Пути интенсификации теплопередачи.

Ǫ=кF(tж1-tж2), где tж1=соnst, tж2=const. где R=1/(1/α1 +δ/λ +1/α2), δ/λ→0,тогда R=1/(1/α1 +1/α2),если α2→к бесконечности, то R→α₁; если α1→к бесконеч., то h→ α2.

2 способа интенсификации теплопередач: путем увел. коэфф. теплоотдачи; путем оребрения поверхности. Ребра, имеющие форму пластин, стержней или любую другую, одним концом плотно прикрепляют к теплоотдающей поверхности с помощью сварки, пайки или изготовляют как целое со стенкой. Ребристыми выполняют радиаторы отопления, корпуса двигателей и редукторов, радиаторы для охлаждения воды в двигателях внутреннего сгорания и т. д.

Термическое сопротивление теплоотдачи за счет оребрения поверхности уменьшается пропорционально коэффициенту оребрения (отношению площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности до ее оребрения).

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен –одновременный перенос теплоты.

Теплота конвекции переноситься только в жидкостях и газах.

Перенос теплоты конвенцией теплопроводностью называется конвективный теплообмен . Теплота К переносится в результате перемещения и перемешивания объемов жидкостей имеющих различную температеру. Различают вынужденные и свободные конвенцию.

- вынужденная

-свободная – жид.приходит в движение изза разности плотностей.

Физическое свойство жидкости

В качестве теплоносителей используется следующие жидкости :

1. Вода и водяной пар

2. Щелочные металлы

3. Расплавленные металлы

4. Газ и т.д.

Физическое свойство жидкости оказывают существенное влияние на характерные передачи теплоты : .

Все реальные жидкости обладают вязкостью.

Вязкость- при движении жидкости между частицами жидкости обладает силы внутреннего трения, которые тормозят быстрые слои и ускоряет медленные .

-сила внутреннего трения ,н/ =Па

- градиент скорости ,1/с

-Па

-коэффициент динамической вязкости

-коэффициент кинематической вязкости ,

-физические параметры

-текучесть ,Ф=

41Теплообмен между поверхностью тела и омывающие его потоками газа или называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Процесс теплопередачи определяется законом Ньютона-Рихманда:

(1)

( )- С

- температурный напор теплоотдачи

,Вт-уравнение теплоотдачи (2)

-средний коэффициент теплоотдачи

(3)

Решаем совместное уравнение (1) и (3)

-дифференциальное уравнение (4)

Основной проблемой по использованию уравнения (2) является определение

(*)

Аналогичные выражения для до сих пор не найдено.

Конвективный теплообмен описывается системой дифференциального уравнения :

1. дифференциального уравнения энергии

2. дифференциального уравнения теплообмена

3. дифференциального уравнения движения

4. дифференциального уравнения неразрывность

Для решения системы ДУ нужно присоединить краевые уравнения:

· начальное условия

· геометрическое условие

· физическое условие

· граничное условие

Система ДУ с присоединенной к ней краевого условия представляет собой математическую формулировку

42.Для нахождения коэффициента теплоотдачи используется теория подобия. Ее суть сводится к следующему: размерные физ. и др. величин объеден. в безразмерные комплексы. Далее эти комплексы рас-ся как новые переменные.

Затем опытным путем ищется функциональная связь между новыми переменными –безразмерным комплексом.

Числа подобия(безразмерные комплексы).Конвентив. теплообмен хар-ся 5ю основными числами подобия:

1)Число Ейлера = =

ΔP-гидровлич. cопротивление

S-плотность
w-скорость потока

2)Число Ринольдса

e-линейный размер

w –скорость

ν-кэф.кинематич.вязкости

Хар-ет вынужденую конвекцию и режимы ?

