Osnovy_teploperedachi_i_massoobmena_2015
.pdf
Посвящается светлой памяти
Германа Константиновича Дьяконова,
основателя кафедры «Общая теплотехника» Казанского национального исследовательского технологического университета
Герман Константинович Дьяконов
- 3 -
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
Список основных обозначений |
8 |
Предисловие |
9 |
Введение |
10 |
Глава 1. Основные понятия и законы переноса теплоты |
12 |
1.1. Теплопроводность при стационарном режиме |
12 |
1.2. Основной закон теплопроводности. Закон Фурье |
13 |
1.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности |
15 |
1.4. Применение дифференциального уравнения |
|
теплопроводности для решения практических задач |
18 |
1.4.1. Теплопроводность плоской однослойной стенки при |
|
стационарном режиме |
18 |
1.4.2. Теплопроводность плоской многослойной стенки |
19 |
1.4.3. Теплопроводность однослойной цилиндрической |
|
стенки |
21 |
1.4.4. Теплопроводность многослойной цилиндрической |
|
стенки |
24 |
1.5. Конвективный теплообмен. Теплоотдача |
25 |
1.5.1. Теплопередача. Теплопередача через плоскую |
|
стенку. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент |
|
теплопередачи |
27 |
1.5.2. Теплопередача через однослойную цилиндрическую |
|
стенку |
30 |
1.5.3. Интенсификация процессов теплопередачи |
33 |
1.5.4. Теплопередача через оребренную стенку |
35 |
1.6. Тепловая изоляция |
37 |
1.7. Элементы классификации теплообменных аппаратов |
41 |
1.7.1. Основы расчета теплообменных аппаратов |
42 |
1.7.2. Средний логарифмический температурный напор |
|
между теплоносителями в процессе теплопередачи |
45 |
1.8. Вопросы анализа экономичности теплоиспользующих |
|
установок |
49 |
1.8.1. Эксергетический метод термодинамического |
|
анализа. Q,τE – диаграмма. Эксергетическая температура |
49 |
1.8.2. Потери эксергии от конечной разности температур |
51 |
1.8.3. Эксергетический к.п.д. теплообменого аппарата |
52 |
Глава 2. Основные положения теории конвективного |
|
переноса теплоты |
55 |
- 4 - |
|
2.1. Конвективный теплообмен |
55 |
2.1.1. Гидродинамический пограничный слой |
60 |
2.1.2. Тепловой пограничный слой |
61 |
2.2. Аналитическое описание процесса конвективного |
|
теплообмена |
62 |
2.2.1. Дифференциальное уравнение теплоотдачи |
62 |
2.2.2. Дифференциальное уравнение энергии |
63 |
2.2.3. Дифференциальные уравнения движения |
66 |
2.2.4. Дифференциальное уравнение неразрывности |
69 |
2.2.5. Дифференциальные уравнения конвективного |
|
теплообмена для пограничного слоя |
72 |
2.3. Теория подобия |
74 |
2.3.1. Приведение системы дифференциальных уравнений, |
|
описывающих подобные процессы для пограничного слоя |
|
к безразмерной форме записи (метод масштабных |
|
преобразований) |
77 |
2.3.2. Дифференциальное уравнение движения для двух |
|
подобных процессов в относительных величинах |
82 |
2.4. Теоремы подобия |
82 |
2.5. Что дает теория подобия для решения задач |
|
конвективного теплообмена |
86 |
Глава 3. Теплоотдача в потоках жидкостей и газов |
87 |
3.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи при вынужденном |
|
движении различных жидкостей в трубах |
87 |
3.2. Расчет коэффициента теплоотдачи при вынужденном |
|
ламинарном вязкостно-гравитационном течении |
88 |
3.2.1 Физика протекания процесса теплоотдачи при |
|
вынужденном ламинарном движении в вертикальных трубах |
|
при совпадении и прямо противоположных направлениях |
|
вынужденного и свободного движений |
88 |
3.2.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи при вынужденном |
|
ламинарном вязкостно-гравитационном течении в горизон- |
|
тальных трубах при Re<2300 |
89 |
3.2.3. Расчет коэффициента теплоотдачи при турбулентном |
|
движении различных жидкостей |
90 |
3.3. Особенности процесса теплоотдачи при поперечном |
|
