2_теплообмен (УЭИ_2016)
.pdf
0
Краткий курс лекций по теплотехнике
II
ТЕПЛООБМЕН
Беноццо Гоццоли. «Св. Августин преподает риторику в Риме»
Уфа
2016
1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
И.В.НОВОСЕЛОВ, Р.А.МОЛЧАНОВА, Г.Д. ТЕЛЯШЕВА
Краткий курс лекций по теплотехнике
Часть II. ТЕПЛООБМЕН
Уфа
2016
2
УДК 621.43.16 ББК 31.31
Н 76
Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия
Рецензент
Главный инженер ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» М.С. Машилов
И.В. Новоселов, Р.А. Молчанова, Г.Д. Теляшева
Н 76 Краткий курс лекций по теплотехнике. Ч.II. Теплообмен.- Уфа: Издво УГНТУ, 2016.– 94 с.
ISBN 978-5-7831-0959-1
Составлен в соответствии с утвержденной программой дисциплины «Теплотехника» по направлению «Нефтегазовое дело». Изложена теория теплообмена, приведен перечень рекомендуемой литературы по каждому разделу, даны вопросы для самопроверки.
Предназначен для студентов неэнергетических специальностей УГНТУ очного и заочного отделения.
УДК 621.43.016 ББК 31.31
ISBN 978-5-7831-0959-1 |
© Уфимский государственный |
|
нефтяной технический |
|
университет, 2016 |
|
© Новоселов И.В, Молчанова Р. А., |
|
Теляшева Г. Д. 2016 |
|
3 |
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
с |
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА………………….. |
5 |
|
1.1 |
Виды теплообмена ……………………………………………………… |
5 |
1.2 |
Основные понятия и определения……………………………………… |
5 |
2 ТЕОРИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ………………………………………. |
9 |
|
2.1Закон Фурье……………………………………………………………… 9
2.2Дифференциальное уравнение теплопроводности……………………. 10
2.3Теплопроводность при стационарном режиме………………………... 14 2.3.1 Теплопроводность плоской стенки…………………………………... 14 2.3.2 Теплопроводность цилиндрической стенки…………………………. 18 3. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН…………………………………….. 24
3.1 Основные определения конвективного теплообмена………………… 24
3.2Виды конвективного теплообмена……………………………………... 24
3.3Режимы течения и пограничный слой…………………………………. 25
3.4Закон Ньютона-Рихмана………………………………………………... 27
3.5Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена . 28
3.6Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена………... 29
3.6.1 Дифференциальное уравнение теплоотдачи………………………… |
29 |
3.6.2 Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена………. |
30 |
3.7 Теория подобия………………………………………………………….. |
32 |
3.7.1Основы теории подобия………………………………………………. 32
3.7.2Критерии (числа) подобия……………………………………………. 34
3.7.3Определяющие размер и температура………………………………. 36
3.7.4Теоремы подобия……………………………………………………… 37
3.8 Уравнения подобия конвективного теплообмена…………………….. 38
3.9 Теплоотдача при естественной конвекции…………………………….. 39
3.9.1 Теплоотдача в неограниченном пространстве……………………… |
39 |
3.9.2 Теплоотдача в ограниченном пространстве…………………………. |
46 |
3.10 Теплоотдача при вынужденной конвекции…………………………... |
47 |
3.10.1 Теплоотдача при движении жидкости в трубах…………………… |
47 |
3.10.2 Теплоотдача при поперечном обтекании труб…………………….. |
51 |
4 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА……………………………………………………….. |
56 |
4.1Теплопередача через плоскую стенку…………………………………. 56
4.2Теплопередача через цилиндрическую стенку………………………... 59
4.3Способы регулирования интенсивности теплопередачи……………... 61 4.3.1 Интенсификация теплопередачи……………………………………... 61
4.3.2 Тепловая изоляция…………………………………………………….. 64 5 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ………………………………………. 68
5.1Типы теплообменных аппаратов ………………………………………. 68
5.2 Расчетные уравнения …………………………………………………… |
71 |
5.3 Основы расчета ТОА……………………………………………………. |
75 |
4
6. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ………………………………………… 78
6.1 Основные понятия и определения……………………………………… 78
6.2Баланс лучистого теплообмена…………………………………………. 80
6.3Основные законы теплового излучения……………………………….. 82
