ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.10.2025
Просмотров: 168
Скачиваний: 1
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова
Кафедра «Процессов и аппаратов химической технологии»
П. Г. Алексеев, Е. В. Гаврилова, И. Г. Гольцова
Тепловые процессы
Методическое пособие для самостоятельной работы студентов
Москва ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова
2007 год
- 1 -
www.mitht.ru/e-library
УДК 536
Тепловые процессы: Методическое пособие для самостоятельной работы студентов / П. Г. Алексеев, Е. В. Гаврилова, И. Г. Гольцова. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоно-
сова, 2007. – 60 с.: ил.
Рецензент: Э. М. Карташов, доктор физико-математи- ческих наук, профессор МИТХТ им. М. В. Ломоносова.
Компьютерная вёрстка: Р. А. Жаков.
Данное методическое пособие по дисциплине «Тепловые процессы» предназначено для самостоятельной работы студентов III и IV курсов всех направлений и всех специальностей по закреплению теоретического материала изучаемой дисциплины, излагаемой на лекциях в МИТХТ.
В данном методическом пособии сформулированы основные положения теории теплопереноса для отдельных стадий теплообмена и приведены расчётные уравнения, позволяющие определить основные параметры процессов и факторы, влияющие на них. Даны примеры расчёта для каждого вида теплообмена в целом, теплообменного аппарата и выпарной установки.
Методическое пособие состоит из 7 глав, содержащих как теоретическую, так и практическую части. В конце пособия приведены необходимые справочные данные и библиографический список литературы, рекомендуемой студентам для самостоятельного изучения.
Настоящее методическое пособие является вторым изданием (1-е в 2004 году), переработано и дополнено. Оно соответствует программе учебных курсов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования и утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ.
©МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2007
-2 -
www.mitht.ru/e-library
ОГЛАВЛЕНИЕ.
|
|
|
|
|
|
Глава |
Наименование |
Страница |
|
|
|
|
|
|
|
|
Введение. |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Теплопроводность. |
7 |
|
|
2 |
Конвективный теплообмен. |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
2.1 |
Конвективный теплообмен при вынужденном дви- |
14 |
|
|
жении в гладких трубах и каналах. |
|
||
|
|
Конвективный теплообмен при вынужденном по- |
|
|
|
2.2 |
перечном обтекании одиночных труб и пучков |
17 |
|
|
|
труб. |
|
|
|
2.3 |
Конвективный теплообмен при свободном движе- |
19 |
|
|
нии теплоносителя. |
|
||
|
3 |
Конвективный теплообмен при изменении агрегат- |
22 |
|
|
ного состояния теплоносителя. |
|
||
|
|
|
|
|
|
3.1 |
Теплоотдача при кипении жидкости |
22 |
|
|
3.2 |
Теплоотдача при конденсации пара. |
24 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Лучистый теплообмен. |
26 |
|
|
5 |
Теплопередача и сложный теплообмен. |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
5.1 |
Теплопередача при неизменном агрегатном состоя- |
30 |
|
|
нии обоих рабочих тел. |
|
||
|
5.2 |
Теплопередача, когда одно из рабочих тел меняет |
32 |
|
|
|
своё агрегатное состояние. |
|
|
|
5.3 |
Теплопередача, когда оба рабочих тела меняют |
34 |
|
|
|
свои агрегатные состояния. |
|
|
|
6 |
Тепловой расчёт теплообменных аппаратов. |
36 |
|
|
7 |
Тепловой расчёт выпарной установки. |
42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Приложение. |
50 |
|
|
|
Библиографический список. |
59 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 3 -
www.mitht.ru/e-library
Основные условные обозначения.
