- •Предисловие
- •Введение
- •1. Техническая термодинамика
- •1.1 Основные понятия термодинамики
- •1.3 Теплота и работа как формы передачи энергии.
- •1.4 Вычисление работы деформации газа.
- •1.5 Теплоемкость. Количество тепла в термодинамических процессах.
- •1.6 Изменение внутренней энергии рабочего тела.
- •1.7. Энтальпия рабочего тела.
- •1.8. Энтропия рабочего тела
- •1.9 Первый закон термодинамики.
- •1.10 Исследование термодинамических процессов с идеальным газом.
- •Обратимый изотермический процесс.
- •1.11 Термодинамические циклы Круговые процессы
- •Цикл Карно
- •1.12. Цикл Карно.
- •3) Цикл со смешенным подводом тепла (цикл Тринклера).
- •Сравнение циклов двс.
- •1.13 Водяной пар.
- •Диаграмма I-s водяного пара.
- •Графоаналитический метод расчета процессов с водяным паром.
- •1.14 Паротурбинные установки
- •Тесты для самостоятельной работы
- •Термодинамические процессы
- •Вычисление работы деформации газа.
- •Идеальные циклы д.В.С.
- •2.Основы теории теплообмена
- •2.1 Способы распространения тепла.
- •2.2 Теплопроводность
- •Теплопроводность через плоскую однородную стенку.
- •Теплопроводность через многослойную стенку.
- •Удельный тепловой поток через многослойную стенку определяется по формуле:
- •Теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •2.3 Конвективная теплоотдача
- •Теплоотдача при вынужденной конвекции
- •2.4 Излучение. Закон Стефана-Больцмана.
- •2..5 Сложный вид теплообмена теплопередача
- •Теплообменные аппараты:
- •Контрольные вопросы.
- •Тестовые задания для самостоятельной работы Понятие теплового потока, плотности теплового потока.
- •Теплопроводность в плоских одно- и многослойных стенках.
- •Теплопроводность в цилиндрических одно- и многослойных стенках.
- •Уравнение теплоотдачи.
- •Критерии подобия.
- •Теплообмен при свободной конвекции среды. Теплообмен при вынужденном движении среды в трубах.
- •Теплопередача через плоские одно- и многослойные стенки.
- •Теплопередача через многослойные стенки.
- •Назначение и классификация теплообменных аппаратов по способу передачи тепла.
- •Тепловой расчёт теплообменных аппаратов.
- •3. Теплоэнергетические установки.
- •3.1.Топливо и процессы его горения
- •Процесс горения топлива
- •3.2. Котельные установки.
- •3.3 Газотурбинные установки.
- •3.4 Турбореактивные двигатели.
- •3.5. Холодильные машины
- •3.6. Магнитогидродинамические генераторы
- •3.7. Тепловые электростанции (тэс)
- •3.8. Атомные электростанции Физические основы получения ядерной энергии
- •Ядерные реакторы
- •Контрольные вопросы.
- •4 Экологические вопросы энергетики
- •4.1 Тепловая энергетика.
- •4.2 Атомная энергетика.
- •4.3 Гидроэнергетика.
- •4.4 Антропогенное влияние на тепловой баланс Земли.
- •Контрольные вопросы.
- •Глава 1. Техническая термодинамика…………………………………….3
- •Глава 2. Основы теории теплообмена…………………………………...57
- •Глава 3. Теплоэнергетические установки……………………………….86
- •Глава 4. Экологические вопросы энергетики………………………….106
Теплопроводность через многослойную стенку.
Стенки, состоящие из нескольких разнородных слоев, называются многослойными. Такими являются стенки печей, котлов и других тепловых устройств, обмуровка которых состоит из слоев огнеупорной кладки, обычного кирпича и изоляции. Все слои плотно примыкают друг к другу.
Рассмотрим передачу тепла через трехслойную стенку. Обозначим – толщина стенок, – теплопроводность соответственно первого, второго и третьего слоев стенки. При стационарном режиме плотность тепловых потоков, проходящих через каждый слой стенки, одинакова.
Удельный тепловой поток через трехслойную стенку составит:
. (2.6)
Удельный тепловой поток через многослойную стенку определяется по формуле:
= /R. (2.7)
температурный напор, ;
термическое сопротивление многослойной стенки.
Тепловой поток, через многослойную стенку:
(2.8)
Рис.2.2 Схема переноса тепла теплопроводностью через трехслойную стенку.
Теплопроводность через цилиндрическую стенку
Количество тепла передаваемого через цилиндрическую однослойную стенку определяется по формуле:
, (2.9)
где d2 – наружный диаметр цилиндрической стенки, м;
d1 – внутренний диаметр цилиндрической стенки, м;
l – длина цилиндрической стенки, м.
Удельный тепловой поток на единицу длины трубы определяется по формуле:
, (2.10)
Для многослойной цилиндрической стенки удельный тепловой поток определяется выражением:
Рис.2.3 Схема передачи тепла теплопроводностью через цилиндрическую стенку.
. (2.11)
2.3 Конвективная теплоотдача
Конвекция – это перенос тепла потоками вещества в движущихся слоях жидкости, газа или сыпучих средах.
Естественная (свободная) конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве текущих веществ. Нагретое вещество под действием подъемной силы, возникающей из-за разности плотности вещества, перемещается, вызывая конвективные потоки. Вынужденная конвекция возникает при принудительном движении жидкостей или газов.
