- •5.Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменника
- •2. Тепловой расчет спирального теплообменника. Основные размеры канала спирального теплообменника и скорости движения теплоносителей.
- •2.2. Определим коэффициент теплопередачи.
- •2.2.1. Гидравлический диаметр каналов для движения воды и бензола
- •Приближение №1.
- •Приближение №2.
- •3.1. Геометрический и компоновочный расчет матрицы спирального теплообменника.
- •3.1.2. Определим количество витков внутренней спирали - n1
- •4.Эскизный проект рассчитанного спирального теплообменника
- •4. Основы инженерных тепловых и компоновочных расчётов теплообменных аппаратов
- •4.1 Основные понятия и определения процессов переноса теплоты.
- •4.2. Основные положения теплопроводности; гипотеза Фурье.
- •4.3. Основные положения конвективной теплоотдачи.
- •4.3.1. Закон Ньютона - Рихмана.
- •4.3.2. Теория подобия
- •4.3.2.1. Основные положения теории подобия.
- •4.3.2.2. Пример использования теории подобия.
- •4.4. Основные положения теплового и компоновочного расчётов теплообменных аппаратов.
- •4.4.1. Основные понятия и определения, формулировка задачи.
- •4.4.2. Уравнение теплового баланса
- •4.4.3. Уравнение теплопередачи
- •1.Введение
- •2.Исходные данные
- •3.Описание спирального теплообменника
- •3.1Устройство и принцип работы.
- •3.2.Возможные конфигурации потоков
- •3.3.Технические характеристики спиральных теплообменников:
- •Обслуживание и чистка
- •3.4.Экономичность спиральных теплообменников:
- •3.5.Сферы применения спиральных теплообменников:
- •3.6.Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников:
- •3.7.Рабочие среды спиральных теплообменников:
- •3.8.Основные технические характеристики
- •Содержание
- •Курсовая работа
- •6.Список используемой литературы и электронных ресурсов
4.2. Основные положения теплопроводности; гипотеза Фурье.
Ранее было отмечено, что теплопроводность, как и другие виды переноса теплоты в пространстве, наблюдается только лишь в случае, когда в точках рассматриваемой области температура неодинакова. Поэтому важное значение в описании теплопроводности имеет понятие температурного поля и градиент температур поля.
Температурное поле – это совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в каждый момент времени. Совокупность точек пространства, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность. Из опыта известно, что наибольшее изменение температуры на единицу длины наблюдается в направлении нормалей к изотермической поверхности. Вектор, совпадающий с нормалью к изотермической поверхности, направленный в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по нормали, называется градиентом температуры:
grad(t) = n*∂t/∂n,
где:
n - единичный вектор к изотермической поверхности, направленный в сторону большей температуры;
∂t/∂n - производная температуры по нормали.
Гипотеза Фурье – это основное уравнение, описывающее процесс переноса теплоты теплопроводностью, базируется именно на понятии градиента температуры. По этой гипотезе количество теплоты dQ, протекающее нормально к изотермической поверхности площадью dF за время dτ пропорционально градиенту температуры:
dQ = - λ*(∂t/∂n)*dF*dτ.
Знак минус в этом уравнении означает, что тепло распространяется в сторону противоположную вектору градиента температуры.
Опытом установлено, что коэффициент пропорциональности в этом уравнении λ представляет собой физический параметр, характеризующий способность вещества “проводить” теплоту. Этот параметр λ называется коэффициентом теплопроводности.
Значения коэффициента теплопроводности различных веществ и материалов приведены в многочисленных теплотехнических справочниках, а необходимые для выполнения курсовой работы значения коэффициентов приведены в приложении к этому методическому пособию.
В инженерной и научной практике часто используется понятие плотности теплового потока или мощности удельного теплового потока - q. Это понятие определяет количество теплоты, проходящей через единицу площади изотермической поверхности в единицу времени.
q = - λ*(∂t/∂n)
Из этого соотношения видно, что коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока при градиенте температур равном 1°С/м, а размерность коэффициента теплопроводности – Вт/(м*°С) или ккал/(час*м*°С).
Количество теплоты измеряется в тех же единицах, что и энергия или работа – в Дж или в ккал (1ккал = 427кгм = 4187Дж), а плотность теплового потока – соответственно в единицах мощности на квадратный метр – в Вт/м2 или в ккал/(час*м2); (1 ккал/час = 1,1636кВт).
В предлагаемых студентам курсовых работах используется простейший вид процесса переноса теплоты теплопроводностью – стационарная теплопроводность через плоскую стенку. В этом случае поле температур неизменно по времени, а тепловой поток одинаков при протекании тепла через любую изотермическую поверхность. Понятно, что и решение уравнения теплопроводности в этом случае имеет простейший вид. Однако в некоторых курсовых работах рассматривается теплопроводность через многослойную стенку, например, когда имеется необходимость учитывать загрязнения или другие отложения теплоносителя на твёрдой стенке матрицы теплообменника. В этом случае, для получения простого вида решения уравнения теплопроводности, используется понятие термического сопротивления стенки. В частности, решение уравнения теплопроводности для многослойной стенки может быть записано в виде:
q = (t1 – t2)/R,
где:
t1 и t2 – температуры наружных поверхностей многослойной стенки, а R – её полное термическое сопротивление; R = Σi(δi/λi).
В последнем соотношении δi – толщина “i - того” слоя стенки, а λi - коэффициент теплопроводности того же слоя стенки.
Наконец, следует заметить, что напрямую уравнение теплопроводности в расчётах курсовых работ решено быть не может, т.к. в исходных данных отсутствуют значения температур стенок матрицы теплообменника, и его теплопередающая поверхность. Эти температуры подлежат определению после совместного решения всех уравнений, описывающих все тепловые процессы теплообменного аппарата.