Работа любой тепловой установки основана на явлении теплообмена между телами. Без знания основных законов перехода теплоты от одного тела к другому невозможна технически грамотная эксплуатация, а также проектирование новых высокопроизводительных и экономичных конструкций разнообразных тепловых установок. Успехи, достигнутые за последние годы в области теплотехники, свидетельствуют о возрастающей роли науки в техническом прогрессе страны. Новые научные открытия нашли отражение в создании ряда мощных тепловых установок в энергетике, металлургии, промышленности строительных материалов и многих других отраслях народного хозяйства.
Цель данной работы – изучение основ теории теплообмена.
Основные понятия теплообмена
Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами: теплопроводностью; конвекцией; излучением (радиацией).
Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.
Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа.
При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией).
Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом.
Процессы теплообмена и теплообменные аппараты
... индекса): Г - горизонтальные; В - вертикальные [1]. теплообменный трубный кожух пластинчатый 1.2.1 Теплообменники с неподвижными трубными решетками Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а ... в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками ...
Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.
Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями. Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен).
Например испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. и.т.д. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества.
Сущность теплопроводности
Теплопроводность – это перемещение теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, обусловленный движением частиц (молекул, атомов, ионов, свободных электронов и др.).
Если температура твердого тела или неподвижной жидкости неодинакова, то происходит распространение теплоты теплопроводностью от точек с высокой температурой к точкам с низкой. Теплообмен между отдельными частями тела объясняется взаимным обменом кинетической энергией через молекулярные связи, распространением упругих волн, а в металлах также диффузией электронов.
Рассмотрим теплообмен путем теплопроводности применительно к твердым телам. Предварительно установим некоторые элементарные понятия.
Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек пространства, в котором протекает процесс, называется температурным полем. Если температура тела для данного отрезка времени постоянна, поле называется стационарным, если температура изменяется во времени, то поле называется нестационарным.
Геометрическое место точек с одинаковой температурой позывается изотермической поверхностью.
Изменение температуры на единицу расстояния между изотермическими поверхностями называется температурным градиентом. При возрастании температуры он имеет положительное значение, при падении — отрицательное.
Количество теплоты, проходящее между двумя изотермическими поверхностями в сторону понижения температур, называется тепловым потоком. Его выражают в ваттах. Наибольший тепловой поток направлен по нормам к изотермическим поверхностям.
Теплопроводность зависит от состояния тела, его физических свойств и температуры. Стенки тепловых установок, работающих при сравнительно невысоких температурах — сушильных и пропарочных камер, выполняют однослойными. Стенки высокотемпературных установок—топок, котельных и печей выполняются из нескольких слоев: внутреннюю поверхность футеруют огнеупорным материалом, средний слой является изоляционным, наружную поверхность делают из глиняного строительного кирпича.
Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов
... теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена. При передаче теплоты ... (Т2/100)4] F. Для случая сложного теплообмена, когда поверхность твёрдого тела, нагретая расположенным внутри её ... теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.4,б). Если же ...
Тепловой поток, проходящий через многослойную плоскую стенку, прямо пропорционален разности температур поверхностен первого и последнего слоя площади поверхности, через которую он проходит, и обратно пропорционален полному термическому сопротивлению многослойной плоской стенки.
Особенностью прохождения теплового потока через цилиндрическую стенку (например, трубы) является то, что изотермические поверхности ее цилиндрические, имеющие общую ось с трубой, а температура изменяется по радиусу.
Аналогично плоской стенке разность, стоящая в знаменателе,— это термическое сопротивление 1 м длины трубы.
Из закона Фурье следует: при равном перепаде температур на внешних поверхностях чем больше термическое сопротивление стенки, тем меньший поток теплоты проходит через нее.
Конвективный теплообмен
Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:
1).
Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).
Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).
2).
Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.
3).
Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (l), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κкоэффициент температуропроводности (а = λ/cр•ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), тεмпературный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).
4).
Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).
Теплоотдача при конденсации пара имеет большое практическое значение при проектировании и эксплуатации конденсаторов, установок для тепловлажностной обработки железобетонных и силикатных изделий.
