МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н.Х. ЗИННАТУЛЛИН, А.И. ГУРЬЯНОВ, В.К. ИЛЬИН

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Учебное пособие

по дисциплине

«Гидравлика и теплотехника»

Казань 2011

УДК.66.021 + 66.045

ББК 363

З-63

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Казанского государственного

технологического университета Ф.М. Гимранов;

доктор технических наук, профессор Казанского государственного

энергетического университета А.Я. Мутрисков

	Зиннатуллин Н.Х., Гурьянов А.И., Ильин В.К.
З-63	Тепловые процессы и аппараты: Учеб. пособие по дисциплине «Гидравлика и теплотехника» / Н.Х. Зиннатуллин, А.И. Гурьянов, В.К. Ильин. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. – 78 с.
	В пособии излагаются основные закономерности кондуктивного и конвективного теплообмена, промышленные способы передачи тепла и выпаривания. Изложены принципы работы и конструкции аппаратов для проведения соответствующих процессов. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 280200 «Защита окружающей среды».

УДК.66.021+ 66.045

ББК 363

© Зиннатуллин Н.Х., Гурьянов А.И., Ильин В.К., 2011

© Казанский государственный энергетический университет, 2011

Предисловие

«Гидравлика и теплотехника» является базовой общеинженерной дисциплиной для студентов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды». Она состоит из двух частей:

• теоретические основы технологических процессов;

• типовые процессы и аппараты промышленной технологии.

Вторая часть включает три основных раздела:

• гидродинамика и гидродинамические процессы;

• тепловые процессы и аппараты;

• массообменные процессы и аппараты.

По первой части дисциплины были опубликованы конспекты лекций Н.Х. Зиннатуллина, А.И. Гурьянова, В.К. Ильина (Гидравлика и теплотехника, 2005); по первому разделу второй части дисциплины – учебное пособие Н.Х. Зиннатуллина, А.И. Гурьянова, В.К. Ильина, Д.А. Елдашева (Гидродинамика и гидродинамические процессы, 2010).

В данном пособии излагается второй раздел второй части. В этом разделе будут рассмотрены наиболее распространенные случаи кондуктивного и конвективного теплообмена, промышленные способы передачи тепла, выпаривание, а также принцип работы и конструкции теплообменной аппаратуры.

Учебное пособие состоит из трех глав, каждая из них заканчивается вопросами, которые студенты могут использовать для самоконтроля.

Основная задача представленного учебного пособия – научить студентов проводить инженерные расчеты тепловых процессов и подбор необходимой аппаратуры для их проведения.

Часть. 1. Теплообмен

Промышленные технологические процессы протекают в заданном направлении только при определенных температурах, которые создаются путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых зависит от скорости подвода или отвода теплоты, называются тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур между фазами. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называются теплообменниками, в них тепло переносится теплоносителями.

Расчет теплообменных процессов сводится обычно к определению межфазной поверхности теплообмена. Эта поверхность находится из уравнения теплопередачи в интегральной форме. Коэффициент теплопередачи, как известно, зависит от коэффициентов теплоотдачи фаз, а также от термического сопротивления стенки. Ниже будут рассмотрены способы их определения, нахождение поля температур и тепловых потоков. Там, где это возможно, искомые величины находятся из решения уравнений законов сохранения, а в остальных случаях используются упрощенные математические модели или метод физического моделирования.

1.1. Кондуктивный теплообмен в плоской стенке

Рассмотрим теплообмен в неподвижной плоской стенке из однородного материала, теплофизические свойства которого постоянны (с_p, ,  = const) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Распределение температуры в плоской стенке

Общее уравнение нестационарной теплопроводности Фурье имеет вид

(1)

Процесс теплообмена стационарный, тогда . Считаем, что высота и длина гораздо больше толщины стенки , следовательно, теплообмен по этим направлениям отсутствует, тогда температура изменяется лишь вдоль одной координаты х, отсюда имеем

Поскольку , имеем

(2)

Очевидным решением этого уравнения является

,

откуда

(3)

Граничные условия:

при ;

при

Находим и , , тогда

. (4)

Распределение T по толщине 

. (5)

Из полученного уравнения (5) видно, что в плоской стенке распределение Т является прямолинейным.

Поток тепла за счет теплопроводности определяется по закону Фурье

; (6)

. (7)

Здесь характеризует тепловую проводимость стенки, а – термическое сопротивление стенки.

Для многослойной стенки термическое сопротивление отдельных стенок необходимо суммировать

. (8)

Определим количество теплоты, передаваемое за время t через площадь F

, (9)

тогда расход тепла определяется как

. (10)

Здесь F – поверхность пластины; t – время.

Однако, приведенные расчетные формулы не всегда достаточны для практического использования. Как, например, учесть термическое сопротивление стенки при теплопередаче? Большей частью бывает, что температуры поверхностей Т₁ и Т₂ заранее неизвестны, но зато определены температуры Т_ср1 и Т_ср2 обеих сред, омывающих стенку, и, кроме того, соответствующие коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂. Тогда для случая теплопередачи расход тепла запишется

.