6.3.1 Закон Планка…………………………………………………………... 82 6.3.2 Закон Вина……………………………………………………………... 83 6.3.3 Закон Стефана – Больцмана…………………………………………... 83 6.3.4 Закон Кирхгофа………………………………………………………... 84 6.3.5 Закон Ламберта………………………………………………………... 86
6.4Лучистый теплообмен между телами………………………………….. 86 6.4.1 Лучистый теплообмен в замкнутом пространстве………………….. 89 6.4.2 Лучистый теплообмен между произвольно расположенными тела-
ми………………………………………………………………………. 90 6.4.3 Экранирование………………………………………………………… 91
6.5Сложный теплообмен…………………………………………………… 91
5
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА
1.1 Виды теплообмена
Теплообменом называется учение о процессах переноса теплоты. Эти процессы широко распространены в природе и имеют большое значение в самых разнообразных областях жизни и техники. Существует три основных способа переноса теплоты, отличающихся по своим физическим механизмам:
−теплопроводность,
−конвекция,
−излучение.
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микрочастицами (молекулами, атомами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.
Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидко-
стях и газах. Конвекция – это перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества. В этом случае большие макроскопические объемы горячей жидкости или газа перемещаются в зоны с низкими температурами, а холодные массы попадают в зону с высокими температурами, т.е. происходит перемешивание. Конвективный теплоперенос происходит из-за разности плотностей горячих и холодных масс.
Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т.к. она интенсивнее теплопроводности.
Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам).
Третьим способом переноса теплоты является излучение. За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.
В большинстве случаев перенос теплоты осуществляется несколькими способами одновременно. Например, конвективный теплообмен от газа к стенке в топочной камере практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением. Совокупность всех трех видов переноса теплоты называется сложным теплообменом.
1.2 Основные понятия и определения
Легкоподвижная среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.
Поверхность теплообмена F – это поверхность, через которую происходит передача теплоты.
6
Например, при остывании теплоносителя в трубе диаметром d и длиной L, тепло передается от горячего теплоносителя к окружающей среде через боковую цилиндрическую поверхность трубы. В этом случае F = d L, где ( d)
– длина окружности.
Тепловой поток, Q, [Вт] – это количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена F в единицу времени. В отличие от теплоты тепловой поток является векторной величиной, имеющей направление. Тепловой поток направлен в сторону распространения теплоты, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.
Поверхностная плотность теплового потока q, [Вт/м2] – это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную площадь поверхности теплообмена.
q =
Q F
, Вт/м2
(1.1)
Как и тепловой поток, поверхностная плотность теплового потока также является векторной величиной, направление которой совпадает с направлением теплового потока.
Линейная плотность теплового потока ql, [Вт/м]– это тепло-
вой поток через единицу длины цилиндрической стенки.
q |
|
= |
|
|
Q L
, Вт/м
(1.2)
Взаимосвязь между линейной и поверхностной плотностями теплового потока выглядит следующим образом:
q = |
Q |
= |
Q |
= |
q |
|
L |
= |
q |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
F |
|
2π r L |
|
2π r L |
|
2π r |
|
|||
q = 2π r q .
(1.3)
Температурным полем называется совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени.
7
Математическое описание температурного поля имеет вид
t = f (x, y,z,τ),
(1.4)
где t – температура;
x, y, z – пространственные координаты;
– время.
Если температурное поле зависит от времени, как в уравнении (1.4), то оно называется нестационарным и ему соответствует неустановившийся тепловой режим.
