Файл: 4. 1 Основные виды тепломассообменного (тмо) оборудования и их классификация.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2023
Просмотров: 58
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
теплопередача.
4.5 Теоретические основы теплопередачи
Теплопередача- теплообмен между двумя жидкостями-теплоносителями, разделенными стенкой. Такой процесс наблюдается в теплообменных (ТО) аппаратах, ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в обмуровках высокотемпературных печей и т.д.
Стенки могут быть однослойные, многослойные, с большим термическим сопротивлением и с малым, с воздушными прослойками, которые в одном случае выполняют роль теплоизолятора, в другом - служат для удаления влаги из стен.
Процесс теплопередачи состоит из трех составляющих:
1) теплообмен между греющей средой и одной поверхностью стенки;
2) теплопроводность самой стенки;
3) теплообмен между второй поверхностью стенки и нагреваемой средой.
Теплообмен с любой стороны может быть конвективным или суммарным.
Д
ля однослойной плоской стенки это:
.
Отсюда, уравнение теплопередачи для однослойной плоской стенки:
, где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К), равное количеству тепла, переданного через единицу поверхности в единицу времени от одной жидкости к другой при разности температур между ними в один градус. Таким образом, чтобы вычислить значение коэффициента теплопередачи для плоской стенки, необходимо знать толщину стенки δ, коэффициент теплопроводности λ и значения коэффициентов теплоотдачи α1 и α2. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи R = 1/k = 1/α1 + δ/λ + 1/α2.
Для многослойной плоской стенки R = 1/k = 1/α1 + Σ δi/λi + 1/α2.
Для однослойной цилиндрической стенки:
Для многослойной цилиндрической стенки:
Для интенсификации теплопередачи от горячей жидкости к холодной через стенку необходимо увеличить коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур ΔТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициентов теплоотдачи
.
Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи. Быстрый рост коэффициента теплопередачи наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи. При увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост коэффициента теплопередачи вначале замедляется, а затем прекращается.
Правила интенсификации:
1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов.
2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны, то надо увеличивать оба коэффициента.
3. Если меньший коэффициент теплоотдачи нельзя увеличить, то с его стороны делают оребрение – увеличивают площадь.
4. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидкостей может осуществляться за счет перехода к турбулентному режиму (увеличение скорости, применение волнистой поверхности), но это приводит к увеличению гидравлического сопротивления.
Для снижения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить термическое сопротивление системы – нанести слой тепловой изоляции.
4.6 Теоретические основы конвективного теплообмена
Конвекция – перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом часто называют теплоотдачей.
На процесс теплоотдачи конвекцией влияют:
1. Характер движения жидкости около твердой стенки (свободное или вынужденное – ламинарное или турбулентное). При ламинарном движении среда течет параллельными струями. В этом случае коэффициент будет наименьшим (это не относится к естественной конвекции). При переходном режиме одновременно со струями начинают срываться вихри. При турбулентном режиме будет наибольший коэффициент теплоотдачи, т.к. здесь наблюдается вихревое движение среды. Чем интенсивнее перемешивание жидкости, тем больше турбулентность потока и тем выше теплоотдача. Режим течения жидкости определяется не только скоростью, но и безразмерным комплексным числом Рейнольдса Re = ω
l/υ.
2. Физические свойства или род жидкости. На теплоотдачу влияют плотность, теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, кинематическая вязкость жидкости.
3. Условия теплового режима (например, изменение агрегатного состояния).
4. Температурный напор ΔT – разность температур между твердой стенкой и жидкостью. Чем выше температура температурного напора, тем выше теплоотдача между жидкостью и стенкой.
5. Направление теплового потока Q: при прочих одинаковых условиях теплоотдача от горячей стенки к холодной жидкости больше, чем наоборот.
6. Геометрические размеры тела, которые влияют на толщину пограничного слоя.
7. Направление теплоотдающей поверхности.
Процесс конвективного теплообмена описывается законом Ньютона
, Вт,
где α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К), численно равный количеству теплоты, передаваемому от жидкости к твердой поверхности в единицу времен, через единицу поверхности при перепаде температур между стенкой и жидкостью в один градус, определяет интенсивность конвективного теплообмена.
7) Лучистый теплообмен
Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длинных волн от нуля до бесконечности, т.е. имеют сплошной спектр излучения.
