Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника. Учебное пособие
.pdf
101
Глава одиннадцатая
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
11.1. Сложный теплообмен
Разделение процесса переноса теплоты на теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением
удобно для его изучения. В действительности встречается
сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя
или тремя вышеуказанными способами одновременно.
Типичным примером сложного теплообмена является теплообмен между стенкой и омывающим ее газом: конвективный
теплообмен между движущимся газом и стенкой, теплопроводность внутри стенки и потока газа, излучение и поглощение
энергии поверхностью.
В связи с этим коэффициент теплоотдачи при сложном
теплообмене представляет собой сумму коэффициентов конвективного к и лучистого л теплообмена:
= к + л. (11.1)
Если стенка омывается жидкостью (например, водой), то
= 0 и = к..
л
В теплотехнической практике часто тепловой поток от одного теплоносителя (газ, жидкость) к другому передается через
разделяющую их твердую стенку. Такой процесс называется
теплопередачей. Он является частным случаем сложного теп-
лообмена и включает три этапа: конвективный теплообмен
между нагретым теплоносителем (жидкость или газ) и, допустим, левой поверхностью стенки, теплопроводность через
стенку и вновь конвективный теплообмен от правой поверхности стенки к нагреваемому (холодному) теплоносителю. При
этом в условиях установившегося (стационарного) режима
сложного теплообмена тепловой поток в каждом из этапов один
и тот же. Формулы для расчета теплопередачи зависят от формы
102
стенки (плоская, цилиндрическая и т.п.), разделяющей теплоносители.
11.2. Теплопередача через плоскую стенку
при граничных условиях третьего рода
Часто приходится рассчитывать стационарный процесс
переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку (рис. 11.1). Этот процесс называется тепло-
передачей. Он объединяет все рассмотренные ранее элементар-
ные процессы. Вначале теплота передается от горячего теплоносителя t
теплообмена. Интенсивность процесса теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи 1.
к одной из поверхностей стенки путем конвективного
ж1
Рис. 11.1. Схема теплопередачи
через плоскую однослойную стенку
Затем теплота теплопроводностью переносится от одной
поверхности стенки к другой. Термическое сопротивление теплопроводности Rλ рассчитывается по формулам в зависимости
от вида стенки. И наконец, теплота опять путем конвективного
теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи 2,
передается от поверхности стенки к холодной жидкости.
103
.
/1//1 21
21
жжtt
21
1
/1//1
При стационарном режиме тепловой поток Q во всех трех
процессах одинаков, а перепад температур между горячей и холодной жидкостями складывается из трех составляющих. Если
считать тепловой поток отнесенным к 1 м2 площади стенки, то
можно записать систему уравнений:
q = 1(tж1 – tс1);
q = / (tc1 – tc2); (11.2)
q = 2 (t
Каждое из этих уравнений представим в виде:
q (1/1) = tж1 – tс1;
q (/) = tc1 – tc2; (11.3)
q (1/2) = t
Сложив, получим расчетную формулу для плотности теплового потока:
– tж2).
c2
– tж2.
c2
q =
(11.4)
Последнее выражение можно переписать следующим образом:
q = к (tж1 – tж2), (10.5)
где к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К), есть количество
теплоты, переданного в единицу времени через единичную
поверхность стенки от одной среды к другой при разности
их температур в один градус:
к =
(11.6)
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи к,
называется термическим сопротивлением теплопередачи и
равна сумме термических сопротивлений теплоотдачи 1/1, 1/2
104
и термического сопротивления теплопроводности /:
R = 1/к = 1/1 + 1/2 + /. (11.7)
Если плоская стенка состоит из нескольких слоев, каждый
из которых однороден и плотно прилегает к другому (т.е. отсутствует термическое сопротивление контакта), то общее термическое сопротивление многослойной стенки будет равно:
где i, i – соответственно толщина каждого из слоев много-
слойной стенки и коэффициенты теплопроводности материала каждого слоя.