В том случае, когда распределение температуры в изучаемом пространстве не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным и ему соответствует установившийся тепловой режим:
t
= f (x,
y,z)
.
(1.5)
Если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называется соответственно одно- или
двухмерным. Например:
t = f(x, ) – одномерное нестационарное температурное поле; t = f(x, y) – двухмерное стационарное температурное поле. Температурные поля (1.4) и (1.5) являются трехмерными.
Поверхность, во всех точках которой температура одинако-
ва, называется изотермической. Изотермические поверхности или замыкаются на себя или кончаются на границах тела, но между собой никогда не пересекаются. Следовательно, температура в теле изменяется лишь в направлении, пересекающем изотермы. При этом наиболее сильное изменение получается в направлении нормали к изотермам (рисунок 1.1). Предел отношения изменения температуры t между соседними изотермами к расстоянию между ними по нормали n называется градиентом температурного поля и обозначается одним из следующих символов:
grad t = t = lim |
Δt |
= |
t |
|
Δn |
n |
|||
Δn→0 |
|
=
tx
|
+ |
t |
|
i |
y |
j + |
|
|
|
|
tz
k
, град/м. (1.6)
Градиент температурного поля (grad t) – есть вектор,
направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону наибольшего возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению.
8
Взаимное направление векторов теплового потока и градиента температурного поля показано на рисунке 1.2.
n
x
t |
|
|
t |
+ |
|
t |
|
t- |
|
t |
|
||
|
|
|
t |
|
|
+ |
|
t |
|
|
t |
n
0
grad t 
q
Рисунок 1.1 - К определению |
Рисунок 1.2 - Векторы градиен- |
градиента температурного поля |
та температурного поля и теплового |
|
потока |
Вопросы для самопроверки
1Определение поверхности теплообмена и теплоносителя.
2Определение, обозначение и размерность теплового потока.
3Определение, обозначение и размерность линейной и поверхностной плотности теплового потока.
4Определение изотермической поверхности.
5Определение температурного поля.
6Уравнения для стационарного и нестационарного температурного полей.
7Определение градиента температурного поля.
Список рекомендуемой литературы:
Основная
1Баскаков А. П., Берг Б.В., Витт О.К. и др. Теплотехника: учебник для вузов. - 2-
еизд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – Гл. 7, п. 7.1-7.2.
2Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – Гл. 22, § 22.1-22.2.
Дополнительная
1Поршаков Б. П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности): учебник для вузов.
–М.: Недра, 1987. – Гл. 13, § 55-56.
2Мухачев Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача: учебник для
авиац. вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1991. – Ч. 2, Гл. 1, § 1.1-1.4.
9
2 ТЕОРИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Под теплопроводностью следует понимать процесс переноса теплоты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул, электронов и др.). В разных средах механизм передачи теплоты может отличаться.
Например, перенос теплоты теплопроводностью в газах обусловлен двойными и тройными столкновениями молекул.
Для твердых диэлектриков теплопроводность связана с переносом тепловых колебаний частиц в виде упругих волн (фононов).
Вметаллах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов.
Вчистом виде теплопроводность имеет место только в твёрдых телах. В жидкостях и газах она сопровождается конвекцией.
2.1 Закон Фурье
Согласно основному закону теплопроводности – закону Фурье, по-
верхностная плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорциональна градиенту температурного поля:
q = −λ grad t
, Вт/м2,
(2.1)
где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.
Знак «–» в формуле (2.1) указывает на противоположные направления вектора теплового потока и вектора градиента температурного поля. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры (рисунок 1.2).
Численное значение коэффициента теплопроводности равно количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, при условии, что градиент температуры равен 1 град/м.
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения для различных материалов приведены на рисунке 2.1.
Из рисунка видно, что газы обладают низким коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности воздуха составляет примерно воз
= 0,024…0,026 Вт/(м К).