- •Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химических технологиях.
- •Курс лекций.
- •Москва 2004.
- •Содержание
- •Введение.
- •Горячий воздух
- •Влажный воздух
- •Сухой воздух
- •Горячий кокс
- •Холодный кокс
- •II. Процессы преобразования энергии в сберегающих устройствах химических технологий.
- •Теоретические основы процессов тепломассопереноса в энерго- и ресурсосберегающих устройствах.
- •1. Теплопроводность
- •Тепловой поток через плоскую стенку.
- •2. Конвекция
- •Теплоотдачи в замкнутом объёме.
- •2.3. Теплопередача от основания теплообменника через оребренную поверхность.
- •2.4 Тепловой расчёт рекуператоров.
- •2.5. Аэродинамический (гидравлический) расчёт теплообменных устройств.
- •Излучение.
- •3.2. Лучистый теплообмен тел в прозрачной среде.
- •Лучистый теплообмен между двумя серыми телами, произвольно размещёнными в пространстве.
- •Формулы для расчётов коэффициентов облучённости и взаимных поверхностей для замкнутой системы двух излучающих тел.
- •Результативное излучение.
- •Действие экранов.
- •3.3. Лучистый теплообмен в поглощающей среде.
- •Серая среда.
- •Излучение газов.
- •- Тепловая мощность излучения
- •Поправка на парциальное давление водяных паров, при .
- •Поправка на взаимное перекрытие полос излучения углекислоты и водяных паров.
- •Приближённый метод расчёта .
- •Излучение запылённых потоков газа.
- •Теплообмен в топках котельных агрегатов.
- •3.4. Совместные действия излучения, конвекции и теплопроводности.
- •Механизм переноса тепла.
3.2. Лучистый теплообмен тел в прозрачной среде.
Исходя из определения коэффициентов поглощения, отражения, пропускания ,r,d, имеем в виду , что+r+d= 1, тогда :
Непрозрачное тело |
d= 0 ,+r= 1 ( не пропускает ) |
Абсолютно чёрное тело |
r=d= 0 ,= 1 ( всё поглощает ) |
Серое тело |
r=d= 0 ,≡ε<1 ( не пропускает, не отражает, а поглощает только часть падающего на него излучения ) |
Абсолютно белое тело |
r= 1 ,=d= 0 ( всё пропускает ) |
При < 1 любое из тел нечёрное.
Лучистый теплообмен между двумя серыми телами, произвольно размещёнными в пространстве.
Доля падающего излучения, поглощённая серым телом, постоянна для любого интервала длины волны.
Тепловой поток при лучистом теплообмене двух серых тел 1 и 2 с температурами Т1и Т2- это результат их обмена тепловой энергией, в которую превратилось поглощённое ими излучение. А именно тепловой поток от тела 1 к телу 2 выразится следующим образом:
, ( 2.1. )
- коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;
;
- константа Стефана – Больцмана;
- приведенная степень черноты системы тел, зависящая от их коэффициентов поглощения ( т.е. степеней черноты ) и. Приоба тела абсолютно чёрные;
Н ( м2) - взаимная поверхность излучения тел, зависящая от размеров и ориентации их поверхностей - см. схему.
центр
нормали
Направление
падающего излучения
r
центр
dF1
dF2
Рис.
2.2. Схема
расчёта взаимной поверхности излучения.
( 2.2. )
F1иF2- площади поверхностей тел;
и - углы падения излучения на центры элементарных площадок;
r- расстояние между центрами.
Введём понятие коэффициентов облучённости ( угловые коэффициенты ):
( 2.3. )
Выражение (2.1.) представим как
( 2.4. )
где
( 2.5. )
- степени черноты.
Для расчётов по (2.4.) и (2.5.) используем данные таблицы 2.1.
Таблица 2.1.
Формулы для расчётов коэффициентов облучённости и взаимных поверхностей для замкнутой системы двух излучающих тел.
Схема |
Рисунок |
Формулы |
1. Две параллельные плоскости, размеры которых много больше расстояния между ними. F1 = F2 = F |
1 2 |
|
2. Замкнутая система двух тел. |
1
2
1
2
2
1
2
|
|
3. Две бесконечные ( L>>) параллельные пластины одинаковой ширины. |
L
2 1
h
|
|
4
а2 |
L
2 1
а1
h
|
{ } |
5. Два одинаковых прямоугольника, расположенных во взаимно параллельных плоскостях. |
1
h
2
|
,
,
|
Пример 3.1.
Нагрев стального цилиндрического прутка диаметром D= 0,025м осуществляется в муфельной электропечи со стенками температурыt2= 10000C. Степени черноты поверхностей: прутка -; стенок -.
Площадь поверхности стенок футеровки намного больше поверхности прутка: .
Построить кривую разогрева прутка во времени, считая D<<L;L– длина прутка.
Считать пруток изотермичным в каждый момент времени.
Начальная температура прутка 00С.
Плотность материала прутка .
Среднее значение удельной массовой теплоёмкости .
Проверить справедливость допущения изотермичности, если среднее значение коэффициента теплопроводности .
