Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные проблемы теплогазоснабжения населенных мест и предприятий. Учебное пособие (курс лекций)
.pdf
111
В случае, если
(
)
(
)
()(
)
-×+-×=+
=
a
a
()(
)
(
)
(
)
qq >
, то с достаточной точностью можно
лк
вычислить тепловой поток при излучении по формуле:
a
ТТq -×=
, (2.190)
стглл
но так как тепловой поток при конвективном теплообмене равен:
a
ТТq -×=
, (2.191)
стгкк
то
aa
ТТТТqqq
, (2.192)
стглстгклк
ТТq -+=
. (2.193)
стглк
2.2.4. Сложный теплообмен – теплопередача
Сложный теплообмен или теплопередача наиболее часто встречающийся и практически важный случай передачи тепла от одной
жидкости или газа к другой через разделяющую их стенку. При
этом могут иметь место все виды переноса тепла (конвекция, теплопроводность, излучение).
При теплопередаче процесс переноса тепла протекает в 3 этапа:
– на 1-м этапе тепло передается за счет конвективного теплообмена и излучения от первого теплоносителя к стенке;
– на 2-м этапе тепло передается за счет теплопроводности через твердую стенку (одно- или многослойную);
– на 3-м этапе тепло передается за счет конвективного теплообмена и излучения ко второму теплоносителю.
Количество переданного тепла в единицу времени при теплопередаче через стенку определяется по уравнению теплопередачи:
ttFkQ -×=
, Вт.(2.194)
21
Удельный тепловой поток при теплопередаче равен:
ttkq -=
Вт
,
21
, (2.195)
2
м
где k – коэффициент теплопередачи, определяемый в зависимо-
сти от условий протекания процесса,
.
42
КмВт×
Величина k определяется по основным характеристикам про-
цесса переноса тепла на отдельных этапах передачи для каждого
вида теплопередачи отдельно.
Рассмотрим теплопередачу для наиболее распространенных на
практике случаев.
112
Теплопередача через плоские стенки
(
)
(
)
Однослойная плоская стенка
Рассмотрим процесс теплопередачи через твердую плоскую
стенку от теплоносителя 1 к теплоносителю 2 (рисунок 2.13). Температура теплоносителей t1 и t2, температура на поверхностях
стенки t
процесса теплоотдачи обоих теплоносителей, коэффициенты
a
учитывают суммарную теплоотдачу конвекцией и излучением.
2
ст1
и t
, характеристики стенки l и d, характеристики
ст2
a
и
1
Рис. 2.13. Схема процесса теплопередачи
через твердую плоскую стенку
Для плоской стенки удельный тепловой поток q – величина постоянная на каждом этапе теплопередачи.
В соответствии с рассмотренными выше закономерностями
разных процессов переноса тепла для каждого этапа теплопередачи можно записать уравнение теплового потока:
1 этап –
2 этап –
a
=
ttq -=
– 1-й этап, (2.196)
1cm11
ttq-
2cm1cm
d
– 2-й этап, (2.197)
l
a
ttq -=
– 3-й этап. (2.198)
22cm2
Определяя из приведенных уравнений разности температур для
каждого этапа отдельно, складывая почленно полученные равенства и сокращая одинаковые температуры, получим с учетом
q=пост.:
113
ö
d
d
11
÷
++=-
tt
++
, (2.199)
÷
al
21
ø
21
. (2.200)
11
al
21
Откуда
æ
ç
qtt
21
ç
è
q
=
d
a
-
d
a
Сравнивая полученное уравнение и исходное уравнение удельного теплового поток при теплопередаче, получим выражение коэффициента теплопередачи для плоской стенки:
a
1
d
. (2.201)
11
++
al
21
K
=
Введем понятие – термическое сопротивление теплопередаче
через плоскую стенку:
Откуда
R
T
1
K
a
=
R
T
11
++==
, (2.202)
al
21
ttq-
21
. (2.203)
Из полученного уравнения следует, что термическое сопротивление теплопередачи через плоскую стенку равно сумме термических
сопротивлений на всех этапах теплопередачи: термическое сопротивление теплоотдачи от первого теплоносителя 1/α1, термическое сопротивление теплопроводности через стенку δ/λ, термическое сопротивление теплоотдаче ко второму теплоносителю 1/α2.
Многослойная плоская стенка
При теплопередаче через многослойные плоские стенки их
термические сопротивления последовательно складываются, и
термическое сопротивление теплопередаче будет равно:
ni
=
R
.МН.T
å
a
1
1i
=
i
i
11
++=
, (2.204)
al
2
а тепловой поток при теплопередаче через многослойную плоскую
стенку равен:
ttq-
=
21
R
. (2.205)
.МН.T
114
Теплопередача через цилиндрические стенки
(
)
(
)
Однослойная цилиндрическая стенка
Рассмотрим теплопередачу через однослойную цилиндрическую стенку (рисунок 2.14), где t1 и t2 – температура первого и
второго теплоносителя, t
ст1
и t
– температура на внутренней и
ст2
наружной поверхности стенки во всех точках, d1, d2 и l – характеристики стенки,
a
и
a
– коэффициенты теплоотдачи первого и
1
2
второго теплоносителя.