Пар при соприкосновении с холодными поверхностями конденсируется. Образовавшиеся на поверхности капли конденсата, растекаясь, образуют пленку. Такая конденсация называется пленочной в отличие от капельной, при которой на поверхности сохраняются капли конденсата, если, например, поверхность покрыта маслом.
Реферат плавление тел
... поверхности Земли, П. минералов в её недрах и т.д.) и в технике (производство металлов и сплавов, литьё в формы и др.). Удельная теплота плавления Уде́льная теплота ... При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний ( ... плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация. ...
Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации значительно выше, чем при пленочной, так как пленка препятствует передаче теплоты к стенке. Теплоотдача от пара к стенке при пленочной конденсации происходит последовательно теплопроводностью через слой пленки и затем конвекцией от движущейся ламинарно по стенке пленки.
Температура поверхности пленки, обращенной к пару, равна температуре насыщения газа соприкасающейся со стенкой — температуре стенки tCT- Если температура поверхности выше температуры насыщения, то конденсации не происходит.
Теплоотдача к бетонным изделиям в установках для тепловлажностной обработки происходит при пленочной конденсации.
В паровоздушной среде теплоотдача замедляется, так как при конденсации пара на стенке оседают пузырьки воздуха, препятствующие стеканию конденсата. Это следует учитывать при проектировании установок для тепловлажностной обработки железобетонных изделий, в которых изделия пропариваются как в среде чистого пара, так и в паровоздушной смеси.
Для определения коэффициента теплоотдачи в чисто паровой среде рекомендуют следующие эмпирические формулы как в наибольшей мерепростые: при вертикальном расположении изделий.
Тепловое излучение и его эффективность
Тепловое излучение — это процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. При этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется тепловым излучением.
Эффективность излучения можно ощутить или измерить прибором. Зависимость теплового излучения от температуры выражена законом Стефана — Больцмана: поверхностная плотность (излучательность) лучистого потока (сро) абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.
Согласно закону теплового излучения Кирхгофа, отношение излучателыюсти тела к его коэффициенту поглощения не зависит от природы тел и равно излучательности абсолютно черного тела при той же температуре.
Абсолютно черное тело, поглощающее всю падающую на него энергию излучения, отличается также наибольшей излучательностью.
Выбор тел с наибольшей излучательностью имеет большое значение для создания источников радиационной теплоты. При передаче теплоты излучением следует иметь в виду, что тела с большим коэффициентом поглощения нагреются быстрее, что сокращает время их нагрева, а следовательно, повышает производительность тепловых установок. Эти свойства тел устанавливают, сравнивая излучательности данного тела в абсолютно черного, отношение которых называют коэффициентом черноты.
Кроме твердых тел при высоких температурах большими излучательностью и коэффициентом поглощения обладают трехатомные и многоатомные жидкости и газы в отличие от одноатомных .и двухатомных газов, почти прозрачных для тепловых лучей. В качестве примера можно назвать продукты сгорания (СО2, Н20 и Др.).
Теплообмен излучением. Теплоэнергетические установки
... если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр , другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту ... излучения тем выше, чем выше температура. Максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн. Закон Стефана — Больцмана. Плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно черного тела ...
При высокотемпературной обработке строительных материалов (клинкера, керамики и др.) широко используется теплообмен излучением от продуктов сгорания топлива. В котельных установках этот способ теплообмена имеет место при отдаче теплоты от факела топлива и газов к радиационной поверхности нагрева паровых котлов, являющихся генераторами пара.
Тепловой поток, передаваемый от газов излучением к нагреваемой поверхности, зависит не только от их температуры, но и от содержания в них С02, Н20 и от толщины газового слоя.
Как показала практика, последнее мероприятие позволило значительно ускорить обжиг клинкера во вращающихся печах с расширенной зоной спекания, обжиг кирпича в кольцевых печах при разреженной садке, увеличивающей толщину газового своя между соседними кирпичами.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/teploobmen/
1. Гуляев В.А. Оборудование предприятий торговли и общественного питания. Полный курс: Учебник. — М.: Инфра — (Серия «Высшее образование») М., 2008. — 543с.
2. Недужий И.А., Алабовский А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. — К.: Высшая школа, 1981.-248с.
3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. — М.: Высшая школа,1980.-469 с.
