Определение термического взаимодействия термодинамики на основе измерённих физических величин

с относительно слабой циркуляцией жидкости. В шахматных пучках глубинные трубки по характеру омывания мало, чем отличаются от трубок первого ряда. Характер обтекания определяет и теплоотдачу. Теплоотдача второго и третьего рядов постепенно возрастает, так как поток жидкости турбулизируется.

По абсолютному значению теплоотдача в шахматных выше, чем в коридорных, что обусловлено перемешиванием жидкости омывающей трубы.

Опытные данные приводят к уравнениям:

Коридорный пучок

где

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние шага труб по глубине пучка.

Шахматный пучок

При вычислении критериев подобия за определяющую температуру принята средняя температура жидкости , за определяющий размер диаметра трубы . Скорость надо брать в самом узком сечении ряда. Формулы справедливы для любых жидкостей и определяют среднее значение для труб третьего и всех последующих рядов в пучке, т. е. ля стабилизированного потока жидкости. Для труб первого ряда: для труб второго ряда в коридорных пучках шахматных пучках.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего пучка в целом определяется по формуле

Здесь: - коэффициенты теплоотдачи 1, 2... рядов

поверхность нагрева всех труб 1, 2 ...рядов

Формулы (2-26), (2-27) справедливы, если угол атаки равна 90гр. Если 90гр, то вводят поправку:

Поправочный коэффициент выбирают из справочных таблиц.

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ

Кипение- процесс перехода жидкости в пар при ее нагревании. Характерная особенность-образование новой фазы-пары. Строго постоянную температуру имеет пар. На поверхности жидкости жидкость несколько перегрета:

Направление от поверхности жидкости и поверхности нагрева (рис 54) температура жидкости почти не изменяется. Резкое ее изменение наблюдается в слое толщиной 2 5 мм у стенки от до .

Пузырьки пара возникают на поверхности нагрева и только в центрах парообразования. Последним является неровности самой стенки и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и выплывают наверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырька пара зависит от смачивающей способности жидкости. Если жидкость смачивает поверхность, то пузырьки пара имеют тонкую ножку и легко отрываются. Если жидкость не смачивает поверхности, то пузырьки пара имеют толстую ножку и при отрыве пузырька ножка остается. Рост пузырьков до отрыва от поверхности нагрева и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в погранслое, вследствие чего резко возрастает теплоотдачи от поверхности жидкости. Такой режим называют пузырчатым кипением. При пузырчатом кипении все теплота от поверхности нагрева передается пограничному слою жидкости, так как площадь соприкосновений ножек пузырьков пара с поверхностью весьма незначительна

С возрастанием температурного напора или теплового потока число центров парообразования увеличивается. Их становится так много, что образующиеся пузырьки пара сливаются между собой и образуют пленку пара, отделяющую жидкость от поверхности нагрева. Такой режим кипения называют пленочным. Паровая пленка неустойчива: она непрерывна разрывается на части и удаляется в виде больших пузыре, а на ее месте возникает новая пленка. В виду малой теплопроводности пара пленка создает большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки и жидкость резко падает, а температурный напор значительно возрастает

Коэффициент теплоотдачи в условиях свободного движения в большом объеме зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и далее, на рис 55 приведена зависимость.

При малых температурных напорах ( ), значения определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок а в). при увеличении быстро возрастает и происходит интенсивная пузырчатое кипение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырчатое кипение переходит в пленочное, а при дальнейшем повышении резко падает.

Величины, соответствующие моменту перехода пузырчатого режима кипения в пленочный, называют критическими. Установление существования имеет большое практическое значение для выбора оптимального режима работы и кипятильных и выпарных аппаратов. Необходимо оставаться в рамках пузырчатого режима кипения. Переход через сопровождается резким ухудшением работы аппарата. Пленочное кипение, возникнув, обладает большой устойчивостью. Для восстановления пузырчатого кипения приходится весьма значительно снижать тепловую нагрузку по сравнению.