3)Число Нусельта Nu=

𝛂-средн. коэ-нт теплоотдачи

𝛌- коэ-нт теплопроводности

Хар-ет интенсивность теплообмена между поверх.тепла и жидкостью

4)Число Прандля Ρr=

Характеризует физич св-ва жидкости

а-коэ-нт теплопроводности

5)Число Гразгоффа

Gr= хар-ет свободную конвекцию

𝛃- коэ-нт объёмного расширения жидкости

43.УРОВНЕНИЕ ПОДОБИЯ КОНВЕНТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Искожение велич. в кон.теп-не является гидровлич.сопротивление.

Δ𝚸 и коэф. теплоотдачи ά

Числа Ейлера и Нусельта назыв. определяемые числа подобия ,а числа Ринольдса,Прандля и Гразгоффа назыв определяющие числа подобия.

Функциональная зависимость определяемых чисел подобия от определяющих назыв уровн. подобия конвентивного теплообмена

Ег=f(Pr,Gr,Ke) уравнение подобия

Mu=f(Pr,Gr,Ke) (2)

В общем виде уравн(2):

Nu=с (3)

Где c=const, n,k,m-показатели степени c,n,k,m их значения наход.опытным путем. -учитывает направление теплового потока,усредняет величину теплового потока

Порядок расчета:

Уравнение (3) соотв. уравн (*) 𝛂=а(λ,𝛒,с, а) в размерном виде

1)Определяем вид конвекции(вынужденая,свободная)

2)Определяем режим течения Re= (ломинарное , турбулентное)

3)из справочной и учебной литературы выбираем соответ. Уравнение подобия конвективного теплообмена

4)опред Nu по выорному уравнению

5)опред коэф-нт теплоотдачи(𝛂)

Nu= : 𝛂=

6)рассчит.тепловой поток по уравн : Q=ά F(tc-tж)

Средняя температура. Линейный размер. Скорость потока

Тср ж= Тж -температура усредненная по сечению и длине канала

W= v-объёмный расход, F- площадь поперечного сечения

Выбранные температуры, линейные размеры, и скорость расчета чисел подобия назыв определяющими

Опред.темп-ра: tж, tтела с t=

Опред.размеры: d-диаметр внутр., D-диаметр наружн., эквив.диам , 𝜾- диаметр трубы

44.ТЕПЛООТДАЧА НА СВОБОДНОЙ ПОЛОВИНЕ В НЕОГРАНИЧЕННО БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ

Свободной конвекцией называют движение вызванное массивными силами. Одной из таких сил является подъемная сила, воз-щая в объеме рас-емой жидкости, наход-щейся в поле земного тяготения за счет разности плотностей, обусловл.неоднородным распред. в объеме рассматриваемой жидкости

жид

хол. возд тепл.возд

Академик Михеев предлагает след. описание теплоотд. уравн. подобий

Nu=C

Условие движения		C	n
Вдоль верхней стенки	1* *	0,75	0,25
Вдоль вертикальной стенки	1,6 *	0,15	1,3
На горизонт стенке	1 * *	0,5	0,25

За определенную температуру берете tж в дали от теплообмена .если свобод. теплоотдача идет в трубе то за определенный размер берем диаметр трубы

Порядок расчета:

Gr=

45.Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной Re. При движении жидкости в трубах развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях Re>10⁴; Re=2·10³÷1·10⁴соответствует переходному режиму. При ламинарном движении происходит значительное изменение температуры по сечению трубы и соответственно изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное движение теплоносителя накладывается свободное движение. Интенсивность свободного движения характеризуется числом Грасгофа. Средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубе, учитывающий влияние свободной конвекции, Здесь определяющий геометрический размер — диаметр трубы d или эквивалентный диаметр канала любой формы; определяющая температура — средняя температура потока. Коэффициент ε_l, зависит от отношения l/d, где l — длина трубы. При l/d>50 ε_l=1. Приl/d=1 ε_l=1,9. При турбулентном режиме жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Для определения среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re>10⁴) рекомендуется следующее уравнение подобия:

.