Удельный тепловой поток для этого случая подсчитывается по формуле
11.3. Теплопередача через цилиндрическую стенку
при граничных условиях третьего рода
На практике наиболее распространенным элементом теп-
лообменных устройств является труба (рис. 11.2).
Пусть цилиндрическая стенка изнутри омывается горячим
теплоносителем с температурой tж1, коэффициент теплоотдачи
от горячей жидкости к внутренней стенке – 1. С наружной стороны труба омывается холодным (нагреваемым) теплоносителем с температурой tж2, коэффициент теплоотдачи от наружной
стенки к холодному теплоносителю – 2. Коэффициент теплопроводности материала стенки – , внутренний диаметр трубы –
d1, наружный – d2.
При стационарном тепловом режиме линейная плотность
теплового потока равна:
105
221
2
11
1
ln
2
111
dd
d
dk
R
l
l
Решая это уравнение, получим:
Или уравнение (11.11) можно записать в следующем виде:
(11.12)
В последнем выражении величина
называется линейным коэффициентом теплопередачи, кото-
рый показывает количество теплоты, проходящей через цилиндрическую стенку длинной 1 м в течение 1 с при разности температур теплоносителей 1 К. Величина
(11.14)
называется линейным термическим сопротивлением теплопередачи.
Для многослойной цилиндрической стенки (рис. 11.2) ли-
нейный коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле
стенки равно:
Линейное термическое сопротивление для многослойной
106
Рис. 11.2. Схема теплопередачи через цилиндрическую стенку
При d2/d1 > 1,7 тепловой поток определяется как для
плоской стенки, т.е. кривизной поверхности можно пренебречь.
Поверхности теплопередачи трубчатых теплообменных элементов, тепловая изоляция труб большого диаметра и т.д. рассчитываются именно так.
11.4. Интенсификация теплопередачи.
Тепловая изоляция
При решении практических задач теплопередачи требуется либо повысить интенсивность переноса теплоты от греющей
среды к нагреваемой, либо, наоборот, затормозить этот процесс.
Интенсификация переноса теплоты возможна путем увеличения
перепада температур между теплоносителями (tж1 – tж2) или путем уменьшения термического сопротивления R теплопередачи
107
воздействием на любую из составляющих, от которых он зависит: 1/1; 1/2, /.
Термическое сопротивление стенки можно уменьшить,
уменьшив ее толщину (что связано с надежностью стенки) или
увеличив коэффициент теплопроводности материала; при эксплуатации очень важно не допускать отложения на поверхностях сажи и накипи. Даже незначительная толщина этих отложений, имеющих низкие коэффициенты теплопроводности, создает большое термическое сопротивление (слой накипи в 1 мм
толщиной создает термическое сопротивление, равное сопротивлению стальной стенки толщиной 40 мм, а 1 мм сажи создает
сопротивление, эквивалентное толщине стальной стенки 400
мм). Поэтому при эксплуатации котельных установок и теплообменных устройств необходимо предохранять их от всякого
рода отложений. Это является одной из первоочередных задач
обслуживающего персонала.
Увеличить коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 можно более интенсивным перемешиванием жидкости, увеличением скорости течения теплоносителей.
Также для интенсификации теплопередачи очень часто
оребряют ту поверхность стенки, теплоотдача которой менее
интенсивна. За счет увеличения площади оребренной поверхности стенки термическое сопротивление теплоотдачи с этой стороны стенки уменьшается, и соответственно уменьшаются значения термических сопротивлений теплоотдачи термического
сопротивления теплопроводности.
Ребра, имеющие форму пластин, стержней или любую
другую, одним концом плотно прикрепляют к теплоотдающей
поверхности с помощью сварки, пайки или изготовляют как целое со стенкой. Ребристыми выполняют радиаторы отопления,
корпуса двигателей и редукторов и т.д.