Под действием возбуждения колебаний в малекулах и атомах вещества (тела) возникают электромагнитные колебании. Электромагнитные излучения находится в пределах: для рентгеновских лучсй 10-6 …20*10 -3, Ультрофиалетовых -0,02...0,4; видимых (световых) -0, 4...0,8; тепловых (инфракрасных) — 0,8-...800; для радиоволн 700 мкм Х км.
Излучение волн любой длины всегда превращаются в тепловую энергию. Но для световых и инфрокрасных лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией.
Всюду где в определенных условиях температура достигает порядка 600...700 °С и выше, превалирующим видом теплообмена является радиация. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучи
стая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивная передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разрежения.
Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).
Падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следовательно: Е0 = Еот + Епог + Епр. Для количественной оценки каждой части лучистой энергии вводят следующие понятия.
В соответствии с законом сохранения энергии: R+ А+ D= 1.
Если R = 1,то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и определяется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными. В случае диффузного отражения - абсолютно белыми.
Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными. Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия проходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичными.
Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафиолетовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.
Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, что используется для различных тел и сооружений. Тепловые же лучи невидимого инфракрасного излучения воспринимают поверхность тел только по состоянию ее шероховатости и степени черноты.
Основные законы теплового излучения
5. Степень черноты полного излучения тел
характеризует суммарное лучеиспускание реального тела, определяется экспериментально.
Наиболее существенно на и А в инфракрасном диапазоне излучения влияет шероховатость поверхности, поэтому различают степень Черноты металла как вещества (шероховатое или окисленное) и металла после его обработки или полировки, когда степень черноты имеет Например, медь окисленная имеет = 0,6...0,8; медь слегка полирован = 0,12; а медь тщательно полированная имеет
4.5 Теоретические основы теплопередачи
Теплопередача- теплообмен между двумя жидкостями-теплоносителями, разделенными стенкой. Такой процесс наблюдается в теплообменных (ТО) аппаратах, ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в обмуровках высокотемпературных печей и т.д.
Стенки могут быть однослойные, многослойные, с большим термическим сопротивлением и с малым, с воздушными прослойками, которые в одном случае выполняют роль теплоизолятора, в другом - служат для удаления влаги из стен.
Процесс теплопередачи состоит из трех составляющих:
1) теплообмен между греющей средой и одной поверхностью стенки;
2) теплопроводность самой стенки;
3) теплообмен между второй поверхностью стенки и нагреваемой средой.
Теплообмен с любой стороны может быть конвективным или суммарным.
Д
ля однослойной плоской стенки это: .Отсюда, уравнение теплопередачи для однослойной плоской стенки:
, где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К), равное количеству тепла, переданного через единицу поверхности в единицу времени от одной жидкости к другой при разности температур между ними в один градус. Таким образом, чтобы вычислить значение коэффициента теплопередачи для плоской стенки, необходимо знать толщину стенки δ, коэффициент теплопроводности λ и значения коэффициентов теплоотдачи α1 и α2. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи R = 1/k = 1/α1 + δ/λ + 1/α2.Для многослойной плоской стенки R = 1/k = 1/α1 + Σ δi/λi + 1/α2.
Для однослойной цилиндрической стенки:
Для многослойной цилиндрической стенки:
Для интенсификации теплопередачи от горячей жидкости к холодной через стенку необходимо увеличить коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур ΔТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициентов теплоотдачи
.Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи. Быстрый рост коэффициента теплопередачи наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи. При увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост коэффициента теплопередачи вначале замедляется, а затем прекращается.
Правила интенсификации:
1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов.
2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны, то надо увеличивать оба коэффициента.
3. Если меньший коэффициент теплоотдачи нельзя увеличить, то с его стороны делают оребрение – увеличивают площадь.
4. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидкостей может осуществляться за счет перехода к турбулентному режиму (увеличение скорости, применение волнистой поверхности), но это приводит к увеличению гидравлического сопротивления.
Для снижения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить термическое сопротивление системы – нанести слой тепловой изоляции.
4.6 Теоретические основы конвективного теплообмена
Конвекция – перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом часто называют теплоотдачей.
