовой программы по «Термодинамика и теплотехника» для высших профессиональных образований (бакалавриатов)...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Основы...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы экологического нормирования и экспертиза» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины по дисциплине «Теория государства и права»
Учебно-методический комплекс дисциплины разработан на основании государственного образовательного стандарта и типовой учебной программы...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины правоведение (право) По направлению
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой Теории и истории государства и права
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Всеобщая история: новейшая...
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины речевая коммуникация...
Учебно-методический комплекс одобрен методической комиссией факультета социального управления
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины «Имиджелогия» По...
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой менеджмента. Протокол от 12 марта 2007 г. №8
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины детская нейропсихология специальность...
Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница