
- •Содержание
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена 7
- •Тема 2. Теплопроводность 14
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях 64
- •Тема 8. Теплообмен излучением 81
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа 102
- •Введение
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена
- •1.1 Температурное поле. Изотермическая поверхность.
- •1.2. Градиент температуры
- •1.3. Количество теплоты. Тепловой поток.Удельные тепловые потоки
- •1.4.Элементарные способы передачи теплоты (виды процессов теплообмена)
- •1.5. Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача
- •Тема 2. Теплопроводность
- •2.1. Основной закон теории теплопроводности. Закон (гипотеза) Фурье.
- •2.2. Энергетическая форма записи закона Фурье. Коэффициент температуропроводности
- •2.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности (дифференциальное уравнение Фурье)
- •2.4. Условия однозначности, необходимые для решения уравнения Фурье
- •2.5. Начальные условия (ну)
- •2.6. Граничные условия (гу)
- •2.7. Методы решения краевой задачи в теории теплопроводности
- •Тема 3. Нестационарная теплопроводность в телах простейшей формы
- •3.1. Математическая формулировка задачи
- •Тема 4. Стационарная теплопроводность
- •4.1 Стационарная теплопроводность в плоской и цилиндрической стенках
- •Тема 5. Теплопередача
- •5.1. Теплопередача через плоскую стенку
- •5.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку
- •5.3. Алгоритм расчета теплопередачи через непроницаемые стенки
- •5.4. Единая формула теплопередачи через стенки классической формы
- •5.5. Интенсификация теплопередачи
- •5.6.Тепловая изоляция
- •Тема 6. Конвективный теплообмен в однофазных средах
- •6.1. Основные понятия и определения
- •6.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •6.3. Основные положения теории подобия
- •6.4. Основные критериальные уравнения
- •6.4.1. Конвективная теплоотдача при свободном движении текучей среды
- •6.4.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении текучей среды в трубах и каналах
- •6.4.3. Конвективная теплоотдача при вынужденном внешнем обтекании тел
- •6.5. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачипо критериальным уравнениям
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях
- •7.1. Теплоотдача при конденсации паров
- •7.2. Теплоотдача при кипении жидкостей
- •Тема 8. Теплообмен излучением
- •8.1. Основные понятия и определения
- •8.2. Тепловое излучение твердых тел
- •8.3. Основные законы излучения абсолютно черного тела (ачт)
- •8.4. Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа.
- •8.4. Особенности излучения газов
- •8.5. Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа
- •9.1. Диффузионный пограничный слой
- •9.2. Массопроводность, массоотдача, массопередача
- •9.3 Критериальные уравнения массоотдачи
- •10. Теплообменные аппараты
- •10.1 Общие сведения о теплообменных аппаратах
- •10.1.1. Рекуперативные теплообменники
- •10.1.2. Регенеративные теплообменные аппараты
- •10.1.3. Аппараты смешивающего типа
- •10.2 Расчет теплообменных аппаратов
- •10.2.1. Уравнение теплового баланса. Уравнение баланса массы.
- •10.2.2 Средний температурный напор.
- •10.2.3 Уравнение теплопередачи.
- •10.2.4 Проверочный расчет теплообменного аппарата. Сравнение прямотока с противотоком.
- •10.2.5 Гидравлический расчет аппаратов.
- •10.2.6 Тепловой расчет регенеративных теплообменников
- •10.3 Методики расчет теплообменных аппаратов
- •10.3.1. Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата и алгоритм его поверочного расчета по методу n-e.
- •10.3.2. Основные закономерности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях
- •10.3.3. Деаэрация воды
- •Основы процесса
- •Кинетика процесса деаэрации воды
- •Конструктивные особенности термических деаэраторов
- •Список основных обозначений
- •- Число Стантона. Литература
10.2.4 Проверочный расчет теплообменного аппарата. Сравнение прямотока с противотоком.
Прямоточная
схема движения теплоносителей.
Температурный напор на выходе из
теплообменника
,
,
,
тогда
,
Преобразуем:
,
получим
,
Далее
учтем
и после простых преобразований получим
(*)
Уравнение
(*), показывает, что изменение температуры
горячего теплоносителя равно некоторой
доле ПР располагаемого температурного
напора
.
Эта доля зависит от двух безразмерных
параметров
и
:
(**)
Для холодного теплоносителя:
(***)
Из (*) и (***) определяем конечные температуры теплоносителей
;
.