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр |
Символ |
Единица измерения |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Время |
|
τ |
с |
|
|
|
Высота |
|
H, h |
м |
|
|
|
Диаметр |
|
D, d |
м |
|
|
|
Длина |
|
L, l |
м |
|
|
|
Изобарная теплоёмкость |
CP |
Дж/(кг×К) |
|
||
|
Коэффициент динамической вязкости |
μ |
Н×с/м2, Па×с |
|
||
|
Коэффициент излучения |
C |
Вт/(м2×К4) |
|
||
|
Коэффициент кинематической вязкости |
ν |
м2/с |
|
||
|
Коэффициент поглощения |
A |
– |
|
||
|
Коэффициент температуропроводности |
a |
м2/с |
|
||
|
Коэффициент теплоотдачи |
α |
Вт/(м2×К) |
|
||
|
Коэффициент теплопередачи |
K |
Вт/(м2×К) |
|
||
|
Коэффициент теплопроводности |
λ |
Вт/(м×К) |
|
||
|
Линейная плотность теплового потока |
ql |
Вт/п.м. |
|
||
|
Определяющий геометрический размер |
l |
м |
|
||
|
Плотность теплового потока |
q |
Вт/м2 |
|
||
|
Площадь теплообмена |
F |
м2 |
|
||
|
Расход вещества |
G |
кг/с |
|
||
|
Скорость потока вещества |
w |
м/с |
|
||
|
Средний логарифмический температур- |
ΔT, Δt |
К, °C |
|
||
|
ный напор |
|
|
|
||
|
Степень черноты |
ε |
– |
|
||
|
Температура |
|
поверхности |
θ |
К, °С |
|
|
|
среды |
T, t |
|
||
|
|
|
|
|
||
|
Температурный коэффициент объёмно- |
β |
К–1 |
|
||
|
го расширения |
|
|
|
||
|
Тепловой поток |
Q |
Вт, кВт |
|
||
|
Теплота парообразования |
r |
Дж/кг |
|
||
|
Толщина |
δ |
м |
|
||
|
Ускорение свободного падения |
g |
м/с2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
- 4 -
www.mitht.ru/e-library
Индексы.
Индекс |
Значение |
Жотносящийся к температуре жидкости
|
θ |
|
|
относящийся к температуре стенки |
|
||||||||||
|
S |
|
|
относящийся к состоянию насыщения |
|
||||||||||
|
определяющий размер – диаметр, определяющая температура |
|
|||||||||||||
|
dЖ |
|
|
|
|
|
|
– температура жидкости |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
ВН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
внутренний |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наружный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерии подобия. |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Критерий |
Обозначение |
|
Физ. смысл |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Bi |
αl |
|
|
|
|
|
Отношение терм. сопротивления |
|
|||
|
Био |
|
|
|
|
|
|
тв. тела к терм. сопротивлению |
|
||||||
|
|
λθ |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкости |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Грасгофа |
Gr βg |
|
Δtl3 |
|
|
|
Отношение подъёмной силы к |
|
||||||
|
|
νЖ2 |
|
|
силе вязкости |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu |
|
αl |
|
|
|
|
Основной безразмерный коэф- |
|
||||
|
Нуссельта |
|
|
|
|
|
|
фициент конвективной теплоот- |
|
||||||
|
|
λЖ |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дачи |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отношение конвективного теп- |
|
|
Пекле |
Pe = RePr |
|
|
лового потока к кондуктивному |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тепловому потоку |
|
|
|
μCPρ |
|
|
νЖ |
|
Отношение потока количества |
|
|||||||
|
Прандтля |
Pr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
λ |
|
aЖ |
|
движения к потоку тепла |
|
||||||||
|
|
|
|
|
Ж |
|
|
|
|
||||||
|
Рейнольдса |
|
Re |
|
wl |
|
|
|
|
Отношение силы инерции к силе |
|
||||
|
|
|
νЖ |
|
|
|
|
вязкости |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fo |
aτ |
|
|
|
|
|
Отношение скор. кондуктивного |
|
|||
|
Фурье |
|
|
|
|
|
|
|
переноса тепла к скор. аккуму- |
|
|||||
|
|
|
l2 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лирования тепла в материале |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 5 -
www.mitht.ru/e-library
Введение.
