- •Содержание
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена 7
- •Тема 2. Теплопроводность 14
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях 64
- •Тема 8. Теплообмен излучением 81
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа 102
- •Введение
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена
- •1.1 Температурное поле. Изотермическая поверхность.
- •1.2. Градиент температуры
- •1.3. Количество теплоты. Тепловой поток.Удельные тепловые потоки
- •1.4.Элементарные способы передачи теплоты (виды процессов теплообмена)
- •1.5. Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача
- •Тема 2. Теплопроводность
- •2.1. Основной закон теории теплопроводности. Закон (гипотеза) Фурье.
- •2.2. Энергетическая форма записи закона Фурье. Коэффициент температуропроводности
- •2.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности (дифференциальное уравнение Фурье)
- •2.4. Условия однозначности, необходимые для решения уравнения Фурье
- •2.5. Начальные условия (ну)
- •2.6. Граничные условия (гу)
- •2.7. Методы решения краевой задачи в теории теплопроводности
- •Тема 3. Нестационарная теплопроводность в телах простейшей формы
- •3.1. Математическая формулировка задачи
- •Тема 4. Стационарная теплопроводность
- •4.1 Стационарная теплопроводность в плоской и цилиндрической стенках
- •Тема 5. Теплопередача
- •5.1. Теплопередача через плоскую стенку
- •5.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку
- •5.3. Алгоритм расчета теплопередачи через непроницаемые стенки
- •5.4. Единая формула теплопередачи через стенки классической формы
- •5.5. Интенсификация теплопередачи
- •5.6.Тепловая изоляция
- •Тема 6. Конвективный теплообмен в однофазных средах
- •6.1. Основные понятия и определения
- •6.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •6.3. Основные положения теории подобия
- •6.4. Основные критериальные уравнения
- •6.4.1. Конвективная теплоотдача при свободном движении текучей среды
- •6.4.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении текучей среды в трубах и каналах
- •6.4.3. Конвективная теплоотдача при вынужденном внешнем обтекании тел
- •6.5. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачипо критериальным уравнениям
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях
- •7.1. Теплоотдача при конденсации паров
- •7.2. Теплоотдача при кипении жидкостей
- •Тема 8. Теплообмен излучением
- •8.1. Основные понятия и определения
- •8.2. Тепловое излучение твердых тел
- •8.3. Основные законы излучения абсолютно черного тела (ачт)
- •8.4. Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа.
- •8.4. Особенности излучения газов
- •8.5. Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа
- •9.1. Диффузионный пограничный слой
- •9.2. Массопроводность, массоотдача, массопередача
- •9.3 Критериальные уравнения массоотдачи
- •10. Теплообменные аппараты
- •10.1 Общие сведения о теплообменных аппаратах
- •10.1.1. Рекуперативные теплообменники
- •10.1.2. Регенеративные теплообменные аппараты
- •10.1.3. Аппараты смешивающего типа
- •10.2 Расчет теплообменных аппаратов
- •10.2.1. Уравнение теплового баланса. Уравнение баланса массы.
- •10.2.2 Средний температурный напор.
- •10.2.3 Уравнение теплопередачи.
- •10.2.4 Проверочный расчет теплообменного аппарата. Сравнение прямотока с противотоком.
- •10.2.5 Гидравлический расчет аппаратов.
- •10.2.6 Тепловой расчет регенеративных теплообменников
- •10.3 Методики расчет теплообменных аппаратов
- •10.3.1. Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата и алгоритм его поверочного расчета по методу n-e.
- •10.3.2. Основные закономерности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях
- •10.3.3. Деаэрация воды
- •Основы процесса
- •Кинетика процесса деаэрации воды
- •Конструктивные особенности термических деаэраторов
- •Список основных обозначений
- •- Число Стантона. Литература
Введение
Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты и массы в пространстве в переменном поле температур и переменном поле концентраций.
Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс передачи теплоты и массы направлен в сторону уменьшения температуры и концентрации данного компонента смеси.
В отличие от термодинамики ТМО рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. В результате расчета процессов тепломассообмена находят распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы как функции координат и времени.
В нашем кратком курсе будем рассматривать только процессы теплообмена в данном теле или системе тел, поэтому наша задача научиться рассчитывать температурные поля и тепловые потоки и их развитие в пространстве и времени.