Если температура стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура изменяется от температуры стенки Тст до температуры внешнего потока Т0:
.(2.12)
Пограничный слой характеризуется большим поперечным градиентом температуры , за счет которого и осуществляется перенос поперечной теплоты.
Механизм и интенсивность переноса теплоты в процессе теплоотдачи зависит от теплофизических свойств жидкости и газа и от гидродинамических условий процесса.
Движение жидкости или газа у теплообменной поверхности может происходить в двух режимах: ламинарном и турбулентном.
В условиях ламинарного слоистого движения частицы движутся строго упорядоченно вдоль поверхности теплообмена. Элементы жидкости не перемещаются в направлении, перпендикулярном поверхности тела, поэтому ламинарное движение жидкости не способствует обмену между потоком и твердым телом и распространение теплоты осуществляется главным образом путем теплопроводности. (рис.2.5)
Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, хаотическим движением элементов жидкости, которые перемещаются по сложным траекториям, несовпадающим с общим направлением потока. (рис.2.5)
Турбулентный режим характеризуется конвективной диффузией и соответственно конвективным переносом тепла, и отличается большей интенсивностью теплового обмена, чем ламинарный режим.
Рис. 2.4 Режимы течения жидкости
В термообменных устройствах, чтобы интенсифицировать теплоотдачу, поток жидкости стараются турбулизировать.
Количество тепла, отдаваемого или получаемого поверхностью, вдоль которой движется жидкость, определяется с помощью уравнения теплоотдачи или уравнения Ньютона:
(2.13)
где: Q- тепловой поток, Вт;
F- площадь поверхности теплообмена, м2;
- температура поверхности стенки, град;
- средняя температура движущейся среды, град;
- коэффициент теплоотдачи, .
Коэффициент теплоотдачи показывает какое количество тепла передается от стенки к потоку или наоборот чрез 1 м2 поверхности при разности температур в 1 0С за 1 секунду.
Ввиду сложности процесса теплоотдачи, коэффициент теплоотдачи зависит от большого количества факторов.
Ф –тепловой объект, l – геометрические размеры поверхности теплообмена, g – ускорение, w – скорость движения, Т – температуры.
Для определения коэффициента теплоотдачи используют критериальные уравнения, полученные с помощью теории подобия:
Все величины от которых зависит ,группируются в комплексы, называемые критериями подобия или числа подобия, затем составляется критериальное уравнение, которое характеризует зависимость между определяемым числом подобия и определяющими числами подобия.
Критерий подобия – это безразмерный комплекс, составленный из основных величин, характеризующих данное тепловое явление.
Конвективный теплообмен характеризуется четырьмя числами подобия: Nu, Re, Pr,Gr .
Число Нуссельта - характеризует интенсивность конвективного теплообмена
. (2.14)
Число Рейнольдса - характеризует режим движения жидкости
. (2.15)
Число Прандтля - характеризует теплофизические свойства теплоносителя
. (2.16)
Число Грасгофа - характеризует величину подъемной силы при свободной конвенции.
, (2.17)
Где - скорость движения среды, м2/с;
l- Определяющий размер, м;
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К);
- коэффициент теплопроводности жидкой среды, Вт/(м2.К);
а – коэффициент температуропроводности, м2/с;
g – ускорение свободного падения, 9,8 м/с;
- коэффициент объемного расширения, 1/град;
- кинематический коэффициент вязкости, м2/с;
- разность температур между средой и стенкой.
Число , как содержащее искомый коэффициент теплоотдачи ,является определяемым числом, числа Re, Pr,Gr – определяющими.
Критериальное уравнение в процессах конвективного теплообмена при вынужденном движении теплоносителя определяется функциональной зависимостью:
Nu=f(Re, Pr, ,Gr) . (2.18)
А при свободной конвекции:
Nu=f (Gr, Pr). (2.19)
Определяющая температура – это характерная температура, по которой рассчитывают числа подобия, обычно за определяющую берется средняя температура в пограничном слое:
(2.20)
или средняя температура жидкости:
(2.21)
где - температура среды до теплообмена, ;
- температура среды после теплообмена, .
При значительном изменении температуры жидкости в процессе: (2.22)
где (2.23)
среднелогарифмический температурный напор
За определяющий размер берут тот размер, который определяет развитие процесса. Для каналов некруглого сечения это эквивалентный диаметр, для труб это диаметр трубы, для вертикальных плит высота участка
dэкв=4.F/П, (2.24)
F – Площадь поперечного сечения, м2;
П – смоченный периметр сечения, , теплоотдача при свободной конвекции.
Естественная или свободная конвекция возникает у стен нагретых печей, у нагревательных приборов систем отопления. Потоки воздуха создаются за счет разности плотностей, обусловленной неравномерностью нагрева.
Количество переданного тепла зависит от величины поверхности теплообмена и разности температур между поверхностью и жидкостью, то есть температурного напора.
На основании опытных данных получена следующая критериальная зависимость для теплоотдачи при свободной конвекции:
, (2.25)
Коэффициенты c, n являются функциями аргумента, определяются экспериментально и приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2
Gr, Pr |
с |
n |
<10-3 10-3…5.102 5.102…2.107 >2.107 |
0,45 1,18 0,54 0,135 |
0 1/8 1/4 1/3 |
Физические константы, входящие в состав чисел подобия, определяется по средней температуре нагретого слоя:
. (2.26)