Термодинамика-621.Т35

где σ0 = 5,67·10−8 Вт/(м2·K4) – постоянная излучения абсолютно черного тела. Для технических расчетов используют формулу в более удобной фор-

ме:

где с0 = 5,67 Вт/(м2·K4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела. Реальные тела излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно

черное тело при той же температуре. Для таких тел будут иметь место отдельные полосы излучения энергии в определенных интервалах длин волн, следовательно, интегральная энергия излучения будет меньше (рис. 5.8).

В практических расчетах используют понятия серого тела и серого излучения. При этом под серым излучением понимают такое излучение, которое, как и черное, имеет волны всех длин, т. е. как бы сплошной спектр, но интенсивность излучения каждой волны меньше, чем у абсолютно черного тела. Площадь под пунктирной линией из рис. 5.8 должна быть равновеликой суммарной площади полос излучения реального тела. Таким образом, закон изменения интенсивности серого излучения получается такой же, как и для абсолютно черного излучения, поэтому можно записать:

где с – коэффициент излучения серого тела.

Этот коэффициент можно определить, основываясь на законе Кирхгофа, который гласит: отношение излучательной способности к поглощательной для всех тел величина постоянная, равная излучательной способности абсолютно черного тела, т. е.

А0 = 1.

Отношение А / А0 = А = ε называется степенью черноты серого тела.

Для двух неограниченных параллельных плоскостей φ12 = φ21 = 1, и формула (5.69) приобретает вид уравнения (5.65). Если меньшая выпуклая поверхность F1 охватывается большей F2, то

Значения угловых коэффициентов излучения φ12 и φ21, а также взаимной излучающей поверхности Н выбираются для различных конкретных случаев из справочной литературы.

Добиться уменьшения передачи лучистой энергии между излучающими поверхностями можно установкой экранов. Если установлено n экранов и ε1 = ε2 = εэ, то количество передаваемой энергии уменьшается в (n + 1) раз.

Излучение газообразных тел имеет существенные особенности по сравнению с твердыми. Одно- и двухатомные газы практически не излучают и не поглощают лучистую энергию, они считаются прозрачными для тепловых лучей. Трехатомные и многоатомные газы обладают поглощательной и излучательной способностью, но спектр их излучения носит избирательный (спектральный) характер и изображается в виде полос в определенных интервалах длин волн. Энергия лучей, находящихся в этих интервалах, при прохождении через слой данного газа частично или полностью поглощается в зависимости от толщины слоя. Лучи с другими длинами волн проходят через газ беспрепятственно. Газы излучают и поглощают энергию всем объемом. Количество лучистой энергии может быть оценено по формуле:

Степень черноты газа εг зависит от температуры, толщины газового слоя и парциального давления газа. При взаимодействии потока излучения со стенками ограждений, имеющих степень черноты εс, количество передаваемого тепла определяется из уравнения:

где εс′ – эффективная степень черноты.

Вреальных условиях наблюдается сложный теплообмен между газами

истенкой, когда тепло передается одновременно конвекцией и излучением,

q = qк + qл. Расчетная формула в этом случае может быть сведена к виду:

где αл – коэффициент теплоотдачи излучением,

Следует отметить, что при высокой температуре αл > αк, т. е. большая часть тепла передается излучением. Если же температура газов меньше 400 °С, то радиационной составляющей в переносе тепла от газов к стенке можно пренебречь.

Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. Тела, отдающие или воспринимающие тепло, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей принимаются различные газообразные и жидкие вещества. Большое распространение как греющий теплоноситель получил водяной пар. Его отличают высокие интенсивность теплоотдачи и теплосодержание, постоянство температуры при конденсации, хорошая транспортабельность. Однако использование водяного пара целесообразно лишь в технологиях с умеренными температурами (на уровне 150 °С), так как дальнейшее повышение температуры связано со значительным ростом давления пара, что приводит к утяжелению и удорожанию аппарата.

Горячая вода широко используется в отопительных и вентиляционных системах. Она обладает теми же достоинствами, что и водяной пар, но подключение технологических теплообменных аппаратов к тепловым сетям

практикуется редко, поскольку температура воды не постоянна, а в летнее время сети вообще отключаются.

