Файл: Тепловые процессы.ppt

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты, называют тепловыми:
Нагревание
Охлаждение
Конденсация
Испарение
Аппараты, предназначенные для проведения этих процессов называют тепловыми или теплоиспользующими.
Теплообмен – процесс переноса теплоты между телами, имеющими различную температуру.
Различают три вида переноса теплоты:
теплопроводность
конвекция
тепловое излучение.
Теплопроводность – процесс распространения теплоты внутри тела вследствие движения и взаимного соприкосновения микрочастиц.
Конвекция – процесс распространения теплоты в результате перемещения макроскопических объёмов жидкостей или газов.
Конвекция: естественная и принудительная (вынужденная).

Температурное поле и температурный градиент. Тепловой поток и плотность теплового потока.

Стационарное t=f(x,y,z)
Нестационарное t=f(x,y,z

n

A

t

tt

n

Температурный градиент

Тепловой поток Q, [Дж/с]=1[Вт]
Плотность теплового потока
q=Q/F [Вт/м2]

Закон Фурье:

, [Вт]

- коэффициент теплопроводности

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Контрольный объем

dV=dxdydz

- оператор Лапласа

- коэффициент температуропроводности, [м2/с]

Теплопроводность плоской стенки

0

0

х



t

tст1

tст2

Стационарный режим

(1)

Краевые условия: х=0, t=tст1; х=δ, t=tст2 .

, (2)

t=C1x+C2. (3)

При х=0 t= tст1=C1*0+C2 отсюда C2= tст1 (4)

При х=δ t= tст2=C1*δ+ tст1 отсюда

(5)

Профиль температуры в плоской стенке

(6)

Подставляя выражение производной

в закон Фурье, получаем

Уравнение теплопроводности плоской стенки

(7)

- тепловая проводимость

- термическое сопротивление

Теплопроводность многослойной плоской стенки

0

0

х

1

t

tст1

tст2

2

3

1

2

3

t2

t3

Q

- суммарное термическое сопротивление слоев

Теплообмен излучением

Спектр теплового излучения:
Световые волны 0,4-0,8 мкм
Инфракрасные лучи 0,8-800 мкм
Поверхностная плотность излучения Е ,[Вт/м2 ]
Q=ES – лучистый поток [Вт]

QR+QA+QD=Q

R+A+D=1
R=1 (A=D=0) – белое тело
A=1 (R=D=0) – абсолютно черное тело
D=1 (R=A=0) – диатермичное тело

Закон Стефана-Больцмана

- константа излучения абсолютно черного тела

Для реальных тел с

- степень черноты

- коэффициент излучения абсолютно черного тела

Е0А=Е или

- закон Кирхгофа

- закон Ламберта

Теплообмен излучением между твердыми телами

c1-2 – коэффициент взаимного излучения
φ – средний угловой коэффициент

теплообмен между двумя параллельными поверхностями

Излучающее тело находится внутри другого

При наличии n экранов:

Конвективный теплообмен

Структура теплового и гидродинамического пограничных слоев

Теплоотдача – процесс теплообмена между твердым телом и жидкостью (газом), происходящий при их соприкосновении и одновременном переносе теплоты конвекцией и теплопроводностью.

Основное уравнение теплоотдачи (Закон Ньютона)

F – площадь поверхности теплообмена [м2]

- коэффициент теплоотдачи

т - толщина теплового пограничного слоя
 г - толщина гидродинамического пограничного слоя

Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты

dV=dxdydz

(1)

(2)

Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Тепловое подобие

Подобие граничных условий

- критерий Нуссельта

- критерий Фурье

- критерий Пекле

- критерий Прандтля

f(Re, Gr, Nu, Pr, Fo, Г1, Г2,…, Гn)=0
Nu= f(Re, Gr, Pr, Fo, Г1, Г2,…, Гn)
Nu= f(Re, Gr, Pr)
Nu= f(Re, Pr) или Nu=ARenPrm
Nu= f(Gr, Pr) или Nu=AGrnPrm

- критерий Грасгофа

Свободная конвекция

Горизонтальные трубы 103

Вертикальные поверхности

Ламинарный режим 103

Турбулентный режим Gr*Pr>109

Определяющая температура tcp=0.5(tст+tж)
Определяющий размер для горизонтальных труб – наружный диаметр, для вертикальных поверхностей – высота.

