энергосбережение

55

328,15

13,600

0,8410

0,01316

1,189

75,98

474,16

595,07

120,91

4,36876

4,73728

60

333,15

15,182

0,8568

0,01167

1,167

85,69

479,68

596,58

116,90

4,38509

4,73850

65

338,15

16,883

0,8741

0,01036

1,114

96,52

485,33

597,96

112,63

4,40142

4,73452

У

Т

Н

Б

й

и

р

о

т

и

з

о

п

е

Р

сравнение прямотока и противотока.

У

Общие сведения

Т

Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых

процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом

Н

распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между

отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос

Б

теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью,

конвекцией и тепловым излучением.

й

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах

(или между ними), обусловленный пе еменностью температуры в

рассматриваемом пространстве.

и

р

Явление теплопроводнос и представляет собой процесс распространения

энергии при непосредс венн м с прикосновении отдельных частиц тела или

отдельных тел,

о

меющ х разные температуры. Теплопроводность обусловлена

движением микрочасттц вещества. В газах перенос энергии осуществляется

путем диффу

молекул атомов, а в жидкостях и твердых телах-

и

диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном

осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих

колебаний кристаллическойз

решетки здесь второстепенна.

Конвекцияо– процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости

или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в

областьпс другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с

п р носом самой среды.

е

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью

электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими

Рсвойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды)

Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе

Республики Беларусь по энергосбережению, – экономия и рациональное

использование топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное

использование теплоиспользующего оборудования.

У

Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты ( А).

Т

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначен-ные для

передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия

теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные,

регенеративные и смесительные.

Н

Б

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в

которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве,

разделенном твердой стенкой. Теплообмен про сходит за счет конвекции и

й

теплопроводности стенки, а если хоть одна з ж дкостей является излучающим

газом, то и за счет теплового излучен .

регенерат

и

Регенеративные теплообменные аппа аты – это устройства, в которых одна и та

же поверхность омывае ся

рячей, то холодной жидкостью. Сначала

и

бирает тепло от горячей жидкости и нагревается,

поверхность регенера ора

затем поверхность

ораотдает энергию холодной жидкости. Таким

образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных

условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты работают

большей частью в стационарном режиме.

В смесительныхзтеплообменных аппаратах теплопередача осуществляется

ри не

средственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.

о

Характ р изменения температур рабочих сред по поверхности рекуперативного

т

нного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее простыми

плообме

е

Р

а)

б)

в)

Расчет ТА, работающих в стационарном режиме, ведется на основе двух

уравнений – теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса

У

означает равенство количества тепла, отдаваемого горячим теплоносителем

(Qгор), сумме количеств тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем,

(Qхол) и потерь в окружающую среду Qос:

Т

Qгор = Qхол + Qос .

Н

Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, имеем Qгор = Qхол = Q

Б

или

й

и

( 5.1 )

р

здесь Gгор, Gхол – соо ве с

массовые расходы горячей и холодной воды,

венно

кг/с;

,

– средн е изобарные удельные теплоемкости горячей и

т

холодн й в ды;

=

= 4187

;

и

Tг

з

р и Tх л – изменения температур горячей и холодной воды.

о

= Тгор

вх

– Тгор

вых

; Tхол = Тхол

вых

- Тхол

вх

.

п

Tгор

Уравн ние теплопередачи определяет количество теплоты Q, передаваемой

череззаданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры

Р

греющего

и нагреваемого

теплоносителей:

Q = К(

) F,

= (Тгорвх + Тгорвых)/2;

= (Тхолвх + Тхолвых)/2 .

( 5.3 )

Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность передачи теплоты

от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен

количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу

времени при разности температур между средами в один градус.

Термодинамическая эффективность теплообменника есть отношение

Т

количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству

теплоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно большой поверхностью

Н

теплообмена с теми же параметрами на входе. Эффективность теплообменникаУ

определяется по формуле

Б

( 5.4 )

й

Сравнение прямотока с прот вотоком

р

Преимущества одной схемы течен я теплонос телей перед другой

по

определяются из сравнения количестваитеплоты, передаваемой при равных

условиях, и коэффициент в тепл пе едачи.

Во всех случаях

т

прям ке передается меньшее количество теплоты, т.е.

при

противоток более эконом чен сравнению с прямотоком.

з

Экспериментальная установка

трубе

Установкао(рис. 5.2) представляет собой поверхностный теплообменник 1,

Р

вы олн нный из двух труб, размещенных одна внутри другой. По внутренней

ппротекает горячая вода (греющий теплоноситель), по наружной –

У

Т

Н

Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки

Для определения температур горячей воды на входеБи выходе из

теплообменника установлены термопары 2, 3; холодной воды – термометры 4 и

5. Холодные спаи термопар должны быть помещены в сосуд Дьюара 6,

пр

температура которого измеряется ртутнымйтермометром. ЭДС термопар

регистрируется цифровым вольтмет ом 7, подключенным через переключатель

термопар 8.