Рис. 2.16. Схема процесса теплопередачи
через однослойную цилиндрическую стенку
Для цилиндрической стенки удельный тепловой поток меняется, но общий – остается постоянным. Записывая величину общего
теплового потока на разных этапах переноса тепла теплоотдачей и
теплопроводностью, получим:
1
pl
-
ln
ttldQ -××=
– 1-й этап, (2.206)
1cm111
tt
2cm1cm
– 2-й этап, (2.207)
d
2
l
××
d
1
ttldQ -××=
–3-й этап, (2.208)
22cm22
pa
Q
=
2
pa
где l – длина цилиндрической стенки, м;
Q – общий тепловой поток при теплопередаче через цилиндри-
ческую стенку, Вт.
Определяя из приведенных уравнений разности температур для
каждого этапа отдельно, складывая почленно все полученные ра-
115
венства и сокращая одинаковые температуры, получим с учетом
=
условия Q=пост. и l=пост.:
æ
1
Q
tt
ç
21
ç
d
l
è
2
11
d
1
ln
2
++=-
d
d
1
applap
ö
÷
÷
221
ø
, (2.209)
откуда
tt
-
Q
=
1
d
2
11
21
d
1
ln
2
++
d
. (2.210)
1
d
applap
221
Для использования удельных величин при расчете теплопередачи через цилиндрическую стенку введем следующие понятия:
– Кц, – линейный коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку (трубу), отнесенный к 1 погонному метру трубы
и ее диаметром, Вт/м К;
– qц, – удельный тепловой поток для цилиндрических стенок,
отнесенный на 1 погонный метр длины стенки, равный
ц
lQq
Вт/м;
–
K1R =
, – линейное термическое сопротивление тепло-
цц
передаче через цилиндрическую стенку, м К/Вт.
В соответствии с принятыми обозначениями получим:
tt
-
( )
ttKq
=-=
21цц
tt
-
q
=
ц
1
d
2
11
21
d
1
ln
2
d
21
; (2.211)
R
ц
. (2.212)
1
++
d
applap
221
Из этих уравнений найдем значение коэффициента теплопередачи и термического сопротивления теплопередачи для цилиндрической стенки:
K
=
ц
1
d
11
1
d
1
2
ln
d
2
++
, Вт/м К; (2.213)
1
d
applap
221
,
116
1
2
=++=
d
applap
221
,м К/Вт, (2.214)
где R
цa1
R
ц
, R
d
1
d
, R
ц
l
1
ln
2
11
RRR
++=
– линейное термическое сопротивление тепло-
цa2
d
ццц
ala
21
отдачи от первого теплоносителя к стенке, теплопроводности через стенку и теплоотдачи от стенки ко второму теплоносителю.
Многослойная цилиндрическая стенка
Для многослойной цилиндрической стенки термические сопротивления слоев складываются, и общее термическое сопротивление теплопередаче равно:
R =++=
1
.мн.ц
d
Полученные значения К
å
=
2
1
ц.мн
ln
i11
и R
d
1i
+
d
ц.мн
1
d
applap
+
используют для опреде-
1
K
.(2.215)
.мн.ц21ni
ni
ления qц:
tt
-
( )
ttKq
21мн.цц
=-=
21
. (2.216)
R
мн.ц
2.2.5. Основы расчета теплообменных аппаратов
Виды теплообменных аппаратов
Теплообменные аппараты – это устройства для передачи тепла
от одного теплоносителя к другому. По принципу работы они делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В основном применяются рекуперативные теплообменные аппараты, в которых передача тепла происходит через разделительную стенку. Конструктивно они выполняются в виде аппаратов с
трубчатой (или реже с пластинчатой) поверхностью нагрева.
В регенеративном теплообменном аппарате передача тепла
осуществляется через аккумулирующее устройство (пластины, набивка и т. д.), которое попеременно смывается обоими теплоносителями.
В смесительных теплообменных аппаратах передача тепла
осуществляется при непосредственном контакте (смешении) теплоносителей.
117
В зависимости от взаимного направления движения теплоноси-
()(
)
()(
)
телей различают теплообменные аппараты прямоточные, противоточные, с перекрестным током и со смешанным током.
Характеристиками теплообменного аппарата являются следующие величины:
– Q – тепловая производительность аппарата, количество тепла, передаваемое в единицу времени, Вт;
– F – поверхность теплообмена, поверхность твердой стенки
или поверхность раздела теплоносителей, через которую передается тепло, м2.
Методика расчета теплообменных аппаратов
Расчет теплообменных аппаратов производится по двум основным уравнениям:
1. Уравнение теплопередачи:
Q=K
где Dtср – средняя разность температур;
Кср – средний коэффициент теплопередачи.
2. Уравнение теплового баланса:
×F×D
tcp, (2.217)
cp
или
где m1 и m2 – массовый расход первого и второго теплоносителя,
кг/сек;
t' и i' – температура и теплосодержание теплоносителя на входе
в аппарат, К и Дж/кг;
t'' и i'' – температура и теплосодержание теплоносителя на выходе из аппарата, К и Дж/кг;
t1 и i1 – температура и теплосодержание первого теплоносителя;
t2 и i2 – температура и теплосодержание второго теплоносителя;
Ср1 и Ср2 – средняя теплоемкость при постоянном давлении
первого и второго теплоносителя, Дж/кг К.
Величина W=m×Ср, Вт/К, называется водяным эквивалентом теплоносителя.
Заменяя уравнение баланса, имеем:
1
1p1
w
1
=
w
2
2
11
11
't''t
-
22
''t't
-
11
'i''im''i'imQ -=-=
(2.218)
22
't''tCm''t'tCmQ -=-=
2p2
. (2.220)
, (2.219)
22
118
Решая совместно оба уравнения, находим два неизвестных па-
D
D
2
раметра теплообменного аппарата при заданных или принятых остальных.
Определение величин, входящих
в расчетные уравнения
Средняя разность температур теплоносителей определяется из
формулы средней логарифмической разности:
tt
DD
-
где
t,t
minmax
t
D
=
ср
ln
– максимальная и минимальная разность теплоноси-
minmax
t
D
max
t
D
, (2.221)
min
телей на концах теплообменника, которые определяются в зависимости от конкретной схемы работы теплообменника (рисунок 2.15).
Рис. 2.15. Температурные графики прямоточной
и противоточной схем работы теплообменников
Если
×<
, то
minmax
t
D
можно определить по формуле
ср
t7,1t
DD
среднеарифметической разности:
tt
DD
+
t
D
=
ср
minmax
. (2.222)
Поверхность теплообмена и коэффициент теплопередачи в случае трубчатого теплообменника с достаточной степенью точности
могут быть определены по формулам теплопередачи для плоской
поверхности. При этом условии:
119
F=p×d
K
=
где dcp=0,5∙(d
вн
cp
a
+ d
) – средний диаметр трубы, м;
нар
d
l
cp1
cm
×l×
n, (2.223)
cp
1
d
3
+++
c
, (2.224)
11
al
cp23
n – число труб в теплообменнике, шт.;
l – длина одной трубы, м;
a
и a – средние коэффициенты теплоотдачи для первого и
второго теплоносителя. рассчитываемые для средних температур
каждого из теплоносителей в теплообменнике, Вт/м2 К;
d
и
l
ст
– толщина стенки и коэффициент теплопроводности
ст
материала труб, соответственно м и Вт/м К;
d
и
l
– толщина и коэффициент теплопроводности загрязне-
3
3
ний на поверхности труб теплообмена (учитываются при их наличии), м и Вт/м К.
При расчете теплообменников по расчетным формулам (2 уравнения) могут быть определены только две неизвестные величины,
остальные должны быть заданы или определены иным путем.
Расчет теплообменных аппаратов бывает двух типов:
1. Конструкторский – определяют основные размеры аппарата
при заданных параметрах и тепловой производительности.
2. Поверочный – определяют тепловую производительность и
параметры по известным размерам теплообменного аппарата.
120
ЛЕКЦИЯ 3
ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫЙ И ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ
ЗДАНИЙ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Цель: установление основных принципов расчета и конструиро-
вания ограждающих конструкций с целью обеспечения нормируемых
параметров тепловлажностного и воздушного режима зданий.
3.1. Зимний воздушно-тепловой режим помещений
3.1.1. Теплозащитные свойства ограждений
Ограждения зданий должны обладать требуемыми теплозащитными свойствами и быть в достаточной степени воздухо- и влагонепроницаемыми.
Теплозащитные свойства наружных ограждений определяются
двумя показателями: величиной сопротивления теплопередаче Rо и
теплоустойчивостью, оцениваемой по величине тепловой инерции
ограждения Д. Величина Rо определяет сопротивление ограждения
передаче теплоты в стационарных условиях, а величина Д характеризует сопротивляемость ограждения передаче изменяющихся во
времени периодических тепловых воздействий, т. е. при нестационарных условиях.
Расчетное сопротивление теплопередаче Rо основной части
(глади) конструкции ограждения должно быть:
Ro ³ R
где R
– требуемое сопротивление теплопередаче;
req
эк
R
– экономически целесообразное сопротивление теплопере-
o
даче ограждения.
Экономической характеристикой, определяющей рациональность конструктивного решения ограждения, являются приведенные затраты З, руб/м2, ограждения. Экономически целесообразное
сопротивление R
эк
соответствует минимуму функции З и может
о
быть определено в общем случае из уравнения:
dЗ/dRo=0.(3.2)
При технических расчетах R
o
в зависимости от численного значения градусо-суток отопительного периода. Для расчета требуемого термического сопротивления
эк
³
R
req
эк
определяется по таблицам СНиП
, (3.1)
o
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]