Для потока в пределах Re=2·10³÷1·10⁴ лежит область переходного режима. Теплоотдача при этом режиме зависит от очень многих факторов, которые трудно учесть одним уравнением подобия. Приближенно коэффициент теплоотдачи в этой области можно оценить следующим образом. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи определится по формуле (10.12), а наименьшее с помощью уравнения

.

Коэффициент кинематической вязкости – это отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости. Коэффициент динамической вязкости – это коэффициент пропорциональности между силой трения слоёв жидкости друг о друга и их относительным смещением.

46.Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

, где — тепловой поток, — температура стенки, средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения.

Можно выделить пять характерных областей:

1. До точки . Область конвекции;

2. Между точками и . Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;

3. Между точками и . Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;

4. Между точками и . Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется «сливанием» отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;

5. От точки . Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.

Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки . В этом случае, по мере увеличения последовательно сменяются пять областей кипения.

В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекции не кипящей жидкости (до т. ), поверхностного кипения (между точками и ) и развитого пузырькового кипения (между точками и ). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки до точки ), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки ). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток , при котором начинается резкий рост температур ( - ) — первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто — критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки . В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки до точки ), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток , при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый ( - ), называется вторым критическим тепловым потоком.

Во многих теплообмеиных устройствах современной энергетики и ракетной техники тепловой поток, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности. Так, теплоподвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счет излучения из топочного пространства. Падающий лучистый поток практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке. Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей, внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) активной зоны атомного реактора, где происходит непрерывное выделение тепла вследствие ядерной реакции. Кипение-это интенсивный переход жидкости в пар,происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Если по каким-либо причинам тепловой поток превысили критическое значение , пузырьковый режим кипения быстро сменяется на пленочный, а температура обогревающей поверхности возрастает до существенно высоких значений, что может привести к пережогу обогревающей поверхности. При этом, для восстановления пузырькового режима кипения и исходных значений температур, необходимо снижение теплового потока до значения .

47. Конденсация (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение), переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при докритических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении (см. Росы точка). Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).

На поверхности твердых тел различают пленочную и капельную кон­денсацию, которые при неподвижном паре зависят от угла смачивания р (краевого угла), составленного между поверхностью тела и касательной к капле. Если краевой угол р < 90°, то твердую поверхность называют смачи­ваемой, и чем р меньше, тем лучше капля растекается на поверхности. При Р > 90° твердая поверхность не смачиваема и капли сохраняют на ней свою каплеобразную форму. Совершенно чистые металлические поверхности почти полностью смачиваются водой, а загрязненные - неполно или вовсе не смачиваются.

48. ____________ энергия возникает за счёт энергии других видов в различных сложных молекулярных и внутримолекулярных ________. Природа всех лучей одинакова, они представляют собой _________________ электромагнитные волны. Источником таких волн являются атомы и молекулы в-ва. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.

C=A1=300000 ^км/_c

1А=10^-2_{____} (Ангстрем)

Тепловые или инфракрасные А=0,8*10^-3-0,8_____

__________ св-ванна всем телам, если Т ок

Твердые и жидкие тела излучают тонким слоем поверхности и имеют сплошной спектр излучения.

Газы излучают объёмом, и они имеют ______ спектр излучения.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям сферического пространства называется _________ или полным лучистым потоком (Q,,Вт)

49.Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности, называется излучаемой поверхностью тела.

Е= ( )

Рассмотрим произвольно расположенные в пространстве ______________ тело.

Q=Q_A+Q_R+Q_Д (1)

Коэффициент поглощения

Д= Коэффициент пропускания

А+R+Д=1 (3)

a)A=1 R=0 Д=0 Абсолютно чёрное тело. А_воды 0,963

б)A=0 R=1 Д =0 Абсолютно белое тело. А_Ав

в)А=0 R=0 Д=1 Абсолютно прозрачное тело(одноатомные и двухатомные газы)

Подавляющее большинство твёрдых и жидких тел не пропускает лучистую энергию.

