ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

14.1. Процес теплопередачі

Теплопередача – перенос теплоти між двома середовищами через поділяючу стінку, процес необоротний. Він містить у собі такі етапи:

1. Тепловіддачу від «гарячого» теплоносія до внутрішньої поверхні стінки;

2. Перенос теплоти теплопровідністю через матеріал стінки;

3. Тепловіддачу від зовнішньої поверхні стінки до «холодного» теплоносія.

Перший етап характеризується коефіцієнтом тепловіддачі a₁ і термічним опором тепловіддачі . Другий етап характеризується коефіцієнтом теплопровідності l і термічним опором теплопровідності R_l. Третій етап характеризується коефіцієнтом тепловіддачі a₂ і термічним опором тепловіддачі . Форма стінки може бути плоскою, циліндричною, фігурною.

14.2. Теплопередача через плоску стінку при стаціонарному режимі

Процес теплопередачі здійснюється через плоску стінку товщиною d, коефіцієнтом теплопровідності l, від «гарячої» рідини з температурою до «холодної» з температурою . Коефіцієнти тепловіддачі по обох сторони стінки a₁ і a_2. Багатошарова стінка характеризується: d₁, d₂, d₃ і l₁, l₂, l₃. Теплообмін на окремих етапах теплопередачі описується рівняннями:

1.

2. і

3. ;

Тепловий потік	Густина теплового потоку	Коефіцієнт теплопередачі
, Вт	,	,

Лінійний коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю площі при різниці температур між середовищами в один градус. Коефіцієнти теплопередачі визначаються за формулами:

Одношарова стінка:

Багатошарова стінка:

Загальний термічний опір теплопередачі:

, .

Температура на границях шарів: .

14.3. Теплопередача через циліндричну стінку при стаціонарному режимі

Процес теплопередачі здійснюється через циліндричну стінку внутрішнім діаметром d₁, зовнішнім – d₂, коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки - l, довжина стінки – l від «гарячої» рідини з температурою t_р1 до «холодної» з температурою t_р2. Коефіцієнти тепловіддачі з обох боків стінки α₁ і α₂. Для тришарової стінки d₁, d₂, d₃, d₄ і l₁, l₂, l₃, l₄. Теплообмін на етапах:

1.

2. ,

3. ,

Лінійний коефіцієнт теплопередачі чисельно дорівнює кількості теплоти, яка проходить в одиницю часу через одиницю довжини циліндричної стінки при різниці температур між середовищами в один градус. Коефіцієнти теплопередачі розраховуються за формулами:

Одношарова стінка:

Багатошарова стінка:

Загальний лінійний термічний опір:

, .

Температура на границях шарів: .

14.4. Критичний діаметр теплової ізоляції

Тепловою ізоляцією називають покриття поверхонь шаром матеріалу з малим l, що зменшує теплові втрати в навколишнє середовище. Наприклад, труба, вкрита шаром ізоляції, являє собою двошарову стінку, для якої термічний опір

Залежність теплових втрат q_l від d_із має вигляд:

Зі збільшенням товщини шару , теплові втрати зростають до dкр, а потім зменшуються. Для визначення dкр (екстремума функції) диференціюємо і дорівнюємо її до нуля:

, тоді .

Отже, для ефективності ізоляції необхідно, щоб зовнішній діаметр труби . У такому випадку .

14.5. Інтенсифікація теплопередачі

Під інтенсифікацією теплопередачі мають на увазі збільшення q, а для цього слід підвищити . Підвищення k можливе за рахунок зменшення термічних опорів R_a і R_l..

Зниження R_l досягається: 1) підвищенням швидкості руху теплоносія; 2) руйнуванням прикордонного шару; 3) зміною виду теплообміну (КТ на кипіння); 4) турбулізацією потоку; 5) застосуванням малов’язких рідин. Для зниження R_l може використовуватися зниження товщини стінки d і підвищення l із застосуванням, наприклад, латунних і мідних труб. Для теплообміну газ-рідина слід застосовувати оребрення з боку газу.

15. ТЕПЛООБМІН ВИПРОМІНЮВАННЯМ

15.1. Основні поняття й визначення

Теплообмін випромінюванням являє собою перенесення теплоти електромагнітними хвилями. Енергія випромінювання випускається не безперервно, а у вигляді окремих порцій – квантів енергії. Випромінювання має двоїстий характер, оскільки характеризується хвильовими й корпускулярними властивостями. У вакуумі хвилі поширюються зі швидкістю світла й характеризуються довжиною хвилі λ і частотою коливань ν. Носіями енергії є елементарні частки, які називаються фотонами. Вони мають електромагнітну масу, енергією й кількість руху. При попаданні на інші тіла енергія випромінювання частково поглинається, частково відбивається й частково пропускається. Більшість твердих і рідких тіл випромінюють енергію в інтервалі довжин хвиль від 0 до ∞ (широкий спектр випромінювання). Гази випромінюють енергію тільки в певних інтервалах довжин хвиль. Тверді тіла випромінюють енергію поверхнею, а гази - об'ємом.

