- •Основы теплопередачи
- •Основные понятия и определения
- •Тепловые балансы
- •Теплопроводность
- •Уравнение Фурье. Коэффициент теплопроводности
- •Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •Теплопроводность плоской, цилиндрической и сферической стенок при стационарном режиме
- •Тепловое излучение
- •Основные законы излучения
- •Теплообмен между твердыми телами при излучении
- •Тепловое излучение газов и паров
- •Конвективный теплообмен
- •Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •Тепловое подобие
- •Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя
- •Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителя
- •Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой
- •Сложная теплоотдача
- •Численные значения коэффициентов теплоотдачи
- •Гидродинамический и тепловой пограничные слои
- •Теплопередача
- •Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи
- •Теплопередача через плоские, цилиндрические и сферические стенки при установившемся процессе
- •Средняя движущая сила теплопередачи
- •Тепловая изоляция
- •Нестационарный теплообмен
- •Список литературы к главе 7
- •Нагревание, охлаждение, конденсация
- •Нагревание
- •Нагревание водяным паром и горячей водой
- •Нагревание топочными газами
- •Нагревание высокотемпературными теплоносителями
- •Нагревание электрическим током
- •Охлаждение
- •Конденсация
- •Конструкции и расчет теплообменных аппаратов
- •Поверхностные теплообменники
- •Смесительные теплообменные аппараты
- •Расчет теплообменных аппаратов
- •Проектный расчет рекуперативных теплообменников
- •Поверочный расчет рекуперативных теплообменников
- •Расчет регенеративных теплообменников
- •Расчет теплообменников смешения
- •Сравнительная оценка и выбор конструкций теплообменных аппаратов
- •Список литературы к главе 8
- •Основные принципы интеграции тепловых процессов
- •Состав, структура и иерархия химико-технологической системы
- •Химико-технологическая система как объект проектирования
- •Введение в пинч-анализ
- •Построение составных кривых технологических потоков и определение энергетических целей
- •Построение составных кривых потоков хтс
- •«Точка пинча» потоков хтс
- •Деление тепловых потоков хтс
- •Представление сети теплообменных аппаратов
- •Проектирование тепловой сети с максимальной рекуперацией энергии
- •Список литературы к главе 9
- •Выпаривание
- •Общие сведения
- •Некоторые основные свойства растворов
- •Принцип работы выпарного аппарата
- •Однокорпусные выпарные установки
- •Выпарные аппараты непрерывного действия
- •Материальный баланс
- •Тепловой баланс
- •Поверхность нагрева выпарного аппарата
- •Потери полезной разности температур
- •Выпарные аппараты периодического действия
- •Выпаривание при переменном уровне раствора в аппарате
- •Выпаривание при постоянном уровне раствора в аппарате
- •Выпаривание при постоянном весе раствора в аппарате
- •Многокорпусные выпарные установки
- •Типовые схемы многокорпусных выпарных установок
- •Материальный баланс многокорпусной выпарной установки
- •Общая полезная разность температур выпарной установки
- •Распределение полезной разности температур по корпусам выпарной установки
- •Полезная разность температур при равной поверхности нагрева корпусов
- •Полезная разность температур при минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов
- •Полезная разность температур при равной поверхности нагрева корпусов при минимальной общей поверхности нагрева
- •Распределение общего перепада давления между корпусами по заданным давлениям вторичного пара
- •Число корпусов выпарной установки
- •Последовательность расчета многокорпусных выпарных установок
- •Основные направления повышения экономической эффективности выпарных установок
- •Интенсификация тепло- и массообмена
- •Утилизация вторичных энергоресурсов
- •Выпаривание с тепловым насосом
- •Улучшение эксплуатационных характеристик выпарных установок
- •Комбинирование выпаривания с другими технологическими процессами
- •Выпарные установки мгновенного испарения
- •Конструкции выпарных аппаратов
- •Выпарные аппараты с естественной циркуляцией
- •Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией
- •Пленочные выпарные аппараты
- •Основы теплового расчета выпарных аппаратов
- •Роторные тонкопленочные испарители
- •Выпарные аппараты погружного горения
- •Список литературы к главе 10
- •Содержание
- •Раздел I. Гидромеханические процессы
- •Глава 7 Основы теплопередачи 108
- •Глава 8 Нагревание, охлаждение, конденсация 217
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 290
- •Глава 10 выпаривание 324
- •Раздел II. Тепловые процессы
- •Глава 7 Основы теплопередачи 108
- •Глава 8 Нагревание, охлаждение, конденсация 217
- •Глава 9 основные принципы интеграции тепловых процессов 290
- •Глава 10 выпаривание 324
- •Для заметок для заметок для заметок
- •Процеси та апарати хімічної технології
Теплопередача
Одним из наиболее распространенных на практике видов сложного теплообмена является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. В этом случае тепло от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю передается конвекцией (теплоотдачей), а через стенку – теплопроводностью. Такой способ переноса тепла получил название теплопередачи, а стенка – поверхности теплопередачи.
Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи
Количество тепла, передаваемое от одного теплоносителя к другому через стенку, определяется основным уравнением теплопередачи:
, (7.165)
где – разность температур теплоносителей.
В этом уравнении коэффициент теплопередачи Kявляется лишь количественной, чисто расчетной характеристикой процесса, зависящей от интенсивности переноса тепла на отдельных его стадиях:
– перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке ();
– перенос тепла от стенки к холодному теплоносителю ();
– перенос тепла через стенку ().