Термическое сопротивление теплоотдачи со стороны холодной жидкости R2 за счет оребрения поверхности уменьшается пропорционально коэффициенту оребрения (отношению
площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности до ее оребрения) К
му соотношению Rор = 1/(2 Fор), но только в том случае, когда
о р
= F
/ Fгл и рассчитывается по обычно-
ор
108
p
l
,
2 p
p
pp
p
р
F
l
R
S
l
R
термическое сопротивление теплопроводности самих ребер значительно меньше термического сопротивления теплоотдачи от
них:
(11.15)
где
ности ребер температура по мере удаления от основания ребра
приближается к температуре теплоносителя и концы работают
неэффективно.
тепловыми сетями необходимо, наоборот, увеличить термическое сопротивление R. На практике эта задача решается путем
нанесения на поверхность теплообмена слоя материала с низким
коэффициентом теплопроводности , называемого теплоизолятором. Обычно к теплоизоляторам относят материалы, коэффициент теплопроводности которых не превышает 0,2 Вт/(мК).
рошковой или пористой основы, заполненной воздухом. Воздух,
имеющий низкий коэффициент теплопроводности, создает высокое термическое сопротивление, а основа препятствует возникновению конвекции и переносу теплоты излучением. При
этом основа в плотном состоянии часто имеет достаточно высокое значение – до 1,0 Вт/(м· К), и, естественно, с увеличением
плотности набивки минеральной ваты, асбеста или другого теплоизолирующего материала теплопроводность возрастает.
ет также с увеличением температуры, что связано с ростом теплопроводности воздуха и увеличением теплопереноса путем излучения.
лоизоляторов получили искусственно вспученные материалы из
застывшей пены: пенопласты, пенобетоны и т.п. Они обладают
– длина ребра;
Sp – площадь поперечного сечения ребра;
Fp – площадь поверхности ребра.
При большом термическом сопротивлении теплопровод-
Для снижения потерь теплоты сооружениями, агрегатами,
Теплоизоляторы, как правило, состоят из волокнистой по-
Коэффициент теплопроводности теплоизоляции возраста-
В настоящее время широкое применение в качестве теп-
109
высокими теплоизоляционными свойствами из-за значительной
пористости. Рассмотренные теплоизоляционные материалы
имеют коэффициент теплопроводности выше, чем у заполняющего поры воздуха. Лучшими свойствами обладают вакуумнопорошковые теплоизоляционные материалы, в порах которых
создается вакуум, а уменьшение переноса теплоты излучением
обеспечивается слоями фольги с малой степенью черноты, которые выполняют роль экранов.
Расчет теплоизоляции проводят по формулам теплопередач, которые приведены выше. При этом величина допустимых
теплопотерь, как правило, известна, а в результате расчета находят толщину слоя тепловой изоляции .
110
Глава двенадцатая
ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
12.1. Типы теплообменных аппаратов
Теплообменными аппаратами (теплообменниками)
называются устройства, предназначенные для нагревания или
охлаждения теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит
за счет охлаждения другого.
В качестве теплоносителей в теплообменниках используют
водяной пар, горячую воду, воздух, дымовые газы и другие тела.
Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости
от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на поверхностные и аппараты смешения.
В аппаратах смешения происходит непосредственное
перемешивание нагретого и холодного теплоносителей. При
этом невозможно определить площадь поверхности теплообмена. Примером может служить смесительный конденсатор.
В поверхностных аппаратах перенос теплоты происходит через поверхность раздела сред, которая может быть выполнена из инородного материала. Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные, контактные и регенеративные.
В контактных аппаратах теплота переносится от одной
среды к другой при непосредственном взаимодействии (оросительные камеры, градирни).
В рекуперативных теплообменниках передача теплоты
происходит от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку. Примерами могут служить парогенератор,
конденсатор турбины, бойлер.
В регенеративных теплообменниках одна и та же поверх-
ность тела попеременно омывается то горячим, то холодным
теплоносителем. Обычно внутри этих аппаратов помещают
насадку, которая может служить аккумулятором теплоты. По-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]