Випромінювана в одиницю часу енергія в інтервалах довжин хвиль від l до dl називається потоком монохроматичного випромінювання – Q_l, Вт. Випромінювана в одиницю часу енергія в усіх напрямках напівсферичного простору в інтервалі довжин хвиль від 0 до ¥ називається повним (інтегральним) потоком випромінювання - Q, Вт. Інтегральний потік випромінювання в одиницю часу з одиниці площі поверхні F називають щільністю інтегрального випромінювання – E, : ; , при E=const .

Щільність потоку монохроматичного випромінювання називається спектральною інтенсивністю випромінювання .

Падаюча енергія: . Поділивши це рівняння на Е_пад, одержимо 1=А+R+D, де А – коефіцієнт поглинання, R – коефіцієнт відбиття, D – коефіцієнт пропускання. При А=1, R=0, D=0 – абсолютно чорне тіло; при А=0, R=1, D=0 – абсолютно біле; при А=0, R=0, D=1 – абсолютно прозоре. У природі абсолютних тіл немає, є сірі тіла. Власне випромінювання Е і відбите Е_відб. Називається ефективним випромінюванням: . Різниця між власним і поглиненим випромінюванням називається результуючим випромінюванням:

.

Взаємозв'язок між видами випромінювання: .

15.2. Закони випромінювання

1. Закон Планка – встановлює залежність між спектральною інтенсивністю випромінювання, довжиною хвилі й температурою , с₁, с₂ – постійні коефіцієнти.

2. Закон Вина – величина I_l має максимум на певній довжині хвилі .

3. Закон Стефана-Больцмана – власне інтегральне випромінювання пропорційне температурі в четвертій степені.

Для абсолютно чорного тіла , для сірих тіл , ступінь чорноти .

4. Закон Кірхгоффа – ступінь чорноти дорівнює коефіцієнту поглинання або .

5. Закон Ламберта – потік випромінювання абсолютно чорного тіла в даному напрямку l пропорційний потоку випромінювання, що випускається по нормалі n і косинусу кута j між ними: .

15.3. Теплообмін випромінюванням у прозорому середовищі

1. Паралельні пластини.

Результуючий потік випромінювання між двома пластинами:

Приведений ступінь чорноти .

2. Тіло усередині іншого тіла. Енергія випромінювання опуклого першого тіла повністю попадає на друге, тоді як увігнутого другого тіла на перше попадає частина енергії.

Результуючий потік: . Наведений ступінь чорноти: .

3. Тіла довільно розташовані.

;

де - середні кутові коефіцієнти випромінювання, що показують, яка частина потоку ефективного випромінювання попадає з одного тіла на інше по відношенню до всього потоку випромінювання, ; .

4. Екрани – зменшують результуючий потік випромінювання при наявності екранів. Один екран зменшує q в 2 рази. , при наявності n екранів , e_еi – ступінь чорноти i-го екрана.

С₀=5,67 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

15.4. Складний теплообмін

Якщо теплота одночасно переноситься теплопровідністю, конвекцією й випромінюванням, то такий теплообмін називають складним. Сумарний тепловий потік випромінюванням і конвекцією, наприклад, від газу до стінки:

.

Якщо основним прийняте теплове випромінювання, то

,

Конвекція враховується коефіцієнтом

.

Якщо основним процесом є конвекція, то

.

Якщо основною є промениста складова, то

.

15.5. Випромінювання газів

Розрізняють газові потоки, які світяться, і які не світяться. Світіння середовища обумовлює наявністю в ньому розпечених твердих частинок сажі, вугілля, золи. Полум'я, яке світиться, називають смолоскипом. Якщо частинки не світяться, то середовище буде мутним. Одно- і двохатомні гази (He, H₂, O₂, N₂) практично прозорі для теплового випромінювання (діатермичні). Трьохатомні гази мають велику випромінювальну й поглинальну здатність, яка залежить від тиску Р, температури Т і товщини газового шару l. Наприклад, , . Випромінювання газів має вибірковий характер (на певну l). Ширина смуг випромінювання збільшується зі збільшенням Т, а поглинальна здатність падає. Випромінювання газів відхиляється від закону Стефана-Больцмана, однак для практичних розрахунків приймають цей закон:

,

де e₂ – ступінь чорноти газового шару; . Для газових сумішей .

Теплообмін між газом і стінками газоходу:

,

наведена ступінь чорноти , e_г визначається по графіках, як ¦(т).