А+К=1

Излучение может быть зеркальным и ____________

50. Основные законы теплового излучения:

1)Закон планка

=f( ,Т)

2) Закон Вина

T=2,29 мм*к

=

3) Закон Кирхгофа

Отношение излучательной способности тела, его положительной способности не зависит от природы тел, является одинаковой функцией температуры и является излучательной способностью абсолютно чёрного тела:

= = = = (T)

= (T)

Следствие из закона Кирхгофа :

1)Сколько тело поглощает, столько оно и излучает.

2)Если тело не поглощает, то оно и не излучает.

4)Закон Стефана-Больцмана

Излучательная способность абсолютного чёрного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре в 4 степени.

= *T⁴

=5,67*10^-8

= ⁴ -коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

=5,67

А+R=1 – Для серых тел.(реальных тел) закон:

Е(Т)=С C – коэффициент излучения.

51. Теплообмен излучений между двумя параллельными стенами (поверхностями).

Рассмотрим две бесконечно параллельные поверхности

Т₁ Т₂

F₁-__________ поверхность

F₂-__________ поверхность

F₁=F₂=F(м²)

Q_{1 пр} )⁴*( )⁴ Вт

С_пр-Произведённый коэффициент излучения

С_пр=

С_пр=Е_пр*С₀

С_пр=

52. Экраны для защиты от излучения.

T₁ T₂

a)Экрана нет

=Е_пр*С₀

Е_пр=

б)Экран есть

пусть Е₁=Е₂=Е_пр

⁴= *

= =

n – экранов =

53. Теплообменные аппараты(ТА)-всякое устройство, в котором одна жидкость-горячая среда передает теплоту к др. жидкости-холодной среде. ТА изготавливают из Me, из низкоуглеродистой стали до t=400-450°C, из легированной стали t=500-700°C, если t>700°C- то ТА изготавливают из дорогих Me.

ТА делятся на 3 группы:

1. Смесительная (горячие и холодные теплоносители смешиваются)

2. Регенеративные ТА

3. Рекуперативные ТА (теплота от горячей жидкости передается к холодной жидкости через стенку)

Большое влияние на характер теплоты в ТА оказывает схема движения.

3 основные схемы движения :

1. Прямоток (гор. и хол. теплоносители движутся в одном направлении)

2. Противоток (гор. и хол. теплоносители движутся в противоположных направлениях)

3. Перекрестный ток (гор. и хол. теплоносители движется перпендикулярно)

54. Различают 2 вида расчетов:1)проектный(конструкторский)расчет-здесь при заданной поверхности ТА опред-ся кол-во переданной теплоты и темп-ры теплоносителей на выходе из ТА;2)поверочный расчет-здесь при заданной пов-ти ТА опред-ся кол-во переданной теплоты и темп-ры теплоносителей на выходе из ТА.

Ур-е теплопередачи

(1)

k-коэф-нт теплопередачи,

F-пов-сть ТА,м²

-темп-ра=const горяч. теплоносителя

-средний темп-ный коэф. теплопередачи

(1а)

Ур-е теплового баланса:

(2) в общем виде

(2а) для газов

– массовые расходы теплоносителей,

– изменение энтальпии в теплоносителе,

– объемные расходы теплоносителей,

– средние изобарные теплоемкости теплоносителей,

- темп-ры гор. теплоносителя на входе и выходе из ТА

- темп-ры хол. теплоносителя на входе и выходе из ТА

Водяной (или условный) эквивалент

(3) изменение температуры гор. теплоносителя через прохождение через ТА

С учетом (3),(2) запис-ся:

(4)

(5)

В проектном расчете в результате совместного решения ур-ний теплопередачи и ур-ния теплового баланса опр-ся пов-ти ТА

55. В общем случае при прохождении теплоносителей через теплообм. аппарат темп-ра их меняется. У гор. тепл-ля темп-ра уменьшается, у хол.- возрост.

Большое влияние на хар-ер измен-ия темп-р тепл-лей ок-ет схема теплоносителей и соотношение водяных эквивалентов.

Прямоток: из ур (4)→

Противоток:

В прямотоке , в противотоке !!!

