Основы теории теплообмена (стр. 5 )

Пример. Определить потерю теплоты лу­чеиспусканием железной (ε = 0,8) трубы диаметром d = 0,1 м и длиной l = 4 м при температуре 5000 С. Температура окру­жающей среды 27° С.

= 5,69·3,14·0,1·4·0,8(54 - 0,274) = 3130 вт.

 

5. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

 

Теплопередача между жидкостями через разделяющую их стенку

 

Гладкая стенка. Рассмотрим процесс переноса теплоты от го­рячей жидкости к холодной через разделяющую их плоскую стенку (рис.12,а).

В этом случае процесс определяется совокупным действием различных видов переноса теплоты. От горячей жидкости к стенке и от стенки к холодной жидкости теплота передается вследствие конвекции, через стенку теплота передается теплопроводностью.

В целом такой процесс называется теплопередачей, и его количе­ственной характеристикой является коэффициент теплопередачи k, определяющий количество теплоты, переданной через единицу поверхности в единицу времени от одной жидкости к другой при разности тем­ператур между ними в 10. В этом случае уравнение теплопередачи имеет вид:

Q = Fk (tfl - tf2),  вт. (31)

Пусть толщина стенки δ и коэффициент теплопроводности λ (рис.12,а). Значение коэффициента теплоотдачи со стороны горячей жид­кости α1, а со стороны холодной α2.

 

 

Рис. 12. Теплопередача через плоскую стенку и оребренную стенку.

 

При установившемся тепловом состоянии количество теплоты, переданной от горячей жид­кости к стенке, равно количеству теплоты, отданной от стенки к холодной жидкости, т. е.:

или

Складывая эти выражения, получим:

(32)

Следовательно, значение коэффициента теплопередачи:

, Вт/(м2·град). (33)

Величину, обратную коэффициенту теплопередачи 1/k, называют термическим сопротивлением теплопередачи:

. (34)

Если стенка состоит из n слоев толщиной δ1, δ2,…, δn , коэф­фициенты теплопроводности которых λ1, λ 2, ..., λ п, то коэффи­циент теплопередачи:

. (35)

 

Оребренная стенка. Оребренные поверхности используются для интенсификации теплообмена с той стороны, где коэффициент тепло­отдачи мал. С помощью ребер увеличивается поверхность нагрева.

Пусть с гладкой стороны стенки поверхность равна F1, а с оребренной F2 (рис. 12, б). Остальные обозначения указаны на рис. 12, а. Вывод уравнений для расчета количества переданной теплоты и коэффициента теплопередачи аналогичен случаю глад­кой стенки. В связи с тем, что поверхность теплообмена с обеих сторон рассматриваемой стенки неодинакова, расчет величин q и k можно выполнять для единицы гладкой или оребренной поверх­ности.

Для расчета количества теплоты, переданной через единицу гладкой поверхности, уравнения имеют вид:

(36)

Для случая расчета количества теплоты, переданной через единицу оребренной поверхности, получим:

(37)

Отношение величины оребренной поверхности F2 к гладкой F1 назы­вается коэффициентом оребрения.

 

Теплопередача через цилиндрическую стенку

 

Дана полая труба с внутренним диаметром deн и внешним dнap, дли­ной l и коэффициентом теплопро­водности λ. Внутри трубы протекает горячая жидкость с температурой tfl, снаружи холодная жидкость с температурой tf2.  Со стороны горячей жидкости коэффициент теплоотдачи равен α1, со стороны холодной он равен α2. Температуры стенок соответственно равны twl и tw2 (рис. 13).

Аналогично предыдущему случаю при установив­шемся тепловом состоянии системы количество теплоты, отданной горячей жидкостью стенке, равно количеству теплоты, воспри­нятой холодной жидкостью, откуда:

, Вт/м. (38)

 

Рис.13. Теплопередача через цилиндрическую стенку.

 

Для стенки длиной l коэффи­циент теплопередачи:

. (39)

Часто на практике требуется снизить теплопередачу. В бо­льшинстве случаев это достигается нанесением на стенку теп­ловой изоляции, которая вследствие малой теплопро­водности [k < 2 вт/(м2·град)] способствует уменьшению потери теплоты в окружающую среду. К теплоизоляционным материа­лам относят асбест, слюду, пробку, стекловолокно и другие мате­риалы. Как видно из уравнения (35), с увеличением толщины изоляции, наносимой на плоскую стенку, величина коэффициента теплопередачи k, а, следовательно, и величина тепловых потерь q снижается.

 

Пример. Плоская стенка (λ =11,6 вт/(м·град)) толщиной δ = 0,005 м омывается с одной стороны горячими газами с температурой tf1 = 2000° С, а с другой охлаждается водой с температурой tf2 = 27° С. Коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке α1 = 467 вт/(м2·град), от стенки к воде α2 = 3500 вт/(м2·град). Определить удельный тепловой поток и температуры стенки.

Определим коэффициент теплопередачи k:

вт/(м2· град).

Удельный тепловой поток:

q = k (tf1 — tf2) = 350 (2000 — 300) = 59,5 -104 вт/м2.

Температура стенки со стороны газов:

Температура стенки со стороны воды:

.

 

6. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

 

Теплообменником называется аппарат, предназначенный для сообщения теплоты одному из теплоносителей в результате от­вода его от другого теплоносителя. Процесс подвода и отвода теплоты в теплообменнике может преследовать различные техно­логические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа, превращение жидкости в пар, конденсацию пара и т. д.

По принципу действия теплообменники делят на рекуператив­ные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными назы­вают теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку. В автомобильных ДВС используют в основном рекуперативные теплообменники, которые применяют для охлаждения моторного масла, жидкости системы охлаждения, воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, и других целей. На рис.14 приведена схема водомасляного теплообменника, которая часто реализуется при проектировании охладителей масла для смазочных систем дизелей.

Рис.14. Схема простейшего кожухотрубного рекуперативного теплообменника для передачи теплоты от одного теплоносителя (I) к другому (II).

 

Регенеративными называют теплообменники, у которых горячий теплоноситель соприкасается с твердым телом (керамической или металлической насадкой) и отдает ему теп­лоту, в последующий период с твердым телом соприкасается «холодный» теплоноситель, который и воспринимает теплоту, аккумулированную телом.

В металлургической промышленности регенеративные тепло­обменники с давних пор применяют для подогрева воздуха и горючих газов. Аккумулирующую насадку в теплообменнике делают из красного кирпича. Особенностью регенераторов яв­ляется то, что процесс теплопередачи в них является нестационарным. По­этому технические расчеты регенеративных теплообменников вы­полняют по усредненным температурам во времени.

Смеситель­ными называются теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется их непосред­ственным соприкосновением, следовательно, сопровождается пол­ным или частичным обменом вещества. Такие аппараты применяют для охлаждения и нагревания газов с помощью воды или для охлаждения воды воздухом в газовом производстве, при кондиционировании воздуха, при конденсации пара и т. д.

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

При расчете теплообменников обычно встречаются два случая:

1) конструктивный расчет, когда известны параметры теплоносителей на входе и выходе и расходы теплоносителей (или расход теплоты). Выбрав предварительно конструкцию теплообменник, расчетом, определяют поверхность теплообмена;

2) проверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена и конструкция аппарата и частично известны параметры их на входе. Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе), расходы теплоносителей или другие характеристики аппарата (например, КПД).