Вынужденная конвекция

Ламинарный режим Re<2320

Вязкостный режим в прямых трубах

Вязкостно-гравитационный режим при Gr*Pr>8*105

Переходный режим 2320

Развитый турбулентный режим Re>104

Поперечное расположение труб в потоке теплоносителя

Одиночная труба

Пучки труб

Коридорные пучки

Шахматные пучки

Определяющий размер – наружный диаметр труб.
Определяющая температура – средняя температура жидкости.
Определяющая скорость – скорость в самом узком месте пучка труб.
Для теплообменников с перегородками можно принять

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния жидкости

Теплоотдача при кипении жидкости

где

σ - поверхностное натяжение, Н/м;
Ткип – температура кипения, оК;
q – плотность теплового потока, Вт/м2;
ν - кинематический коэффициент вязкости, м2/с;
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙K.

Теплоотдача при конденсации пара

Виды: капельная и пленочная

t



tст

tп

пар

Пленка конденсата

- критерий конденсации

- температурный напор

Вертикальные трубы

Горизонтальные трубы

- свойства жидкости при

ε – усредненный для всего пучка труб коэффициент, зависящий от расположения труб и числа их в вертикальном ряду

Теплопередача

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

- сумма термических сопротивлений

уравнение теплопередачи при постоянных температурах теплоносителей

- коэффициент теплопередачи

Уравнение теплопередачи при переменных
температурах теплоносителей

- среднее значение разности температур между теплоносителями

Схемы движения теплоносителей

Температурные схемы

прямоток

противоток

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

Промышленные способы подвода теплоты

Нагревание водяным паром, топочными газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.

Нагревание водяным паром

Давление 1 – 12 атм, температура 100 – 190 0С

Нагревание «глухим» паром

Конденсатоотводчик с закрытым поплавком:
1 – корпус, 2 – поплавок, 3 – клапан,
4 – стержень, направляющий стакан

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ)

Глицерин, нафталин, этиленгликоль, дифенил, дифениловый эфир, дитилолметан, арохлоры, минеральные масла, кремнийорганические жидкости и др.
Динил: 26,5% дифенила и 73,5% дифенилоксида

Расплавы неорганических солей применяют в качестве теплоносителей при нагревании до 550 0С Нитрит-нитратная смесь (40% NaNO2, 7% NaNO3, 53% KNO3) имеет температуру плавления 142 0С

Жидкие металлы используют для нагревания до температур 300 – 800 0С
Применяют литий, натрий, калий, ртуть, свинец и некоторые сплавы (например свинца с висмутом)
Топочные газы позволяют осуществить нагрев до 1100 0С
Недостатки: неравномерность нагрева, низкие коэффициенты теплоотдачи (35-60 Вт/м2град), загрязненность.

Электронагрев

По способу превращения электрической энергии в теплоту различают:
нагревание сопротивлением, электрической дугой, индукционное, высокочастотное.
Нагревание инфракрасными лучами
Излучатели: электрические лампы, обогреваемые панели, беспламенные горелки.

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

1) Поверхностные (рекуперативные)
2) Смесительные (контактные)
3) Регенеративные

КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Аппараты воздушного охлаждения
горизонтальные (АВГ)
зигзагообразные (АВЗ)
малопоточные (АВМ)
Аппараты воздушного охлаждения, предназначены для охлаждения и конденсирования различных жидкостей и парообразных соединений, которые применяются в нефтяной, газовой и смежных отраслях промышленности. При изготовлении АВО применяются биметаллические теплообменные трубы с алюминиевым оребрением, что даёт возможность достигать поверхности теплообмена до 10000 квадратных метров.

Коэффициент оребрения в трубах составляет от 9 до 20 единиц.
При изготовлении АВО используется углеродистая и низколегированная сталь, высоколегированные стали и сплавы и помимо этого титан, а так же латунь. Изготавливаются также воздухонагреватели (калориферы) типа ВНВ 113, для подогрева воздуха в шахтах и недопущения их обмерзания в зимний период.

ВЫПАРИВАНИЕ

Материальный баланс:

(1)

(2)

(3)

(4)

Тепловой баланс

D - расход греющего пара, кг/с

Обозначения:

- энтальпии вторичного и греющего пара, Дж/кг

- температура конденсата

- теплоемкости исходного, упаренного растворов и воды.

Статьи прихода теплоты
1. с исходным раствором -

2. с греющим паром -

Статьи расхода теплоты

1. с упаренным раствором -

2. с вторичным паром -

3. с конденсатом греющего пара -

4. теплота концентрирования -

5. потери в окружающую среду -

Уравнение теплового баланса

- температурная депрессия

- гидростатическая депрессия

- гидравлическая депрессия

2320>