Преимуществом топочных газов как теплоносителя является возможность достижения высокой температуры при давлении, близком к атмосферному. Недостатки – низкий коэффициент теплоотдачи от газов к стенке и связанная с этим громоздкость теплообменников, нетранспортабельность газов, что обусловливает их использование на месте получения. Кроме газов для высокотемпературного нагрева применяют минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми стенками, образующими поверхность нагрева. В смесительных теплообменниках происходит непосредственное соприкосновение теплоносителей. По конструкции они проще, и в них полнее используется потенциал передаваемого тепла, поэтому их применение предпочтительнее во всех случаях, когда допускается смешение теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты делятся на регенеративные и рекуперативные. В рекуперативных аппаратах теплообмен происходит через разделительную стенку, причем тепловой поток сохраняет постоянное направление. Если же два теплоносителя с различной температурой попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева (насадкой), то такой аппарат называют регенеративным. Насадка при омывании горячим теплоносителем нагревается, аккумулируя тепло; затем через насадку пропускают нагреваемую среду, которая воспринимает это тепло. Тепловой поток за полный цикл теплообмена изменяет направление на противоположное. Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия. Возможно осуществление и непрерывной работы с перемещением насадки в рассечке горячего и холодного потоков. Примером может служить регенератор Юнгстрема с вращающейся насадкой, используемый иногда в качестве воздухонагревателей котлоагрегатов.

Наибольшее распространение имеют рекуперативные теплообменные аппараты различной конструкции: кожухотрубчатые, секционные, спиральные пластинчатые, змеевиковые и др. Они обеспечивают широкий спектр теплоиспользования в энергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве в качестве испарителей, подогревателей, конденсаторов, калориферов, отопительных приборов и т. д.

Независимо от устройства и принципа работы теплообменные аппараты должны обеспечивать высокую надежность при длительной эксплуатации, возможность очистки внутренних поверхностей, высокий коэффициент теплоотдачи, технологичность конструкции, приемлемый уровень металлоемкости, возможность транспортирования к месту установки, удобство обслуживания и ремонта, удовлетворение требованиям охраны труда.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов разделяют на два вида: конструктивный и поверочный. Задачей конструктивного расчета, который выполняется при разработке нового аппарата, является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданного теплового потока. При поверочном расчете определяют конечную температуру сред и тепловую производительность для определенного аппарата, конструкция и площадь поверхности которого известны.

Гидромеханический расчет ставит целью определение гидравлических сопротивлений и мощностей, необходимых для перемещения рабочих сред в аппарате.

В основе теплового расчета аппарата лежат два основных уравнения: теплового баланса и теплопередачи.

Уравнение теплового баланса в общем случае имеет вид:

фициент, учитывающий потери тепла аппарата в окружающую среду; М – массовый расход теплоносителя, кг/с; c – теплоемкость среды, Дж/(кг×К); индексы «1» и «2» соответствуют греющему и нагреваемому теплоносителям; h1′, h′2 , t1′, t′2 - энтальпия, Дж/кг, и температура теплоносителей, K, на входе в

tм

где Dtб и Dtм – большая и меньшая разность температур на концах теплообменника.

При изменении фазового состояния одного из теплоносителей его температура не изменяется и направление движения сред не оказывает влияния на величину Dt.

В теплообменниках с однофазными средами преимущество имеет противоток, так как в этом случае температурный напор больше. Следовательно, аппарат при противоточном включении теплоносителей имеет большую теплопроизводительность, чем при прямоточном.

Другим преимуществом противотока является более высокий предел использования потенциала греющего теплоносителя. В прямоточной схеме он определяется температурой t1², а в противоточной – t 1¢. Эти достоинства противотока предопределяют предпочтительное его применение по сравнению с прямотоком.

Следует отметить, что на расчетное значение поверхности теплообмена влияет не только Dt, но и коэффициент теплоотдачи, поэтому для его увеличения используют более сложные схемы движения теплоносителей, например перекрестный или параллельно-смешанный ток. В этих случаях Dt определяется, как для противотока, но с поправками, которые находятся из графиков.

Когда температура рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднее арифметическое из крайних напоров Dt¢ и Dt²:

Среднеарифметическое значение температурного напора всегда больше среднелогарифмического, но при Dt² / Dt¢ > 0,6 они отличаются друг от друга меньше чем на 3 %. Такая погрешность в технических расчетах вполне допустима. При равенстве Dt¢ и Dt² температурный напор Dt принимается равным одной из этих разностей.

Библиографический список

1.Кириллин В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2.Зубарев В. Н. Практикум но технической термодинамике: Учеб. пособие / В. Н. Зубарев, А. А. Александров, В. С. Охотин. М.: Энергоатомиздат, 1986.

3.Александров А. А. Таблицы теплотехнических свойств воды и водяного пара / А. А. Александров, Б. А. Григорьев. М.: Энергоатомиз-

дат, 2004.

4.Ривкин С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. М.: Энергоатомиздат,

1984.

5.Теплотехника: Учебник / А. М. Архаров, С. И. Исаев и др.; Под общ. ред. В. И. Крутова. М.: Машиностроение, 1986.

6.Исаченко В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. А. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981.

7.Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. М.: Энергия, 1975. Т. 1, 2.