Контрольные вопросы
1. При каких условиях возникают процессы кипения и конденсации жидкости?
2. Объясните зависимость температуры кипения жидкости от расстояния до горячей стенки.
3. Как влияет
температурный напор
на величины коэффициента теплоотдачи
и плотности теплового потока при кипении
жидкости?
4. Где образуются пузырьки пара?
5. Какое кипение называется пузырьковым и плёночным?
6. Какой момент кипения называется критическим?
7. Какой режим кипения необходимо поддерживать для эффективной и надёжной работы теплообменных испарительных устройств?
8. Какие уравнения рекомендуются для определения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости?
9. Какие различают виды конденсации?
10. Что такое капельная и плёночная конденсация пара?
11. В чём причина капельной конденсации?
12. Чем обусловлен процесс пленочной конденсации пара?
13. Охарактеризуйте схему плёночной конденсации пара вертикальной поверхности.
14. От чего зависит величина коэффициента теплоотдачи при конденсации?
15. Какие критерии подобия характеризуют процесс теплообмена при конденсации?
16. Написать уравнение теплоотдачи для вертикальной и горизонтальной стенки.
17. Написать уравнение подобия для теплообмена при конденсации.
18. Как определяется масса образовавшегося конденсата?
19. Как влияет направление движения жидкости пара на теплоотдачу?
20. Как влияет на теплоотдачу состояние поверхности?
21. Как влияют примеси газа на теплоотдачу при конденсации?
22. Как влияет на теплоотдачу расположение поверхностей теплообмена в конденсаторе?
7. Теплопередача
7.1. Теплопередача через плоскую однослойную и многослойную стенки
Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через однослойную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей.
Примерами теплопередачи могут служить: передача теплоты от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных приборов центрального отопления, передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах, передача теплоты от конденсирующегося пара к воде через стенки труб конденсатора, передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания и. т. д. Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материала с высокой теплопроводностью.
В других случаях, когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка должна быть изолятором и изготавливаться из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.
Стенки встречаются самой разнообразной формы: в виде плоских или ребристых листов, в виде пучка цилиндрических, ребристых или игольчатых труб, в виде шаровых поверхностей и т. д.
Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, в котором теплота передается всеми способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Действительно, при наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев (рис. 7.1). Первое звено — перенос теплоты конвекцией от горячего теплоносителя к стенке. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и часто — лучеиспусканием. Второе звено — перенос теплоты теплопроводностью через стенку, При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах. Третье звено — перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопроводностью и часто излучением.
Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередачи характеризуется граничными условиями III рода, которые задаются значением температур жидкостей с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи α1 и α2.
Рис. 7.1. Схема теплопередачи через плоскую стенку
Количество теплоты, переданной горячим теплоносителем стенке путем конвективного теплообмена, определяется по уравнению Ньютона - Рихмана:
(7.1)
где
—
коэффициент теплоотдачи от горячего
теплоносителя с постоянной температурой
t1
к поверхности стенки, учитывающий все
виды теплообмена; F
— расчетная поверхность плоской стенки,
м2.
Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется по уравнению
(7.2)
Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю, определяется по той же формуле конвективного теплообмена Ньютона—Рихмана:
(7.3)
,
где
—
коэффициент теплоотдачи от второй
поверхности стенки к холодному
теплоносителю с постоянной температурой
t2.
Величины Q в уравнениях (7.1), (7.2) и (7.3) одинаковы. Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном режиме, столько же она и отдает.
Решая три уравнения переноса теплоты относительно разностей температур, имеем:
+
Складывая почленно полученные равенства, получим
(7.4)
или плотность теплового потока равна
(7.5)
В уравнениях (7.4)
и (7.5) величина
обозначается буквой К, имеет размерность
Вт/(м2
.
К) и называется коэффициентом
теплопередачи:
(7.6)
Тогда
или
(7.7)
Числовое значение коэффициента теплопередачи выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.
Полученное уравнение (7.7) называют уравнением теплопередачи.
Для определения
К требуется предварительное определение
и
,
которые в большинстве случаев являются
величинами сложными; они учитывают
передачу теплоты конвекцией и излучением:
Значение К всегда
меньше наименьшего
.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи,
(7.8)
называется общим
сопротивлением теплопередачи
через однослойную плоскую стенку. Эта
величина имеет размерность (м2.К)
/Вт. Здесь
и
– сопротивления
теплоотдачи;
— термическое
сопротивление стенки.
В случае передачи теплоты через многослойную плоскую стенку в знаменателе формул (7.4) и (7.5) нужно подставить сумму термических сопротивлений всех слоев:
(7.9)
Коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку равен
(7.10)
Общее термическое сопротивление через многослойную плоскую стенку
(7.11)
Температуры на поверхностях плоской стенки определяем из следующих уравнений:
(7.12)
При известных и К температуры поверхностей плоской стенки можно найти из формул:
,
,
(7.13)