16. Теплообмінні апарати

16.1. Класифікація апаратів

Теплообмінні апарати – це пристрої, в яких теплота передається від одного теплоносія до іншого. Теплообмінні апарати підрозділяються:

1. Апарати, в яких теплота передається через стінку, – рекуперативні.

2. Апарати, в яких поверхня теплообміну по черзі омивається потоком то «гарячого» те «холодного» теплоносія, – регенеративні.

3. Апарати, в яких теплота передається при безпосередньому контакті між теплоносіями – змішувальні.

4. Апарати з внутрішнім джерелом теплоти – ядерні реактори, випарники із зануреними пальниками.

1. 1 – корпус; 2 – поверхня теплообміну у вигляді труб; 3 – трубні решітки; 4 – верхня і нижня кришки камери; 5, 6 – патрубки входу і виходу «гарячого» теплоносія; 7, 8 – патрубки «холодного» теплоносія; 9 – трубний простір; 10 –міжтрубний простір.	2. 1 – газохід; 2 – корпус апарату; 3 – листи, теплообмінна поверхня.
3.Барометричний конденсатор: 1 – корпус; 2 – бризковловлювач; 3 – перфорована полиця; 4 - барометрична труба; 5 – гідравлічний затвор.	4.Випарний апарат з зануреним пальником.

16.2. Схеми руху теплоносіїв

1. Якщо теплоносії рухаються паралельно в один бік, то така схема руху називається прямоточною (прямотечія).

2. Якщо теплоносії рухаються паралельно, але в різні боки – протитечія.

3. Якщо теплоносії рухаються у взаємно-перпендикулярних напрямах – перехресний струм.

4. Якщо одночасно спостерігається прямо-, проти- і перехресний струм – змішана схема.

1 2 3 4

16.3. Середній температурний напір

При сталості масової витрати і коефіцієнта теплопередачі уздовж поверхні нагріву середня різниця температур (напір) визначається як средньологарифмічна величина

,

де - більша різниця температур; - менша різниця температур.

При , .

 

Прямотечія.	Протитечія.

 

- початкова і кінцева температури «гарячого» теплоносія на вході й виході

з апарату відповідно;

- початкова і кінцева температури «холодного» теплоносія на вході й

виході з апарату.

Прямотечія: ; .

Протитечія: ; .

Для складних схем:

1. Визначається ;

2. Визначаються допоміжні величини: ; ;

3. За спеціальним графіком визначається поправка .

4. Середній температурний напір .

 

16.4. Теплові розрахунки теплообмінних апаратів

Розрізняють проектний (конструктивний) і перевірочний розрахунки теплообмінних апаратів. Метою перевірочного розрахунку є визначення поверхні нагріву апарату при його проектуванні. Перевірочний розрахунок виконується при визначенні кінцевих температур теплоносіїв при відомій величині поверхні нагріву. В основі розрахунку лежать два рівняння:

Рівняння теплового балансу:

1. – без зміни агрегатного стану теплоносіїв;

– зі зміною агрегатного стану одного теплоносія.

2. Загальне рівняння теплопередачі: .

У рівняннях: G, с – витрата і теплоємність теплоносіїв; t - температура; η=1,03÷1,05 – коефіцієнт втрати теплоти в навколишнє середовище; D - витрата пари; і_п., і_к – ентальпія пари й конденсату; k – коефіцієнт теплопередачі; – середній температурний напір;

F - площа поверхні теплообміну; Q – кількість переданої теплоти. Індекси: «'» - вхід в апарат; «''» - вихід з апарату; 1 - гарячий; 2 - холодний.

У перевірочному розрахунку визначаються кінцеві температури теплоносіїв по формулах, в які вводять величини П і Z, які є функціями і визначаються по таблицях.

Наприклад,

прямотечія: ; ;

протитечія: ;

Тепловий проектний розрахунок проводиться в такому порядку:

1. За рівнянням теплового балансу визначається Q;

2. Задаються швидкостями теплоносіїв і деякими конструктивними розмірами;

3. Розраховуються коефіцієнти тепловіддачі α₁ і α₂;

4. Розраховується коефіцієнт теплопередачі;

5. Визначається середній температурний напір ;

6. Із загального рівняння теплопередачі розраховується поверхня нагріву апарату ;

7. За величиною F визначають і уточнюють конструктивні розміри.

 

 

16.5. Основи гідромеханічного розрахунку теплообмінних апаратів

Результатом розрахунку є визначення втрат тиску теплоносія при проходженні через апарат.

Повні втрати

де – сума втрат натиску на тертя;

– сума втрат натиску на місцеві опори;

– сума втрат натиску на прискорення;

– сума опорів самотяги.

; ; ; ,

де h – відстань по вертикалі між входом і виходом;

ρ, ρ₀ – густина теплоносія і навколишнього повітря.

17. Паливо і основи горіння