Тепловой
поток
передаваемый через поверхность
теплообмена при прямотоке определяется
из (*)
Противоточная схема движения теплоносителей. Для противотока расчетные формулы выводятся так же и имеют следующий вид:
;
;
;
;
;
.
Сравнение
прямотока с противотоком.
Если разделить количество теплоты при
прямотоке, на количество теплоты,
переданное при противотоке при почих
равных условиях, то получим новую
безразмерную функцию от
и
рис. 10.1, показывающую, какая доля теплоты
противотока передается при прямоточной
схеме движения теплоносителей:
Рис. 10.1. Сравнение прямотока с противотоком
Как
следует из рис. 10.1, прямоточные и
противоточные схемы могут быть равноценны
только при очень больших и очень маых
значениях
(
и
)
или очень малых значениях
.
Первое условие соответствует случаю,
когда изменение температуры одного
теплоносителя мало по сравнению с
изменением температуры другого. Второе
условие равнозначно случаю, когда
средний температурный напор значительно
превышает изменение температуры
теплоносителей, так как
либо
.
Во всех остальных случаях при прочих
равных условиях противоток предпочтителен
по сравнению с прямотоком. Однако, надо
иметь ввиду, что температурные условия
для конструктивных материалов при
противотоке более жесткие, чем при
прямотоке.
10.2.5 Гидравлический расчет аппаратов.
Целью
гидравлического расчета является
определение потерь давления при
прохождении теплоносителя через
теплообменный или тепломассообменный
аппарат. Потери давления в первую очередь
обусловлены сопротивлением трения,
возникающим из-за вязкоти жидкости. Это
сопротивление существенно зависит от
скорости теплоносителя. В первом
приближении можно принять, что при
турбулентном течении жидкости в трубе
перепад давлений
на
ее концах пропорционален квадрату
скорости. От
зависит значение мощности, необходимой
для перемещения жидкости, так как
,
где
-
мощность, Вт;
-
массовый расход жидкости, кг/с;
-
плотность жидкости, кг/м3
;
-
гидравлическое сопротивление, Па.
Зная
значение
можно подобрать насос или вентилятор,
который будет обеспечивать прокачку
теплоносителя через аппарат. При этом
надо учитывать также КПД насоса и
вентилятора.
Так как расход пропорционален скорости, а гидравлическое сопротивление - приблизительно скорости в квадрате (для турбулентного режима течения, который наиболее часто встречается на практике), то в первом приближении мощность пропорциональна скорости в кубе. В связи с этим расчет гидравлического сопротивления и выбор оптимальной скорости теплоносителя имеет большое значение.
Полное гидравлическое сопротивление складываается из трех частей:
-
сопротивление трения. Которое для
течения в каналах определяется
,
где
-
коэффициент сопротивления, зависящий
от числа Рейнольдса,
-
длина и диаметр трубы,
-
скорость теплоносителя;
-
состовляющая потерь давления обусловлена
местными сопротивлениями (на входе в
трубу или межтрубное пространство,
повороте и др.). определяется по формуле:
,
где
-
местный коэффициент сопротивления. Для
конкретных условийзначение
выбирается
из таблиц. При наличии нескольких местных
сопротивлений потери давления от каждого
из сопротивлений складываются;
-
составляющая гидравлических потерь
связана с ускорением потока:
,
где индексы входа и выходы соответсвуют
условиям на входе и выходе из теплообменного
аппарата.
Если аппарат сообщается с атмосферой, при расчете следует учитывать гидростатические потери. Для замкнутых систем они равны нулю.
При
ламинарном стабилизированном течении
в трубе
.
При
турбулентном стабилизированном течении
в технически гладкой трубе
Если
высота шероховатости стенки трубы
соизмерима
с толщиной вязкого подслоя, то оказывается,
что гидравлическое сопротивление этой
трубы больше, чем гладкой. При этом
,
если
и
;
,
если
и
.
При неизотермическом течении в формулы следует вводить поправку.
Гидравлическое
сопротивление при поперечном обтекании
пучка труб
,
где
- скорость в узком сечении пучка,
и
,
то
;
Расположение
труб шахматное:
и
;
Расположение
труб коридорное:
и
.
где
-
число рядов;
-
шаг труб в поперечном направлении;
-
шаг труб в направлении потока;
-
наружный диаметр трубы;
-
диагональный шагш труб.