омывании одиночных труб и пучков труб. Гидродинамика |
|
и теплоотдача при движении жидкости в пучках труб |
92 |
- 5 - |
|
3.4. Теплоотдача при фазовом превращении (конденсации и |
|
|||
кипении) |
|
97 |
||
3.4.1. Теплоотдача при конденсации пара |
|
97 |
||
3.4.2. Пленочная конденсация чистого пара на вертикальной |
|
|||
поверхности |
|
98 |
||
3.4.3. Теплоотдача при кипении |
|
101 |
||
3.4.4. Режимы кипения |
|
104 |
||
3.4.5. Количественное описание процесса теплоотдачи при |
|
|||
пузырьковом кипении |
|
107 |
||
Глава 4. Тепло- и массообмен в многокомпонентных средах |
108 |
|||
4.1. Диффузия. Закон Фика, коэффициент молекулярной диф- |
|
|||
фузии, градиент концентрации. Термическая диффузия, |
|
|||
бародиффузия. Диффузия в движущейся среде. Конвектив- |
|
|||
ный массообмен. Уравнения теплоотдачи и массоотдачи |
108 |
|||
4.2. Аналогия процессов теплообмена и массообмена. Уравне- |
|
|||
ние подобия для описания процессов массообмена. Коэф- |
|
|||
|
|
|
|
|
фициент массоотдачи. Диффузионные числа |
и |
114 |
||
Глава 5. Теплообмен излучением |
|
116 |
||
5.1. Перенос теплоты путем теплового излучения |
|
116 |
||
5.2. Спектры излучения |
|
117 |
||
5.3. Законы теплового излучения |
|
118 |
||
5.3.1. Закон Планка |
|
118 |
||
5.3.2. Закон смещения Вина |
|
119 |
||
5.3.3. Закон Стефана-Больцмана |
|
120 |
||
5.4. Расчет теплового излучения между двумя телами |
|
120 |
||
5.5. Назначение экранов |
|
121 |
||
5.6. Особенности расчета излучения газов |
|
123 |
||
5.7. Сложный теплообмен |
|
125 |
||
Глава 6. Применение теории подобия применительно |
|
|||
к эксперименту. Лабораторный практикум |
|
126 |
||
6.1. Теплотехнические измерения |
|
126 |
||
6.1.1. Измерения температур |
|
127 |
||
6.1.2. Измерение давления |
|
127 |
||
6.1.3. Измерение расходов |
|
128 |
||
6.1.4. Измерение тепловых потоков |
|
128 |
||
Лабораторная работа №1. Исследование теплоотдачи при |
|
|||
вынужденном поперечном омывании воздухом нагретой |
|
|||
одиночной трубы |
|
129 |
||
Лабораторная работа № 2. Исследование теплоотдачи при |
|
|||
- 6 - |
|
|
|
|
свободном движении воздуха около нагретой горизонтальной |
|
трубы |
146 |
Лабораторная работа № 3. Исследование теплоотдачи при |
|
кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении |
162 |
Лабораторная работа № 4. Исследование местной теплоотдачи |
|
при вынужденном турбулентном движении воздуха в трубе |
177 |
Лабораторная работа № 7. Определение степени черноты |
|
металлов |
191 |
Лабораторная работа № 14. Исследование процесса теплопереда- |
|
чи в теплообменном аппарате с оребренными стенками труб |
207 |
6.2. Оценка погрешности эксперимента |
240 |
6.2.1. Общие сведения |
240 |
6.2.2. Вычисление погрешности измерения |
241 |
6.2.3. Пример |
242 |
Библиографический список |
244 |
- 7 -
Список основных обозначений
a – коэффициент температуропроводности, м2/c; C – теплоемкость, Дж/(кг·К);
d – диаметр, м;
E – плотность потока излучения, Вт/м2; эксергия, Кдж; g – ускорение свободного падения, м/с2;
– массовый расход, кг/с;
h – удельная энтальпия, Дж/кг; M – масса, кг;
k– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);
l– длина, м;
n – нормаль к поверхности; p – давление, Па;
q – плотность теплового потока, Вт/м2; удельная теплота, Дж/кг; ql – линейная плотность теплового потока, Вт/м2;
r – теплота парообразования, Дж/кг;
R – термическое сопротивление, (м2·К)/Вт; отражательная способность; радиус, м; газовая постоянная, Дж/(кг·К);
t – температура, °С;
T - абсолютная температура, К; 
– средняя температура, К;
– средний температурный напор, К; w – скорость, м/c;
x – координата, м;
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); δ – толщина стенки, м; толщина пограничного слоя, м;
ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/c; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).
