Параметри теплообміну

2

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Способи розповсюдження тепла і види теплообміну. Класифікація теплообмінних апаратів. Розрахунок поверхні теплообміну

Існують три способи розповсюдження тепла:

- теплопровідність;

- конвекція;

- теплове випромінювання.

Теплопровідність - це передача тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого шляхом безпосереднього контакту між цими тілами, або в самому тілі між його частинками.

Конвекція - це процес переміщення у просторі нерівномірно нагрітих шарів рідини, газу або сипучих тіл. Такий спосіб передачі тепла пов'язаний з переносом маси.

Теплове випромінювання - це перенос теплової енергії у вигляді електромагнітних хвиль. Розповсюджуючись у просторі, електромагнітні хвилі можуть поглинатись іншими тілами і знову переходити у теплоту.

Перенос тепла теплопровідністю, конвекцією, випро-мінюванням майже завжди проходять одночасно, але при вивченні процесів теплообміну треба чітко відрізняти і окремо розглядати всі ці три способи передачі тепла, оскільки фізична природа їх різна, і вони описуються різними фізичними законами.

Передачу тепла між твердою поверхнею, рідиною або газом називають тепловіддачею.

Передача тепла від гріючого середовища до нагріваючого через розділяючу їх стінку називається теплопередачею.

Основи теорії теплопровідності. Теплопровідність визначається тепловим рухом мікрочастинок тіла. У газах теплота передається за допомогою атомів і молекул, у металах переважно електронами, у діелектриках внаслідок коливання атомів, які складають кристалічну решітку.

Передача теплоти теплопровідністю пов'язана з різницею температур. Сукупність значень температур у кожній точці простору в даний момент часу називають температурним полем. Математично воно описується рівнянням:

t=f,

де x, y, z - координати точки; ф - час.

Якщо температурне поле не змінюється з чаcом, то воно є стаціонарним, якщо змінюється з часом - нестаціонарним. Крім того, температурне поле може бути одновимірним, двовимірним, тривимірним. Якщо теплота розповсюджується тільки в одному напрямку, то таке температурне поле називають одновимірним, якщо в двох напрямках - двовимірним, якщо в просторі - тривимірним.

Поверхня, в кожній точці якої температура однакова, називається ізотермічною.

Зміна температури в тілі може бути лише в напрямках, що перетинають ізотермічні поверхні, причому найбільш різка зміна температури на одиниці довжини спостерігається в напрямку, перпендикулярному до ізотермічної поверхні.

Границя відношення зміни температури до відстані між ізотермічними по-верхнями по нормалі за умови, що , називається градієнтом температури

Градієнт температур є векторна величина, що завжди направлена по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення температури і чисельно дорівнює частинній похідній від температури по цьому напрямку. За додатній напрямок граді-єнта обирається напрямок зростання температури:

.

Кількість теплоти, яка переноситься за одиницю часу, називають тепловим потоком або потужністю теплового потоку Q.

Тепловий потік, що проходить через одиницю площі поверхні, називають густиною теплового потоку:

.

Густина теплового потоку є векторною величиною, напрямленою в протилежний бік градієнта температур, оскільки теплота завжди розповсюджується в бік зменшення температури.

Теорію теплопровідності вивчав французький вчений Фур'є, який встановив, що теплова потужність, яка передається теплопровідністю, пропорційна градієнту температури й площі перерізу, перпендикулярному напрямку теплового потоку:

,

або:

,

де л - коефіцієнт теплопровідності, який показує, як дане тіло проводить тепло.

Сформулюємо фізичний зміст коефіцієнта теплопровідності: це тепловий потік, який проходить через одиницю поверхні при зміні температури на 1 градус на одиниці довжини:

.

Коефіцієнт теплопровідності визначають експериментально і заносять у довідкові таблиці.

Знак «-» в рівнянні Фур'є показує, що вектори густини теплового потоку і градієнта температури напрямлені в різні боки.

Матеріали, теплопровідність яких менша л < 0,2, називають теплоізоляційними.

Конвективний теплообмін. Конвективним теплообміном називається процес одночасної передачі теплоти конвекцією і теплопровідністю від поверхні твердої стінки до потоку рідини, яка її омиває, або від потоку рідини до стінки.

Конвективний теплообмін між рухомим середовищем, і поверхнею, що відділяє це середовище від іншого, називають тепловіддачею.

Головним завданням теорії конвективного теплообміну є визначення теплового потоку, що віддає тверда стінка від поверхні.

Конвективний теплообмін описується рівнянням Ньютона-Ріхмана:

,

де б - коефіцієнт тепловіддачі, який характеризує інтенсивність конвективного теплообміну; S - площа поверхні; - температура твердої стінки; - температура рідини.

Сформулюємо фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі: тепловий потік, що проходить через одиницю площі поверхні при зміні температури між твердою стінкою і рідиною на один градус:

.

Коефіцієнт тепловіддачі залежить від багатьох факторів:

- швидкості потоку рідини або газу;

- характеру сил, які рухають рідину або газ;

- фізичних властивостей самої рідини або газу;

- режиму руху рідини.

За природою виникнення конвективний теплообмін може бути вільним або вимушеним. При вільному русі конвективний теплообмін проходить за рахунок різних густин нагрітих і холодних частинок рідин або газів. Вільний рух називають природною конвекцією. Якщо є зовнішні збудники, то такий рух називається вимушеним. Рух рідини чи газу може бути ламінарним або турбулентним. Якщо рідини або гази рухаються паралельно, не змішуючись, то такий рух називають ламінарним. Турбулентний рух характеризується безперервним змішуванням шарів рідини або газу. Конвективний теплообмін при турбулентному русі рідини або газу буде більш інтенсивнішим, ніж при ламінарному. Перехід ламінарного режиму руху в турбулентний характеризується числом Рейнольдса:

де - швидкість рідини або газу, - внутрішній діаметр труби, - коефіцієнт кінематичної в'язкості.

Якщо Re < 2320 - режим рух ламінарний, якщо Re > 2320 - турбулентний.

Теплообмін випромінюванням. Всі тіла, температура яких вища абсолютного нуля, випромінюють у простір електромагнітні хвилі різної довжини.

Випромінювання, яке проходить через площу поверхні за одиницю часу, називають потоком випромінювання Ф:

.

Поверхневою густиною потоку випромінювання g називають відношення цього потоку до площі поверхні, яка випромінює:

.

Потік випромінювання Ф залежить від температури випромінюючого тіла, площі поверхні та її фізичних властивостей. На відміну від твердих тіл і рідин гази випромінюють промені не всіх довжин хвиль, і тому спектр випромінювання газів майже завжди носить лінійчатий характер. Із збільшенням температури газу, його поглинаюча і випромінююча здатність збільшується.

Потік випромінювання Ф, який падає на поверхню, частково поглинається Ф_А, частково відбивається Ф_D і частково проходить через тіло Ф_R:

Ф = Ф_А + Ф_D + Ф_R.

Поділимо праву і ліву частини рівняння на Ф:

1=A + D + R,

, , ,