Характеристика теплоносителей Выбор теплоносителей определяется назначением теплообменного аппарата (ТА), условиями его эксплуатации, теплофизическими свойствами теплоносителей, их доступностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации.
В процессе теплообмена теплоносители могут изменять свое фазовое состояние т.е. конденсироваться или испаряться. «Однофазные» теплоносители, т.е. не меняющие фазовое состояние, могут быть упругими (газы) или капельными жидкостями. В физике эти среды носят название жидкостей и по методике расчета теплоотдачи от обеих жидкостей принципиального различия между ними нет.
Из теплофизических свойств теплоносителей существенными для расчета ТА являются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи и величину гидравлического сопротивления в каналах ТА.
Плотность и теплоемкость позволяет при небольших перепадах температур передать большие тепловые потоки. С этой точки зрения вода имеет значительные преимущества по сравнению с любыми газами.
Теплопроводность способствует повышению теплоотдачи от среды к границе раздела.
Вязкость существенно влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением понижается.
Температура кипения теплоносителя должна быть сравнительно высокой это позволит предотвратить вскипание при невысоких давлениях.
Теплоносители должны отвечать следующим требованиям:
- быть химически стабильными, не вступать в реакцию с материалом теплообменника, т.е. не оказывать коррозионного воздействия, и не образовывать агрессивных и взрывоопасных смесей при смешении с другими теплоносителями;
- обладать высокой теплоемкостью и малой вязкостью;
- иметь достаточную теплостойкость;
- быть доступным и иметь невысокую стоимость;
- иметь высокие температуры кипения и воспламенения;
- быть удобными в транспортировании и хранении.
Применяемые теплоносители не отвечают всем требованиям одновременно.
В качестве охлаждающих теплоносителей в области положительных температур наиболее часто используют воду и воздух, при отрицательных температурах – растворы солей (NaCl, CaCl2 и др.), хладагенты, антифризы и др.
В качестве греющих теплоносителей чаще всего применяют водяной пар, воду, дымовые газы, органические высококипящие жидкости, масла.
Рассмотрим кратко основные применяемые в системах ТГВ теплоносители.
Вода как теплоноситель имеет много преимуществ: высокие плотность и теплоемкость обуславливают возможность высокой теплоотдачи; малая коррозионнная активность, низкая стоимость, доступность и безвредность. Эти преимущества обеспечили широкое применение воды как теплоносителя в стационарных и транспортных установках.
Теплофизические свойства воды на линии насыщения в диапазоне температур 10-100 С могут быть описаны уравнениями:
плотность , кг/м3;
теплоемкость
теплопроводность
кинематическая вязкость
Воздух также широко используется как охлаждающая среда.
Однако он имеет небольшую теплоемкость и характеризуется низкими коэффициентами теплоотдачи.
В диапазоне температур 10 – 150о С и давлениях 98-980 кПа можно определить теплофизические характеристики по формулам:
, кг/м3,
Ср = 1,005 + 1,19 10-4 – t ,
,
при t = 0 140 коэффициент кинематической вязкости :
ν = 10-6 (13,7 + 0,101t) м2/с,
при t = 140 400о С:
ν = 10-6 (6,7 + 0,145t) м2/с,
Водяной пар в системах ТГВ используется обычно при t = 150 – 200о С. Пар имеет большую теплоту парообразования, удобен для транспортировки по трубопроводам.
Дымовые газы образуются при сгорании топлива в котлах, печах, сушильных установках. В состав дымовых газов входят СО2, N2 , Н2О, избыточный воздух, СО, NО – в небольших количествах.
Дымовые газы мало агрессивны, имеют небольшую теплоемкость и низкий коэффициент теплоотдачи.
Высокотемпературные органические теплоносители. Они нашли широкое применение в технологических процессах химической технологии для нагрева до t 150о С. ВОТ можно разделить на три группы:
- однокомпонентные; (дифенил, глицерин)
- многокомпонентные; (дифенильная смесь, гидротерфенилы)
- минеральные масла (масло АМТ – 300).
Минеральные масла относятся к наиболее распространенным и изученным ВОТ.
При длительной работе t 200о С наблюдается частичное разложение масла, что приводит к частичному осмолению поверхности.