При пузырчатом кипении воды для пользуются следующими расчетными формулами:

Или

здесь: -температурный напор;

- абсолютное давление пара;

- тепловой поток (тепловая нагрузка) молекулы пара поникает путем диффузии. К термическому сопротивлению пленки добавляется термическое сопротивление газа. Опыт учит, что при содержании в паре 1% воздуха понижает величину на 60%. По этой причине при работе промышленных конденсаторов воздух непрерывно отсасывается.

КОМПОНОВКА ПОВЕРХНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ

Одиночную трубу, выполняющую роль поверхности охлаждения, можно расположить или горизонтально или вертикально (рис 59).

Рис.44

Конденсат, стекая по вертикальной, непрерывно увеличивает толщину пленки. При горизонтальном расположении пленки такого нет.

Для вертикальной трубы коэффициент теплоотдачи уменьшается из-за утолщения пленки. В этом случае величины пленки можно увеличить путем установки по высоте трубы конденсатороотводных колпачков. Установка таких колпачков через каждые 10 (см) по вертикальной трубе Н=3 (см) увеличивает среднее значение в 2-3 раза.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПАРА

Формулы (2-29) и (2-30) применимы для паров любых веществ. Если при конденсации водяного пара (давление 1 бар) принять за 100%, то для сернистой кислоты он равен 80%; аммиака -70%; углекислоты -50%; спирта - 25%; бензола -20%.

Приведенные цифры имеют ориентировочный характер и дают представление лишь о порядке величин

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова; лучи - распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия каждого тела. Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Электромагнитные волны различаются между собой или длиной волны или числом колебаний в секунду. При этом

Нас будут интересовать лучи, который поглощаются телами и при поглощении их энергия переходит в тепло - световые и инфракрасные лучи ( = 0,8-40 ). Эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением (лучеиспускание).

Лучеиспускание свойственно всем телам и каждое из них излучает энергию непрерывно, если T>0[K]. При попадании на другие тела это энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. После ряда поглощений излученная энергия полностью распределяется между телами. Следовательно, каждое тело, не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

За единицу лучистой энергии принимают количество ее, эквивалентное 1 кДж. Энергия Q, излученная телом в единицу времени, выражается в Дж/сек=Вт. Количество энергии, излучаемое единицей поверхности в единицу времени, называется излучительной или лучеиспускательной способностью тела E=Q/F [Вт/М2].

Если из всего количества лучистой энергии, падающей на тело часть поглощается, отражается и проходит сквозь тело, то на основании закона сохранения энергии (рис.60), можем записать:

A+R+D=1

Здесь: - поглощательная способность тела (коэффициент поглощения);

- отражательная способность тела (коэффициент отражения);

- пропускательная способность тела (коэффицинет проницаемости).

Если тело поглощает все падающие на него лучи, то такое тело называют абсолютно черным. Если тело полностью отражает все падающие на него лучи (R=1;A=1; Д=1), то такое тело при правильном отражении (поверхность отражает лучи под тем же углом под которым они падают на нее) ее называют зеркальным - при диффузном отражении (падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по всевозможным направлениям) - называют абсолютно белым (например, мел). Если падающие лучи полностью проходят сквозь тело (Д=1; А=0; R=0), то тело называют абсолютно прозрачным.

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе нет. Значения коэффициентов A, R, Д зависит от природы тела, его температуры и длины волны излучения. Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т.е. Д=0 и А+R=1.

Если лучеиспускательная способность тела равна Е1 (рис.61), то это значит, что тело само излучает количество лучистой энергии Е1 - собственное излучение тела (полностью определяется температурой и физическими свойствами данного тела). Из вне на данное тело падает лучистая энергия от других тел в количестве Е2 - падающее излучение (определяется температурами и физическими свойствами окружающих тел). Часть падающего излучения в количестве А1Е2 поглощается данным телом - поглощенное излучение, остальная часть в количестве (1-А1)Е2 отражается данным телом - отраженное излучение.

