Теплотехника (стр. 9 )

Тс – температура стенки;

ТГ – температура газов.

Степень черноты газов при температуре ТЖ определяется из графика (рис. 1.13).

Рис.1.13

Значение степени черноты и в зависимости от температуры и параметра р принимаются из справочника.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В сложном теплообмене излучение является важной составной частью.

Сложный теплообмен можно разделить на три разновидности:

1.  Теплообмен излучением между потоком излучающего газа и стенками канала.

2.  Радиоционно-кондуктивный теплообмен.

3.  Радиоционно-конвективный теплообмен.

При теплообмене излучением между потоком излучающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение температуры газа по сечению канала и его длине, возникающее из-за теплообмена. Оказывается, что теплота, переданная излучением, не растет монотонно с ростом степени черного газового объема, а имеет максимальное значение при некотором ее значении. Уменьшение количества передаваемой теплоты при большой поглотительной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиоцинно-кондуктивном теплообмене происходит процесс переноса теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопроводности. В случае нерассеивающей среды этот вид теплообмена характеризуется оптической толщиной слоя среды k, степенью черноты тепловоспринимающих поверхностей ; , относительной температурой поверхности, имеющей низкую температуру и параметром, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением:

(1.112)

где Ki –критерий Кирпичева.

Если N , то теплота переносится только теплопроводностью, N 0 – только излучением.

Радиационно-кондуктивный теплообмен является весьма сложным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задчи получаются лишь для некоторых частных случаев.

При оптически тонком слое (k =0) излучение не поглощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае прозрачной (диатермичной) среды. Полный тепловой поток определяется простым суммированием лучистого и кондуктивного потоков:

(1.113)

При оптически толстом слое (k ) влияние радиационных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (1.113), радиационный поток несколько видоизменяется:

(1.114)

Радиационно-конвективный теплообмен весьма сложен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти оба обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с тем, что задача его инженерного расчета еще далека от своего решения. В практических расчетах обычно используются независимо конвективный и лучистый потоки, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого.

Для учета теплоотдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвекцией, подсчитанному обычным образом, т. е. без учета радиационного теплообмена на профили скорости и температуры, рекомендуется прибавлять условный коэффициент теплоотдачи излучением aл, поэтому cуммарный коэффициент теплоотдачи равен а= αк+αл.

Для сложных процессов теплообмена используют ряд чисел подобия, в частности числа Больцмана – В0и Кирпичева – Кi , имеющие вид:

В0= Кi= .

Число Больцмана В0характеризует радиоционно-конвективный теплообмен: чем оно меньше, тем большую роль играет лучистый теплообмен в среде по сравнению с конвективным.

Число Кирпичева Кi характеризует радиационно-кондуктивный теплообмен.

Число Бургера Ви= характеризует оптическую плотность среды, т. е. прохождение через нее лучистой энергии.

1.7.4. Теплообменные аппараты.

Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой при осуществлении различных тепловых процессов (например, нагревания, охлаждения, кипячения, конденсации). Жидкие среды, воспринимающие или отдающие теплоту, именуют горячими или холодными теплоносителями.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяются на поверхностные (рекуперативные и регенеративные), в которых тепловой перенос осуществляется с использованием разделяющих поверхностей и твердых тел, и смесительные, процессы нагревания и охлаждения в которых происходит при непосредственном контакте теплоносителей.

В рекуперативных теплообменниках горячий и холодный теплоносители перемещаются одновременно, а теплота передается непрерывно через разделяющую их стенку.

Регенеративными (регенераторами) называются теплообменные аппараты, в которых теплоносители попеременно соприкасаются с поверхностью так называемой насадки, аккумулирующей теплоту от горячего теплоносителя и отдающей ее холодному теплоносителю. Таким образом, для регенераторов характерен нестационарный теплообмен.

В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей рекуперативные теплообменники классифицируются на газогазовые, газожидкостные, парогазовые, парожидкостные и жидкостножидкостные. В основу классификации рекуперативных теплообменников положен способ компоновки теплопередающей поверхности или ее конфигурация.: теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубчатые, с прямыми трубами, змеевиковые, пластинчатые, ребристые.

По относительному движению потоков теплоносителей теплообменники делят на прямоточные, противоточные и со смешанным током.

В особую группу выделяются теплообменные аппараты с внутренним источником теплоты, отвод которой осуществляется одним теплоносителем. Примером таких теплообменников могут служить электронагреватели, ядерные реакторы и др.

Контрольные вопросы:

1.  Что называется лучистым теплообменом или тепловым излучением?

2.  Дайте определение поверхностной плотности излучения.

3.  В чем состоит отличие в излучении твердых и жидких паро - и газообразных веществ?

4.  Что называется интенсивностью излучения?

5.  В чем состоит отличие абсолютно черного тела от абсолютно белого тела?

6.  Что понимается под эффективным излучением?

7.  От чего зависит количество поглощаемой энергии газом?

8.  Перечислите разновидности сложного теплообмена?

9.  Что называется теплообменным аппаратом?

1.8. Нестационарная теплопроводность

1.8.1. Основные понятия и определения

Нестационарным процессом теплопроводности называют процесс, при котором температурное поле тела изменяется с течением времени, т. е.:

(1.115)

где - температура;

- текущие координаты;

- текущее время.

Большинство инженерных задач решается для процесса одномерной теплопроводности при условии, что толщина стенки значительно меньше остальных геометрических размеров. При инженерных расчетах определяются:

-  температура поверхностей стенки в заданный момент времени;

-  предельно допустимое время нагревания стенки.

При нагревании плоской стенки поток теплоносителя принимается стационарным одномерным.

Теплообмен между теплоносителем и стенкой может осуществляться конвекцией и лучеиспусканием, тогда:

(1.116)

где - удельный конвективный тепловой поток, направленный в нагреваемую стенку;

- удельный лучистый тепловой поток между теплоносителем и стенкой.

(1.117)

где - коэффициент теплоотдачи конвективного теплообмена,