Расчёт:
1.Плотность лучистого теплового потока от стенок к прутку: согласно (2.4.):
,
С0= 5,67
Согласно схеме №2 в таблице 2.1. :
H=F1;;, т.к..
Согласно (2.5.):
Тогда
2.Уравнение нестационарного теплового баланса.
Мы считаем, что в каждый момент времени пруток изотермичен благодаря хорошей теплопроводности или малому диаметру; его нестационарный баланс соответствует квазистационарной теплопроводности, а именно:
или
; - масса . Тогда
, .
Проинтегрируем это уравнение:
В – постоянная величина
; ,
Тогда, при
,
имеем:
Используем пределы и.
Последнее уравнение – это зависимость отв форме:
При иимеем:
; при ,.
Таблица результатов расчёта:
-
Т1 , К
, час
273
0
473
0,015225831
673
0,031029757
873
0,048665963
1073
0,072247363
1225
0,111237699
1273
3. Согласно п.1. вычисляем плотность лучистого теплового потока как функцию температуры Т1:
Вычисляем значения эффективного коэффициента лучистой теплоотдачи:
Вычисляем число Био:
Строим таблицу ,,, а такжеиз п.2.
Т1, К |
τ , мин |
, |
|
Bi |
273 |
0 |
|
96,58 |
0,03449 |
473 |
0,913 |
|
118,675 |
0,042384 |
673 |
1,8618 |
|
148,70805 |
0,0531098 |
873 |
2,919 |
|
188,44 |
0,0673 |
1073 |
4,339 |
|
239,66 |
0,0856 |
1225 |
6,674 |
|
287,345 |
0,1026 |
1273 = Т2 |
∞ |
0 |
304,287*) |
0,1086 |
*) Примечание к последней графе:
Строим кривую разогрева прутка по времени:
t
, 0С
t2
τ , мин
15
10
1000
500
0
5
Проверка справедливости допущения поперечной изотермичности прутка.
Т2
Т2
Т1
По таблице п.3. можно считать практически Bi< 0,1 - условие изотермичности :Bi<< 1 .
Варианты домашних заданий
-
t2 = 1000
d= 20
15
10мм
t2 = 900
d= 25
20
15
t2 = 800
d= 30
25
20
t2 = 700
d= 35
30
25
t2 = 600
d= 40
35
30
Пример 3.2.
Требуется:
I.Вычислить тепловой поток при лучистом теплообмене двух параллельных плоскостей шириныи длиныL, причёмL>>, при заданных:
L
- температурах:
h
, .
-
F1
T1
ε1
F2
T2
Ε2
-
II. Исследовать зависимость.
Расчёт.
I. 1. Согласно схеме 3 табл. 2.1. : угловые коэффициенты
Взаимная поверхность излучения
,
2. Приведённая степень черноты, согласно (2.5.) и условиям задачи:
3.Лучистый тепловой поток, согласно (2.1.) или (2.4.)
II.Исследование
,
где
105
104
103
102
103
воздух
102
101
101
10-1
100
, т.к. (схема 1 в табл. 2.1.)
, т.к.
Пример 3.3.
Температура поверхности выходного коллектора пароперегревателя высокого давления .
Вычислить теплопотери излучением 1 погонного метра не изолированного коллектора, если наружный диаметр , поверхность ограждений намного больше поверхности коллектора, коэффициент поглощения *)поверхности коллектора (степень черноты). Температура ограждений.
Решение.
1. Обратимся к схеме расчёта угловых коэффициентов и взаимных поверхностейизлучения; в нашем случае используем схему № 2 табл. 2.1.:
2 1
Площадь поверхности
коллектора
; - длина;
Площадь поверхности ограждений :.
Угловые коэффициенты : ;.
Взаимная поверхность излучения
2. Согласно (2.5.) приведённая степень черноты системы
.
Считаем, что , тогда
и , так как, т.е.
3. Согласно (2.4.) лучистый тепловой поток
___________________________________________________________
*) Отношение поверхностных плотностей поглощённого и падающего лучистых тепловых потоков.
Пример 3.4.
Вычислить тепловые потери с единицы длины коллектора (предыдущая задача), если он экранирован стальной тонкостенной трубой диаметра с коэффициентом поглощения. Учесть конвективную передачу тепла от внешней поверхности экрана к ограждениям . Коэффициент конвективной теплоотдачи от экрана, приведённый к поверхности.
Решение.
1. На схеме изображена модель расчёта:
D
F2
F1
ТОГР
ТЭК
ТК d
Расчёт.
1-ая система “ Коллектор – экран ”.
Уравнение для определения ТЭК:
( а )
В таблице – схема № 2 !
З
2
1
,
Согласно схеме № 2
,
Согласно (2.5.) :
,
но ,, тогда
2-ая система “ Экран – ограждение ”:
Тогда аналогично предыдущей задаче :
Из уравнения (а) , сократив , имеем:
В результате решения получим:
( *)
6416
tэк
, 0С
300
200
100
0
5000
tэк
=240
0С
Ошибка = 0,0208 %
2. Теплопотери одного погонного метра:
Вывод:
Экранирование приводит к уменьшению потерь в 1,57 раз.