Индексы и другие сокращения
v – при постоянном объеме;
p – при постоянном давлении; 0 – начальные условия; п – пар; ж – жидкость;
кр – критический; гp – граница;
(') – жидкость в состоянии насыщения; ('') – пар в состоянии насыщения
- 8 -
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие написано на основе лекций по курсу «Тепломассообмен», которые читаются авторами студентам Казанского национального исследовательского технологического университета. Основы теплообмена изложены в объеме, предусмотренном программой курса, и позволяют студентам в дальнейшем самостоятельно разобраться в более сложных разделах этой дисциплины, которые не охвачены в данной книге. При изложении материала авторы стремились сделать акценты на фундаментальных положениях процессов теплопередачи и массообмена, на их физической стороне. Учтены такие предпосылки, как логическая связь с другими дисциплинами; практическая направленность рассматриваемых вопросов; использование математического аппарата в объеме, не превышающем доступности восприятия теоретического материала. В написании шестой главы частично принимали участие доц. И.Х. Хайруллин и доц. А.А. Мухамадиев.
Дисциплина «Теория теплообмена» занимает одно из ведущих мест в подготовке специалистов высокой квалификации. Кроме того, изучение основных процессов теплопередачи обеспечивает последующее освоение специальных дисциплин учебного плана.
Многолетняя практика учебной работы в вузе показывает, что, несмотря на наличие целого ряда содержательных учебников по теплопередаче, существует острая необходимость в таком учебном пособии, в котором обширные сведения были бы изложены в доступной и краткой форме. Поэтому, переработав материал основных учебников, авторы стремились включить в учебное пособие сведения, достаточные для понимания основ теории теплообмена и теплопередачи, опустив при этом детали, затрудняющие изучение этой дисциплины.
Учебное пособие «Основы теплопередачи и массообмена» представляет собой комплекс, включающий типографскую и компьютерную части. Компьютерная часть состоит из отдельных элементов, позволяющих выполнять трудоемкие теплотехнические расчеты, проводить лабораторные работы (с использованием программного продукта Mathcad) и контролировать уровень освоения предмета. Она может быть использована как на аудиторных занятиях, так и при самостоятельной работе. Учебное пособие, выполненное в виде такого комплекса, позволит сократить объем рутинных работ и высвободить время на более глубокую проработку изучаемого материала и его ана-
лиз.
Авторы
- 9 -
ВВЕДЕНИЕ
Теория теплообмена – наука о законах переноса теплоты в пространстве и времени. Процессы переноса теплоты встречаются повсюду: в теплоэнергетике, на любом производстве, в быту. Применение процессов переноса теплоты можно разделить на два направления.