В случае изменения темп-р теплоносителей в теплообменном аппарате средний темп-й напор теплопередачи рассчитывается

Прямоток:

Противоток :

Если темп-ры теплоносителей меняется по з-ну прямой линии, то ср. темп-й напор по упрощенной ф-ле:

Выводы:

1. Расчеты показ-ют, что при одинаковых темп-рах теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата

( )противотока > ( )прямотока

Теплообменные аппараты с прямотоком и с противотоком равноценны:

1. Когда темп-ра одного из теплоносит. мало меняется ( ), если ,то это фазовый переход

2. Когда изменение темп-р тепловых носителей намного меньше

56. При прямоточной схеме(а) направление движения греющей и нагреваемой сред совпадают. В этом случае температура горячего теплоносителя уменьшается вдоль поверхности теплообмена А от до , а температура холодного теплоносителя увеличивается от до .

Противоточная схема (б) предусматривает движение теплоносителей в противоположных направлениях. Существует принципиальная разница между этими схемами: если при прямотоке температура холодного теплоносителя на выходе их ТА никогда не может быть больше температуры греющей среды, то в случае противотока такое возможно.

57. источником теплоты является топливо. Основной источник – топливо органического происхождения. Топливо представляет собой различные сложные органические соединения в твердом, жидким и газовом состоянии. Топливо бывает натуральное и производное.

Твердое топливо: натур: дрова, топор, бурый и каменный угли, антрациты, сланцы; Производ: кокс, полукокс, торфяные и каменноугольные брикеты.

Жидкое топливо:натур:нефть;проивод:бензин, керосин, масла.

Газообразное топливо: натур: природный газ; проивод: коксовый, полукоксовый, генераторный газ, газ подземных газификаций.

Расчет горения топлива

Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами и конечными продуктами, а тепловой баланс — равенство между приходом и расходом теплоты.

Стехиометрические уравнения реакций горения углерода, водорода и серы можно записать так:

а) С+О₂=СО₂; б) С+(1/2)·О₂=СО;в) S+О₂=SО₂;тг) H2+(1/2)·О₂=H₂О;

При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью окисления.

Из уравнения (а) следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1 кмоль, т. е. 22,4 м³, кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м³) оксида углерода. Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м³ кислорода и образуется 1,866 м³ СО₂. В 1 кг топлива содержится С^p/100 кг углерода. Для его горения необходимо 1,866·С^p/100 м³ кислорода и при сгорании образуется 1,866 С^p/100 м³ CO₂.Аналогично из уравнений (в) и (г) на окисление горючей серы (μ_s = 32), содержащейся в 1 кг топлива, потребуется (22,4/32) S^p_л/100 м³ кислорода и образуется такой же объем SO₂. А на окисление водорода ( ), содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5·(22,4/2,02) Н^p/100 м³ кислорода и образуется (22,4/2,02) Н^p/100 м³ водяного пара.

Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе ( ), после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного жигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м³/кг:

В воздухе содержится кислорода примерно 21 % по объему, поэтому количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива V⁰, м³/кг, составляет:

В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха образуются газообразные продукты, которые состоят из CO₂, SO₂, N₂ и H₂O - оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и обозначать через RO₂ = CO₂ + SO₂.

Действительный объем воздуха V может быть больше или меньше теоретически необходимого. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому V⁰ называется коэффициентом расхода воздуха α = V/V⁰. При α > 1 коэффициент расхода воздуха обычно называется коэффициентом избытка воздуха.

Для каждого вида топлива оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке зависит от технических его характеристик, способа сжигания, конструкции топки, способа образования горючей смеси и др.

Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота, кислорода и водяного пара, который содержится в избыточном воздухе. Так как воздух не содержит трехатомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и остается постоянным.

Объем двухатомных газов и водяного пара (м³/кг или м³/м³), определяют по формулам:

Суммарный объем продуктов сгорания при α > 1 (м³/кг или м³/м³) будет: