1.7 Сложный теплообмен

_{Сложный теплообмен включает теплопроводность, конвекция и тепловое излучение}

_{В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене, как правило, пользуются суммарным коэффициентом теплоотдачи . Указанный коэффициент представляет собой сумму коэффициентов конвективной теплоотдачи и лучистой теплоотдачи ;}

_(1.7.1)

_{В этом случае расчетная формула для теплообмена имеет вид}

_(1.7.2)

_{При обмывании стенки капельной жидкостью указанный коэффициент будет равен и}

_{Сложный теплообмен включает все виды теплообмена Теплопередача от одной жидкости (или газа) к другой через стенку и представляет суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача контактом является необходимой составной частью.}

_{Теплопередача зависят от формы стенки, разделяющей теплоносители.}

_{Рис.1.7.1.}

_{Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку рис. 6. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды tж.1, температура холодной среды tж.2. Температуры поверхностей стенки неизвестны, обозначим их буквами .}

_{Передача тепла в данном случае представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит из теплоотдачи от нагретой среды, теплопроводность через стенку и теплоотдача от стенки к холодной среде. При этом видно, что удельные тепловые потоки при трех видах одни и те же.}

_{В этом случае уравнения теплового потока будут иметь вид:}

_{Уравнение теплоотдачи от нагретой среды к поверхности стенки}

_{. (1.7.3)}

_{Уравнение теплопроводности через стенку}

_(1.7.4)

_{Уравнение теплоотдачи к холодной среде}

_{. (1.7.5)}

_{Сложив эти уравнения, получим полный температурный напор:}

_{, (1.7.6)}

_{откуда удельный тепловой поток}

_(1.7.7)

_{Величина называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1м2 поверхности стенки при разнице температур между средами 1.}

_{Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R.}

_{В этом случае имеем:}

_(1.7.8)

_{В том случае если стенка многослойная, т.е. состоит из нескольких слоев - n с различной толщиной, а коэффициенты теплопроводности соответственно , то будем иметь}

_{, (1..7.9)}

_{где , или}

_{Количество тепла, переходящего через площадь F стенки за 1 час, будет равно:}

_(1.7.10)

_{Для расчета теплового потока при теплопередаче через многослойную цилиндрическую стенку можно воспользоваться выражением:}

_(1.7.11)

1.8 Теплообменные аппараты

_{Теплообменными аппаратами называются техническими устройства, назначение которых передача тепла от одного рабочего тела (теплоносителя) к другому. В качестве рабочего тела (теплоносителей) в них используют водяной пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела.}

_{По принципу действия и конструкции теплообменники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.}

_{Рекуперативные теплообменники передают тепло от нагретого теплоносителя к нагреваемой среде через разделяющую их стенку.}

_{В зависимости от направления движения теплоносителей теплообменники указанного вида подразделяют - противоточные, прямоточные и перекрестные. Если теплоносители движутся в противоположном направлении, теплообменники называются противоточными (рис.7 б); при движении теплоносителей в одном направлении – прямоточными (рис.7 а), если теплоносители движутся в перекрестном направлении – перекрестными (рис.7 в).}

_{В регенеративных теплообменниках поверхность нагрева представляет собой специальную насадку из профилированных колец, или других конструкций увеличивающих площадь контакта, которая сначала аккумулирует тепло, а затем отдает его нагреваемому теплоносителю.}

_{В смесительных теплообменниках процесс теплообмена проходит при прямом контакте (соприкосновении и перемешивании) теплоносителей.}

_{Рекуперативные и регенеративные теплообменники являются поверхностными теплообменными аппаратами, а смесительные теплообменники контактным.}

_{Рис.1.8.1.}

_{В зависимости от вида течения в теплообменнике (прямоток или противоток) расходов греющей и нагреваемой жидкости имеем четыре процесса теплообмена вдоль поверхности теплопередачи (рис. 8).}

_{Рис.1.8.2.}

_{Ниже рассматриваются основы расчета лишь рекуперативных теплообменников, как наиболее распространенных.}

_{При конструктивном расчете теплообменника рабочая поверхность его определяется из уравнения теплопередачи}

_(1.8.1),

_{где Q – мощность теплового потока, заданная потребителем тепла;}

_{- коэффициент теплопередачи;}

_{- средний температурный напор по всей поверхности нагрева.}

_{Значение коэффициента теплопередачи для цилиндрической поверхности определяются из выражения:}

_{, (1.8.2.)}

_{где - внутренний и наружный диаметр трубки через стенки которой идет теплообмен.}

_{Величина среднего температурного напора определяется по формуле}

_(1.8.3),

_{где и - максимальная и минимальная разности температур}

_{Для прямотока}

_(1.8.4);

_{Для противотока}

_{, (1.8.5.).}

_{где -температура греющей среды, соответственно на входе и выходе в теплообменник; -температура нагреваемой среды, соответственно на входе и выходе в теплообменник.}

_{Выше приведенные формулы (1.41) и (1.42) позволяют оценить температурные напоры в теплообменниках с противоточной и прямоточной схемой движения теплоносителей. При прочих одинаковых параметрах теплоносителей на входе и выходе в теплообменник в противоточном теплообменнике средний температурный напор получается - наибольшим, а в прямоточном – наименьшим. Вследствие большой величины среднего температурного напора поверхность нагрева при противоточной схеме движения теплоносителей и прочих равных условиях будет наименьшей.}

_{Расчет теплообменника производится по его тепловому балансу:}

_{, (1.8.6)}

_{где - мощность теплового потока, переданного от греющего теплоносителя к нагреваемой среде;}

_{и - расходы теплоносителей;}

_{и - средние теплоемкости.}

_{2. ГИДРАВЛИКА}

_{2.1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ}

_{Жидкость. Изучение основных законов механики жидкости (газов) необходимо начинать с особенностей различия свойств жидкостей и твердых тел.}

_{Жидкость отличаются от твердых тел отсутсвием «твердой кристаллической решетки» и значительной свободой подвижности молекул. Изменение принятой формы жидкости происходит под действием даже при приложении самых малых сил (например, жидкость течет под действием собственного веса).}

_{Жидкость имеет молекулярное строение - состоит из молекул, т.е. жидкость, имеет прерывистую структуру. В механики жидкости для простоты решения большинства задач принимают жидкость как сплошную (непрерывную) среду. Таким образом, вместо реальной физической субстанции самой жидкости изучается ее модель, обладающая свойством непрерывности (гипотетически сплошная среда). Введение аксиомы о непрерывности упрощает создание математического аппарата, описывающего состояния жидкости.}

_{По своим физическим свойствам жидкость можно условно разделять на два состояния мало сжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные).}

_{Капельные жидкости обладают определенным объемом, который, например, изменяется под действием определенных сил. Газы, занимают все пространство и могут значительно изменять объем, сжимаясь и расширяясь под воздействием определенных сил.}

_{Плотность жидкости. Плотностью жидкости , называется масса М, заключенная в единице объема W:}

_(2.1.1)

_{Например, плотность воды при температуре 4° С .}

_{Удельный вес. Вес жидкости G, приходящийся на единицу объема W называется удельным вес}

_(2.1.2)

_{Удельный вес воды при температуре 4°С .}

_{Плотность и удельный вес жидкости связаны между собой соотношением}

_(2.1.3)

_{где g — ускорение свободного падения.}

_{Сжимаемость жидкостей. Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия , который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления:}

_(2.1.4)

_{где W—первоначальный объем жидкости; dW—изменение этого объема при увеличении давления на величину dр.}

_{Коэффициент объемного сжатия имеет размерность Па-1. Знак «минус» в формуле (4) обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение (т. е. уменьшение) объема жидкости W. Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости Е0, Па:}

_(2.1.5)

_{Температурное расширение жидкостей. Температурное расширение капельных жидкостей характеризуется коэффициентом температурного расширения , выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 град, т. е.}

_{, .(2.1.6)}

_{где dW—изменение этого объема при повышении температуры на величину dt.}

_{Газы характеризуются значительной сжимаемостью и высокими значениями коэффициента температурного расширения. Зависимость плотности газов от давления и температуры устанавливается уравнением состояния.}

_{Наиболее простыми свойствами обладает газ, разрешенный настолько, что взаимодействие между его молекулами может не учитываться, так называемый идеальный газ. Для идеальных газов справедливо уравнение ’’Клайперона’’, позволяющее определять плотность газа при известных значениях давления и температуры:}

_{, (2.1.7)}

_{где р—абсолютное давление, R—удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и давления [для воздуха R = 287 Дж/(кг·К)]; Т—абсолютная температура.}

_{Поведение реальных газов в условиях, далеких от сжижения, незначительно отличается от поведения идеальных газов.}

_{Вязкость жидкостей. Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Все реальные жидкости обладают определенной вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частиц жидкости.}

_{Если рассматривать течение жидкости параллельными слоями (рис. 1) то можно предположить зависимость между напряжением деформацией в виде:}

_(2.1.8)

_{Величина называется коэффициентом динамической вязкости.}

_{Сила внутреннего трения в жидкости может быть определена из выражения}

_{, (2.1.9)}

_{где площадь трения.}

_{Трение в жидкости отличается от трения в твердых телах, где сила трения зависит от нормального давления и не зависит от площади трущихся поверхностей.}

_{Вязкость жидкостей в большой степени зависит от температуры, при этом вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, а вязкость газов возрастает.}

_{В гидравлике находит применение понятие кинематической вязкости v, представляющей собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности:}

_(2.1.10)

_{Эта вязкость названа кинематической, так как в ее размерности отсутствуют единицы силы или массы.}