Таким образом, он является функцией:
. (7.166)
Численная величина коэффициента теплопередачи определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому в единицу времени через разделяющую их стенку площадью 1 м2при разности температур между теплоносителями 1 градус:
.
Расчет коэффициента теплопередачи является одной из основных задач поверхностного теплообмена. Его знание необходимо, когда требуется найти поверхность теплопередачи при известных Qи, а также когда необходимо определениеQ или одной из температур теплоносителей при известной поверхности нагрева.
Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи, полученные практически для различных случаев теплообмена, представлены в табл. 7.4.
Таблица 7.4 – Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи [Вт/м2·К]
Вид теплообмена |
Вынужденное движение |
Свободное движение |
От газа к газу (при невысоких давлениях) |
10–40 |
4–12 |
От газа к жидкости (газовые холодильники) |
10–60 |
6–20 |
От конденсирующегося пара к газу (воздухоподогреватели) |
10–60 |
6–12 |
От жидкости к жидкости (вода) |
800–1700 |
140–340 |
От жидкости к жидкости (углеводороды, масло) |
120–270 |
30–60 |
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели) |
800–3500 |
300–1200 |
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели) |
120–340 |
60–170 |
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы) |
300–800 |
230–460 |
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители) |
— |
300–2500 |
Взаимная связь между коэффициентом теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности, с другой, зависит от геометрической формы стенки, разделяющей теплоносители.
Теплопередача через плоские, цилиндрические и сферические стенки при установившемся процессе
Рисунок
7.20 – Характер изменения
температур
при теплопередаче
через плоскую
стенку
При установившемся процессе количество тепла, передаваемого в единицу времени через площадь Fот ядра потока горячего теплоносителя к стенке, равно количеству тепла, передаваемого через стенку и от стенки к ядру потока холодного теплоносителя. Это количество тепла можно определить по любому из соотношений:
Из этих соотношений:
(7.167)
Сложив левые и правые части равенств (7.167), получим
либо
(7.168)
Из сопоставления уравнений (7.165) и (7.168) следует, что
, (7.169)
или . (7.170)
Величина , обратная коэффициенту теплопередачи, носит название термического сопротивления теплопередаче. Величиныиявляются термическими сопротивлениями теплоотдаче, а– термическим сопротивлением стенки. Таким образом, термическое сопротивление теплопередаче равно сумме термических сопротивлений теплоотдаче и стенки, т.е. общее термическое сопротивление равно сумме частных. Поэтому, если стенка состоит из нескольких слоев толщинойи коэффициенты теплопроводности их соответственно равныто термическое сопротивление теплопередаче такой стенки
,
или . (7.171)
В этом случае выражение (7.169) для коэффициента теплопередачи Kпринимает следующий вид:
. (7.172)
Анализ уравнений (7.169) и (7.172) показывает, что коэффициент теплопередачи Kзависит в основном от значения наибольшего из термических сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса теплообмена необходимо прежде всего уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.
Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.
Подставляя значение удельного теплового потока Q/Fв уравнения (7.167), можно определить температуры стенкии:
(7.173)
Рисунок
7.21 – Теплопередача через
цилиндрическую
стенку
При установившемся процессе количества тепла, отданное горячим теплоносителем стенке, переданное через стенку и отданное стенкой холодному теплоносителю, равны. Следовательно,
(7.174)
Частные температурные напоры из уравнений (7.174):
(7.175)
Складывая уравнения системы (7.175), получим полный температурный напор:
, (7.176)
а тепловой поток
. (7.177)
Обычно при теплопередаче через цилиндрическую стенку определяют количество тепла, передаваемое через единицу длины трубы (L = 1), и уравнение теплопередачи представляют в виде
, (7.178)
где – линейный коэффициент теплопередачи (Вт/м·К), равный:
. (7.179)
Расчетные формулы теплопередачи через цилиндрические стенки довольно громоздки, поэтому при практических расчетах применяют некоторые упрощения. Так, для тонкостенных труб, пренебрегая кривизной стенки, используют для расчета уравнение для плоской стенки (7.168):
, (7.180)
где – коэффициент теплопередачи для плоской стенки;dр– расчетный диаметр трубы;– толщина стенки трубы, равная.
Погрешность расчета при использовании уравнения (7.180) при не превышает 4 %.
В качестве расчетного диаметра dрберут тот диаметр трубы, со стороны которого коэффициент теплоотдачи имеет меньшее значение. Если же значения коэффициентов теплоотдачииодного порядка, тоdрпринимают равным среднеарифметическому между внутреннимd1и внешнимd2диаметрами, т.е.:
По аналогии с коэффициентом теплопередачи для многослойной плоской стенки коэффициент теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки
. (7.181)
Рисунок
7.22 – Теплопередача через
шаровую
стенку
Теплопередача через шаровую стенку.Внутренний диаметр шара (рис. 7.22) равенd1, внешний –d2,коэффициент теплопроводности .Внутри шара находится горячий теплоноситель с температуройt1,снаружи – холодный теплоноситель с температуройt2.Значения коэффициентов теплоотдачи соответственнои. Температуры поверхности стеноки.
При установившемся режиме количество тепла (Вт), переданное от горячего теплоносителя к холодному через стенку, выразится уравнениями:
(7.182)
(7.183)
или ,
где Kш– коэффициент теплопередачи для шаровой стенки (Вт/К), равный:
. (7.184)