На процесс теплоотдачи конвекцией влияют:
1. Характер движения жидкости около твердой стенки (свободное или вынужденное – ламинарное или турбулентное). При ламинарном движении среда течет параллельными струями. В этом случае коэффициент будет наименьшим (это не относится к естественной конвекции). При переходном режиме одновременно со струями начинают срываться вихри. При турбулентном режиме будет наибольший коэффициент теплоотдачи, т.к. здесь наблюдается вихревое движение среды. Чем интенсивнее перемешивание жидкости, тем больше турбулентность потока и тем выше теплоотдача. Режим течения жидкости определяется не только скоростью, но и безразмерным комплексным числом Рейнольдса Re = ω
l/υ.
2. Физические свойства или род жидкости. На теплоотдачу влияют плотность, теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, кинематическая вязкость жидкости.
3. Условия теплового режима (например, изменение агрегатного состояния).
4. Температурный напор ΔT – разность температур между твердой стенкой и жидкостью. Чем выше температура температурного напора, тем выше теплоотдача между жидкостью и стенкой.
5. Направление теплового потока Q: при прочих одинаковых условиях теплоотдача от горячей стенки к холодной жидкости больше, чем наоборот.
6. Геометрические размеры тела, которые влияют на толщину пограничного слоя.
7. Направление теплоотдающей поверхности.
Процесс конвективного теплообмена описывается законом Ньютона
, Вт,где α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К), численно равный количеству теплоты, передаваемому от жидкости к твердой поверхности в единицу времен, через единицу поверхности при перепаде температур между стенкой и жидкостью в один градус, определяет интенсивность конвективного теплообмена.
7) Лучистый теплообмен
Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длинных волн от нуля до бесконечности, т.е. имеют сплошной спектр излучения.
Под действием возбуждения колебаний в малекулах и атомах вещества (тела) возникают электромагнитные колебании. Электромагнитные излучения находится в пределах: для рентгеновских лучсй 10-6 …20*10 -3, Ультрофиалетовых -0,02...0,4; видимых (световых) -0, 4...0,8; тепловых (инфракрасных) — 0,8-...800; для радиоволн 700 мкм Х км.
Излучение волн любой длины всегда превращаются в тепловую энергию. Но для световых и инфрокрасных лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией.
Всюду где в определенных условиях температура достигает порядка 600...700 °С и выше, превалирующим видом теплообмена является радиация. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучи
стая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивная передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разрежения.
Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).
Падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следовательно: Е0 = Еот + Епог + Епр. Для количественной оценки каждой части лучистой энергии вводят следующие понятия.
-
Отношение отраженной энергии к энергии, падающей на
поверхность, называют отражательной способностью тела R = Е0Т/Е0. -
Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют
поглощательной способностью тела А = Епогг/Ео. -
Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии
называют пропускательной способностью тела D = Е пр/Е0.
В соответствии с законом сохранения энергии: R+ А+ D= 1.
Если R = 1,то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и определяется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными. В случае диффузного отражения - абсолютно белыми.
Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными. Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия проходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичными.
Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафиолетовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.
Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, что используется для различных тел и сооружений. Тепловые же лучи невидимого инфракрасного излучения воспринимают поверхность тел только по состоянию ее шероховатости и степени черноты.
Основные законы теплового излучения
-
Закон смещения Вина: с увеличением абсолютной температуры
Максимальная длина волны смещается к области более коротких волн. -
Закон теплового излучения Кирхгофа: чем больше тело излучает
|, тем больше оно и поглощает, или излучательная способность тела
прямо пропорциональна поглощательной при той же температуре. -
Закон Стефана—Болъцмана для реального тела: излучательная
Способнсть реального тела Е зависит от степени черноты тела и про-
порциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т. -
Для большинства твердых (серых) тел вместо поглощательной способности оперируют понятием степени черноты реального тела .
под степенью черноты реального тела е понимают отношение излучательной способности данного тела Е к излучательной способности абсолютно черного тела Ео при той же температуре: = (Е/Е0)г-
5. Степень черноты полного излучения тел
характеризует суммарное лучеиспускание реального тела, определяется экспериментально.Наиболее существенно на
и А в инфракрасном диапазоне излучения влияет шероховатость поверхности, поэтому различают степень Черноты металла как вещества (шероховатое или окисленное) и металла после его обработки или полировки, когда степень черноты имеет Например, медь окисленная имеет = 0,6...0,8; медь слегка полирован = 0,12; а медь тщательно полированная имеет