Теплоперенос, иначе – перенос теплоты от точки к точке, от тела к телу, от объекта к объекту в результате разности (градиента) температур между ними занимает особое место среди физических явлений и процессов переноса.
Теплопереносом (иначе – тепловым процессом) называется любое явление (процесс), связанное с переносом теплоты на любой стадии или в целом.
Элементом (видом, способом) процесса теплопереноса называется стадия (физический процесс), относящийся к какой-либо одной составляющей теплопереноса: перенос теплоты от движущейся среды к поверхности тела через пограничную плёнку – теплоотдача, характеризующаяся коэффициентом теплоотдачи α, Вт/(м2×К); перенос теплоты в твёрдом теле или другой среде – теплопроводность (кондукция), характеризующаяся коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м×К); перенос теплоты в результате электро-
магнитных возмущений – лучистый (радиационный) теплообмен, характе-
ризующийся коэффициентом излучения C, Вт/(м2×К4); перенос теплоты от одной среды к другой через разделяющую их поверхность – теплопередача, характеризующаяся коэффициентом теплопередачи K, Вт/(м2×К).
Основной движущей силой в процессе теплопереноса (или отдельных его стадиях) является разность температур. Если разность температур изменяется во времени и пространстве Δt = f(X, Y, Z, τ), то такие процессы называются нестационарными процессами, а если она изменяется только в пространстве и не зависит от времени Δt = f(X, Y, Z), то такие процессы называются стационарными. Стационарные процессы в большинстве присутствуют в химико-технологических процессах.
Общее математическое описание процесса переноса теплоты в дви-
жущейся среде описывается уравнением Фурье-Кирхгофа:
t |
w |
|
t |
w |
|
t |
w |
|
t |
a 2t |
qВН |
. |
(А) |
τ |
X X |
Y Y |
Z Z |
|
|||||||||
|
|
|
|
cρ |
|
||||||||
Математический анализ этого уравнения позволяет получить различные его модификации для конкретных условий. Так, например, однонаправленный перенос теплоты в твёрдом теле стационарного переноса при граничных условиях первого рода и отсутствии источника qВН выразится уравнением, на основании которого определяется закономерность изменения температуры в теле:
a |
2t |
0. |
(Б) |
|
X2 |
||||
|
|
|
- 6 -
www.mitht.ru/e-library
Глава 1. Теплопроводность.
Краткая теоретическая часть.
Теплопроводностью называется перенос теплоты при непосредственном соприкосновении частиц рабочего тела (твёрдого, жидкого или га-
зообразного), имеющих разную температуру, без перемещения этих частиц. При этом, независимо от агрегатного состояния, частицы рассматриваются как достаточно крупные образования сплошной среды, существенно превосходящие размеры микрочастиц (атомов, молекул и пр.).
Уравнение (Б) и закон Фурье1 позволяют получить выражения для расчёта изменения температуры на поверхности плоской однородной стенки при соответствующем тепловом потоке q и коэффициенте теплопроводности2 λ в виде (см. рис. 1.1 и рис. 1.2):
θ θ |
2 |
Δθ |
q |
δ, |
(1.1) |
||
|
|||||||
1 |
|
|
|
λ |
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Δθ |
|
|
|
|
|
q |
, |
|
|
(1.2) |
|||
δ λ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где δ/λ – термическое сопротивление переносу теплоты; λ/δ – проводимость.
Рис. 1.1.
Теплопроводность через однослойную стенку.
1В закон Фурье можно подставлять температуры, выраженные в градусах Цельсия или Кельвина, поскольку, хотя шкалы Цельсия и Кельвина отличаются на 273,15 °, но величина разности температур одна и та же. Другими словами, градиент температуры 1 °C/м равен градиенту температуры 1 К/м.
2Коэффициент теплопроводности λ является теплофизическим параметром вещества, характеризующий способность этого вещества проводить теплоту. Числовое значение этого коэффициента определяет количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при условии равенства градиента температуры единице.
-7 -
www.mitht.ru/e-library