Собственное излучение тела в сумме с отражением называют эффективным излучением тела:

Е_эф - фактическое излучение тела. Которое мы ощущаем или измеряем соответствующими приборами. Качества собственного и отраженного излучений различны, их спектры различны. Однако для тепловых расчетов это различие значения не имеет, т.к. рассматривается лишь энергетическая сторона процесса.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Закон Планка. Устанавливает зависимость между интенсивностью излучения, длиной волны и абсолютной температурой тела.

Излучательная способность тела Е - количество энергии, излучаемое единицей поверхности в единицу времени для всех длин волн. Интенсивность излучения - излучательная способность тела для длин волн от до.

По закону Планка (рис.62):

Рис.45

Заштрихованная элементарная площадка равна:

Тогда полное количество лучистой энергии, излучаемое всеми длинами волн

равно площади под кривой спектра.

Следовательно, лучеиспускательная способность тела Е есть интегральное излучения тела.

Как следили, закон Планка - закон распределения лучистой энергии по длинам волн в спектре абсолютно черного тела.

Закон Планка справедлив для абсолютного черного тела. Большинство же технических материалов - серые тела. Серым называют тело, у которого отношение интенсивности излучения к интенсивности излучения абсолютно черного тела при заданной температуре для всех длин волн остается постоянной величиной:

Таким образом, серые тела имеют сплошной (непрерывный) спектр, по интенсивности излучения на каждой данной длине волны при любой температуре в определенное число раз меньше, чем у абсолютно черного тела (рис.63).

ЗАКОН СТЕФАНА БОЛЬЦМАНА

Закон об общем (интегральном) излучении абсолютно черного тела. Устанавливает зависимость между всей энергией излучения абсолютно черного тела и его абсолютной температурой: Е0=f(T). Записывается так:



Здесь

- коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Таким образом, количество энергии, излучаемое абсолютно черным телом, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры.

Опытами Стефана и других исследователей было показано, что закон (2-23) применим и для серых тел.

Где С коэффициент излучения серого тела. Его значение зависит от природы тела, состояния его поверхности и от Т (С=0,5-5,67).

Расчетное уравнение (2-33) принимает вид:

Закон Кирхгофа. Устанавливает связь между излучительной и поглощательной способностями тел. Формулируется так: отношение излучательной способности и поглощательной для всех тел одинаково равно излучательной способности абсолютного черного тела и зависит только от температуры Т:

т.к. ; ,

то

или ;

Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения (одноцветного) и записывается так:

Поэтому тело, которое излучает энергию, при какой либо длине волны, способно поглощать ее при той же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектре, то оно в этой части спектра и не излучает.

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ТЕЛАМИ

В теплотехнических расчетах обычно требуется рассчитать лучистый теплообмен между телами, качество поверхностей, размеры и температуры которых заданы. На основании этих данных энергия излучения обеих тел всегда может быть определена по закону Стефана - Больцмана.

Задача сводится к учету влияния формы и размеров тел, их взаимного расположения, расстояния между ними и их степеней черноты.

В виде примера рассмотрим теплообмен излучение между двумя параллельными пластинами.

Рис.46

Здесь:

; (1-)

Учитывая при этом, что

;

- расчетное уравнение для лучистого теплообмена между параллельными пластинами.

Коэффициентами Апр и Спр называются приведенными коэффициентами поглощения и излучения системы тел, между которыми протекает лучистый теплообмен. Определяется из формул:

Выводы из (2-38): 1) Если одно из тел абсолютно черное, то приведенный коэффициент излучения равен коэффициенту излучения второго тела; 2) Если одно из тел белое (например, А=0) то теплообмен излучением невозможен; 3) В любых других случаях приведенный коэффициент излучения меньше, чем наименьший из коэффициентов.

ЭКРАНЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИЗЛУЧЕНИЯ

В тех случаях, когда необходимо уменьшить передачу теплоты излучением, прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью.