Первая область применения переноса теплоты связана с превращением теплоты в работу в тепловых двигателях. Этим занимается техническая термодинамика – наука о взаимопревращениях одной формы энергии в другую. Однако, определяя условия перехода теплоты в работу, техническая термодинамика использует идеализированные представления, которые позволяют исключить из рассмотрения факторы времени и пространства.
Термодинамика базируется на двух законах. Согласно первому закону подводимая к телу удельная теплота q расходуется на изменение внутренней энергии тела ∆u и совершение работы против внешних сил l:
q u l , кДж/кг.
Второй закон термодинамики связывает подведенную или отведенную удельную теплоту с абсолютной температурой и разностью энтропий ∆S в конечном и начальном состояниях:
qT S2 S1 , кДж/кг.
Вобоих уравнениях нет факторов времени и пространства, однако применение такого подхода с целью превращения теплоты в работу в тепловых двигателях является оправданным и не содержит ошибок.
Термодинамика решает задачи типа: по трубе движется среда,
массовый расход которой М t . Вопрос: сколько теплоты необходимо подвести к потоку среды, чтобы на выходе из трубы установилась температура t ?
(кг/с), на входе в трубу температура среды
.
Qp
. |
|
|
|
M, кг |
|
|
|
с |
t |
|
t |
|
. |
l
Для этого надо записать первый закон термодинамики для изобарного процесса:
- 10 -
или
где h´´ и h´– энтальпия среды соответственно на выходе и входе, кДж/кг; Cpm– удельная изобарная теплоемкость среды, кДж/(кг∙K); t´´ и t´–температуры среды соответственно на выходе и входе.
Однако ответить на вопрос, какова для этого должна быть длина трубы l, термодинамика не может. Для ответа на этот вопрос необходимо знать закон переноса теплоты между внутренней поверхностью трубы и потоком среды, позволяющий определить длину трубы l, м:
где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); F = π d l – площадь поверхности теплоотдачи, м²; l – искомая длина трубы, м.
Вторая область применения переноса теплоты связана с направленным изменением физических свойств веществ.
Тепловые процессы являются наиболее медленными процессами по сравнению с процессами, например, выравнивания давления и оказывают решающее воздействие на работу теплообменного аппарата. На основе выполнения теплового расчета вычисляется тепловая
производительность аппарата Q (Вт), площадь поверхности теплопередачи F (м2), число секций n и конечные размеры аппарата.
- 11 -
Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
Процессы переноса теплоты являются сложными процессами, поэтому с чисто методической точки зрения их можно расчленить на элементарные формы, или простые явления теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Действие одной элементарной формы в аппаратах хотя и встречается, но, как правило, одна элементарная форма переноса теплоты сопровождается другой.
Перенос теплоты внутри системы приводит к выравниванию температуры внутри нее. При этом он имеет место тогда, когда в различных точках тела температура неодинакова. В общем случае при переносе теплоты температура изменяется как по координатам пространства x, y, z, так и во времени τ:
t = f1 (x,y,z,τ). (1.1)
Уравнение (1.1) – уравнение температурного поля. Температурное поле – совокупность значений температуры в различных точках пространства для каждого момента времени. Уравнение (1.1) является уравнением нестационарного трехмерного температурного поля. Если в теле во времени температура не изменяется, то мы имеем стационарное температурное поле:
t = f2 (x,y,z). |
(1.2) |
Уравнение (1.2) – уравнение стационарного трехмерного температурного поля.
Уравнение стационарного одномерного температурного поля
t = f3(x). |
(1.3) |
Уравнение нестационарного одномерного температурного поля
t = f4 (x,τ). |
(1.4) |
1.1. Теплопроводность при стационарном режиме
Теплопроводность – процесс переноса теплоты, протекающий на молекулярном уровне при столкновении и соударении микрочастиц, имеющих различную температуру. Осуществляется в твердых телах, диэлектриках путем упругих колебаний кристаллической решетки, в газах – путем диффузии атомов и молекул, в металлах – пу-
- 12 -