т

и

текающего через теплообменник,

Расход горячего теплон си еля,

измеряется с помощью р

аме ра 9. Регулирование расхода теплоносителей

лями

осуществляется вен

о10 и 11. Переключение схемы с прямоточной на

з

ся с помощью вентиля 12.

противоточную про звод

о

П ряд к вып лнения работы

п

Устан вка включается по прямоточной схеме, для чего вентиль 12 ставится в

е

олож ние “ рямоток”. Открываются вентили 10 и 11 и в теплообменник при

р д льных расходах подается горячая и холодная вода. При достижении

Р

стационарного теплового режима, о наступлении которого судят по

Схема

№

Тгорвх,

Тгорвых,

Тх.с,,

Тгорвх,

Тгорвых,

Тхолвх,

Тхолвых,

Н ,

Gгор ,

подключения

пп

мВ

мВ

С

С

С

С

С

мм

кг/с

Прямоток

1

2

3

Сред. знач.

Противоток

1

У

2

Т

3

Н

Сред. знач.

Б

й

Обработка экспериментальных данных

и

Определяются средние значения па амет ов для каждого режима (прямотока и

противотока). Темпера ура

теплоносителя определяется по

рячего

градуировочной таблице плюс емпература холодных спаев термопар (поправка

на холодный спай). Расход

теплоносителя по тарировочной кривой

определяется по показан

горячего

ям ро аметра.

т

Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя к другому,

определяется

выражения (5.1). Средние температуры теплоносителей

формуле (5.3), и по формуле (5.2) определяется коэффициент

из

те л ередачи К при различных схемах движения теплоносителя.

Эффективн сть аппарата находится по формуле (5.4).

по

В ы в о д ы

определяются

е

Р

ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

(сравнительное исследование тепловой трубы)

У

Цель работы: определение и сравнение коэффициентов эффективной

теплопроводности тепловой трубы и медного стержня.

Т

Задачи работы:

Н

o изучение механизмов переноса тепловой энергии;

o изучение принципа действия и конструкции тепловых труб;

o экспериментальное определение коэффициента теплопроводности

тепловой трубы и сравнение его с коэффициентомБ

й

o

и

изучение основных способов практ ческого применения тепловых

труб.

Общие положения

Теплопередача

распространенияоеплрты в пространстве. Под процессом

процессах

тремя

ами

распространения тепло ы п нимается обмен внутренней энергией между

отдельными элемен

между областями рассматриваемой среды. Перенос

теплоты осуществляется

основными способами: теплопроводностью,

конвекцией и тепловым

злучением.

о

Тепл пр в дн сть представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах

при

(или междузними), обусловленный переменностью температуры в

рассматриваем м пространстве.

Явл ние те лопроводности представляет собой процесс распространения

Р

непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или

эн ргии

отд льных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена

едвижением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется

электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими

свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды)

переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии

вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения

У

веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике

элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность,

конвекция и тепловое излучение - часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых

телах.

Т

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный

процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется

конвективным теплообменом.

Н

Б

Коэффициент теплопроводности

равен количеству теплоты (Q),

передаваемой механизмом теплопроводности через единицу площади (F) в

единицу времени ( ) при градиенте температуры, равном единице:

й

= Q/ (F

grad T)

( 6.1 )

численно

Градиент температуры – век

р,рнаправленный по нормали к изотермической

поверхности (поверхнос

динак выми температурами) в сторону

возрастания темпера уры численно

равный производной от температуры по

этому направлен ю:

т

и

( 6.2 )

з

-оединичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и

п

- производная от

направленный в сторону возрастания температуры;

где

Р

У

Т

Рис. 6.1. Направление вектора градиента температур

В соответствии со своим определением коэффициент теплопроводности имеет

размерность Дж·м/м2с К=Вт/м·К.

Н

Коэффициент теплопроводности является

изБважнейших

и

теплофизических характеристик вещества

на большие значения имеет у

металлов, а среди них– у серебра, меди, золота, алюминия. В связи с этим одним

меньшие перепады

емпера урытребуются для передачи одного и того же

из самых распространенных конст укц онныходнойматериалов в

теплоэнергетических устройствах является медь.

Из формулы (6.1) видно,

чем б льше коэффициенты теплопроводности, тем

количества теплоты.

что

, другими сл вами, чем больше эти коэффициенты, тем

большее количество

еплооы передается при всех прочих равных условиях, то

з

есть теплопередающее ус ройс во работает более эффективно.

о

Эффективное решен е проблем теплообмена в значительной мере обеспечивает

и общую эффективностьИлитеплоэнергетических систем и установок. Одним из

п

таких решений часто является использование оригинальных теплопередающих

устр йств, называемых тепловыми трубами.

е

В рвые идея тепловой трубы была предложена американским инженером

Р

Гогл ром в 1942 году. Но только в начале 1960-х годов, после того как другой