Рассмотрим действие экрана между двумя параллельными пластинами. Тепловой поток, передаваемый от первой пластины ко второй (без экрана) равен:

Рис.47

Помещаем экран. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Коэффициенты излучения пластин и экрана между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между пластинами без экрана, между пластиной и экраном равны между собой. Тогда

При установившемся тепловом состоянии всей системы

Таким образом, при наличии одного экрана количества тепла, переданного излучением уменьшается в 2 раза. Легко показать, что установка 2-х экранов уменьшает теплообмен излучением в 3 раза; установка n экранов уменьшает теплообмен в (n+1) раз.

ИЗЛУЧЕНИЕ ГАЗОВ

Излучение газов резко отличается от излучения твердых тел. Одно и двухатомные газы прозрачны для тепловых лучей. Значительной излучательной и поглощательной способностью обладают многоатомные газы, например СО2; SO2 и т.д.

Отметим следующие особенности излучения газов:

1. Твердые тела имеют сплошной спектр излучения; они излучают и поглощают лучистую энергию всех длин волн. Газы не излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра. Вне этих полос газы прозрачны. Таким образом, излучение и поглощение газов имеет избирательный (селективный) характер.

2. У твердых тел, которые для тепловых лучей непрозрачны, излучение и поглощение лучистой энергии происходит в поверхностном слое. У газов же излучение и поглощение энергии происходит во всем объеме. Когда луч встречает на своем пути слой газа, то этот луч частично поглощается, частично проходит через толщу газа и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины может практически поглотить луч целиком. Поглощательная способность газа зависит от его парциального давления или числа молекул и температуры.

3. Излучение газов не следует закону Стефана - Больцмана. Однако в основу практических расчетов лучеиспускания газов применяют закон Стефана-Больцмана. Получающиеся при этом несоответствие учитывают введением поправки на степень черноты газа.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН. СУММАРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ

В реальных условиях все виды теплообмена - теплопроводность, конвекция и лучеиспускание - протекают одновременно, как-то влияя друг на друга. Теплообмен, учитывающий все виды передачи тепла, называется сложным теплообменом.

Например, количество тепла, передаваемое от газа к стенке конвективным путем определяется по формуле

А путем излучения - по формуле:

Тогда общее количество тепла будет равно:



Здесь:

- коэффициент теплоотдачи, излчением

- суммарный коэффициент теплоотдачи

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ СТЕНКУ

Процесс передачи тепла от одной жидкости (горячей) к другой (холодной) через перегородку (стенку) называется теплопередачей.

Примеры: передача тепла от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных батарей центрального отопления; передача тепла от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в парокотлах и т.д. В этих случаях стенки служат проводником теплоты и изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью.

В других случаях, когда требуется уменьшить потери тепла, стенка должна быть изолятором и изготавливаться из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.

Рассмотрим случай плоской однослойной стенки (рис.66).

Рис.48

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Теплообменный аппарат - устройство, которое служит для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия различают: рекуперативные, регенеративные и смесительные теплообменные аппараты.

Рекуперативные - аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью. Примерами могут служить регенераторы мартеновских печей, воздухоподогреватели доменных печей и т.д.

Рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты являются поверхностными аппаратами.

Смесительные - аппараты, в которых процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смещения горячей и холодной жидкостей. Теплопередача протекает одновременно с массообменном. Примерами служат градирии - башенные охладители, скрубберы и т.д.

Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. В качестве теплоносителей используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение теплоносителей осуществляется по трем основным схемам (рис.68).

Рис.49

Если горячая и холодная жидкости протекают параллельно и в одном направлении. То такая схема движения называется прямотоком.

Если жидкости протекают параллельно, но в прямо противоположных направлениях - противотоком.

Если жидкости протекают в перекрестном направлении, то - перекрестным током.

Кроме перечисленных основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы: одновременно прямоток и противоток, многократно-перекрестный ток и т.д.

ЗАДАЧИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА АППАРАТОВ

При проектировании новых аппаратов целью теплового расчета является определение поверхности нагрева, если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей.

Основные расчетные уравнения:

1. Уравнение теплопередачи:

В общем случае температуры рабочих жидкостей в аппарате непрерывно изменяются: горячая жидкость охлаждается, а холодная - нагревается. Поэтому будет изменяться и температурный напор между ними.

Для элемента поверхности теплообмена

Тогда общее количество тепла, переданное через поверхность F будет определяться интегралом последнего выражения, т.е.

Следовательно,

- среднее значение температурного напора для всей поверхности теплообмена.

2. Уравнение теплового баланса без учета тепловых потерь:

Нижний индекс ,,1,, означает, что величин относится к горячей жидкости, индекс ,,2,, - к холодной жидкости. Верхний индекс ,,' ,, обозначает температуру жидкости при входе, `'-при выходе жидкости из аппарата.

Величина

называется водяным, или условным, эквивалентом теплоносителя.

Водяной эквивалент теплоносителя W - количество воды, которое по теплоемкости эквивалентно теплоемкости секундного расхода данной жидкости.

С учетом сделанных замечаний перепишем уравнение (2-48) в виде:

Таким образом, температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена аппарата изменяются обратно пропорционально их водяными эквивалентами. Такое соотношение справедливо как для всей поверхности теплообмена F, так и для каждого ее элемента dF.

Если по горизонтальной оси откладывать значения поверхности аппарата, а по вертикальной оси - значения температур в различных точках поверхности, то для аппаратов с прямотоком и противотоком получим температурные графики, представленные на рис.43 и рис.44.

Рис.50

Рис.51

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как видим, характер изменения температуры рабочих жидкостей зависит от схемы их движения и от соотношения между их водяными эквивалентами. Большое значение температуры получается для той жидкости, у которой W меньше.

Выводы из рисунков 43 и 44: 1) При прямотоке конечная температура холодного носителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. Следовательно, в аппаратах с противотоком, при одинаковых условиях, можно нагреть холодную жидкость до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. 2) Температурный напор вдоль поверхности теплообмена при прямотоке изменяется сильнее, чем при противотоке. Среднее значение температурного напора при противотоке больше, чем при прямотоке. Поэтому при прочих равных условиях противоточный теплообменник получается более компактными (имеет меньшие размеры).

Если температура одной из жидкостей остается величиной постоянной Ио схемы прямотока и противотока оказываются равноценными.

Средний температурный напора, если температуры рабочих жидкостей вдоль поверхности теплообмена аппарата изменяются незначительно, то средний температурный напор определяется как среднеарифметический:

(2-50)

Если температуры рабочих жидкостей вдоль поверхности теплообмена изменяются значительно, то средний температурный напор определяется как средне логарифмический:

Здесь ?t_Б - разность температур двух теплообменных сред в том конце, где она больше;

?t_М - разность температур двух теплообменных сред в том конце, где она меньше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волин Э. М. Ионно-плазменные методы получения износостойких темпертур. 1984. N 10. С.55-74.

2. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М. Металлургия, 1970. 368 с.

3. Гордиенков А. Анализ влияния фазового состава покрытий из теплообменник на эксплуатационные характеристики режущих инструментов.

4. Андриевский Б.Р., Гаврилов С.В., Нагибина О.Л., Томчина О.Г., Шестаков В.М. Теория цифровых и нелинейных систем автоматического управления: Методические указания / Под. ред. В.М. Шестакова: С-Пб.: ИПМаш. РАН; 2000. 52 с.

5. Андриевский Б.Р., Фредков А.Л. Элемент математического моделя в программных средах МАTLAB 5 и Scilab. -С-Пб.: Наука, 2001.

6. Ключев В.И. Теория электропривода.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

7. www.teplotexnik.com

Размещено на Allbest.ru