- •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
Тепловое излучение газов и паров
Излучение газов и паров значительно отличается от излучения твердых тел. В отличие от твердых тел и жидкостей, поглощающих и излучающих лучистую энергию всех длин волн от 0 до бесконечности, излучение газов и паров избирательно. Они излучают и поглощают энергию лишь в определенных диапазонах длин волн. Например, двуокись углерода способна излучать и поглощать лучистую энергию в диапазоне длин волн 236÷302 мкм, 12,5÷16,5 мкм и 4,01÷4,8 мкм. Для остальных диапазонов длин волн двуокись углерода диатермична. Водяной пар имеет также три полосы излучения и поглощения. Большинство же газов и паров практически диатермично.
Отличительной особенностью излучения газов и паров является также и то, что они излучают и поглощают не поверхностным слоем, а всем объемом. В связи с этим их излучательная и поглощательная способности Eг зависят от толщины слояlгаза или пара и от содержания в газовой смеси излучающего газа.
Ег =f(l,р,Тг),
где р– парциальное давление излучающего газа в газовой смеси;Тг– температура газа.
Если в газовой смеси находятся хотя бы два излучающих газа, у которых спектры излучения совпадают, то суммарное излучение такой смеси будет меньше, чем излучение каждого газа в отдельности, так как энергия излучения одного газа частично поглощается другим.
Зависимость лучеиспускательной способности от температуры для всех газов не одинакова. Лучеиспускательная способность газов пропорциональна температуре, в среднем, в степени 3 – 3,5. Однако в расчетах принимают, что газы и пары следуют закону Стефана-Больцмана и соответствующие отклонения учитывают величиной степени черноты газа . В соответствии с этим тепло, излучаемое газом (паром):
. (7.58)
Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давлениярв газовой смеси и толщины слояlгаза, определяется опытным путем и приведена в справочной литературе.
Для практических расчетов лучистого теплообмена между газовой средой c температурой Tг и поверхностью твердого тела с температуройТсиспользуют степени черноты газаи твердого тела. Тогда в соответствии с законом Стефана-Больцмана
. (7.59)
Конвективный теплообмен
Конвективным теплообменом называют процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвенция возможна лишь в движущейся среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.
В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают вынужденнуюиестественнуюконвекции. Вынужденная конвекция происходит под воздействием внешних сил – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором, мешалкой, ветром илииным каким-либо источником. Естественная конвекция возникает вследствие изменения плотности самой жидкости или газа в результате термического расширения. Подъемная сила, обусловливающая свободное движение частиц или естественную конвекцию, выражается величиной, а ускорение, вызываемое этой силой, равно(и– плотности жидкости в двух ее точках при температурахи;– ускорение силы тяжести). Если объемный коэффициент температурного расширения жидкости или газа, то
. (7.60)
Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ними твердого тела носит название конвективной теплоотдачиили простотеплоотдачи. Следовательно, конвективная теплоотдача является результатом двух параллельно протекающих процессов переноса тепла: собственно теплопроводности и теплообмена, обусловленного движением жидкости или газа. В зависимости от свойств последних и характера их движения вклад каждого из двух процессов может быть различным, но при всех условиях интенсивность теплообмена неразрывно связана с характером движения жидкости или газа. В связи с этим различают теплоотдачу при свободной или естественной конвекции, при ламинарном и турбулентном режимах течения.
При свободной конвекции более нагретые частицы, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, их сменяют боле холодные частицы, которые, опускаясь вниз и нагревшись, также движутся кверху; в результате возникают конвективные токи. В этом случае теплоотдача зависит от форм и размеров твердой поверхности, температуры жидкости (газа), коэффициента объемного расширения и других физических свойств (,,μ,), а также от ускорения силы тяжести. Вместе с тем скорость движения жидкости не оказывает влияния на теплоотдачу, так как она является функцией независимых переменных, указанных выше.
При ламинарном режиме движения теплоотдача определяется как вынужденным, так и свободным движением потоков жидкости или газа. Если естественная конвекция отсутствует (либо ею можно пренебречь), то перенос тепла по нормали к поверхности осуществляется лишь за счет теплопроводности жидкости (газа). При наличии же свободной конвекции неизбежно возникает турбулизация потока и перенос тепла усиливается. Наибольшая турбулизация возникает при вертикальном положении твердой поверхности и противоположном направлении свободного и вынужденного движений. При горизонтальном положении поверхности свободное движение жидкости или газа создает довольно сильную турбулизацию, независимо от направления теплового потока.
При турбулентном режиме движения жидкости или газа тепловой поток, по аналогии с гидродинамическим, разделяют на две части: пограничный тепловой слойивнешний поток,илиядро потока. В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движутся жидкость или газ и чем энергичнее осуществляется перемешивание их частиц. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном течении характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, что приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значенияtср. Таким образом, перенос тепла в ядре потока определяется прежде всего характером движения теплоносителя, завися также от его теплофизических свойств.
Рисунок
7.10 – Изменение скорости wи температурыt
в неподвижной точке турбулентного
потока
Наличие конвективного теплообмена изменяет распределение скоростей в потоке по сравнению с распределением в случае изотермического потока. Вместе с тем распределение температур определяется полем скоростей. Это обстоятельство взаимного влияния температурного и скоростного полей необходимо учитывать при точном решении задач о конвективном теплообмене в случае сильного изменения вязкости жидкости или газа с изменением температуры.
В тепловом пограничном слое по мере приближения к стенке интенсивность конвекции падает, возрастает доля теплопроводности в тепловом потоке. В непосредственной близости от стенки в тонком тепловом подслое перенос тепла по нормали к стенке осуществляется только теплопроводностью. Этот пристенный слой получил название пограничного подслоя. Влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла в этом подслое практически отсутствует. Распределение скоростей и температур, как уже указывалось, взаимосвязаны. Однако точный расчет их представляет большие трудности, так как в общем случае гидродинамический и тепловой пограничные слои деформируются по-разному.
В пределах пограничного слоя температура изменяется от температуры поверхности стенки tстдо температуры жидкости (газа) в ядре потокаtж. Для области внутри теплового пограничного слоя изменение температуры по нормали, а на его внешней границе и в ядре потокаи. Следовательно, все изменение температуры жидкости или газа по нормали к поверхности (а следовательно, и термическое сопротивление) сосредоточено в пограничном слое. Однако это изменение неравномерно по его толщине, в основном оно сосредоточено в пограничном подслое. На рис. 7.11 приведена приближенная схема механизма переноса тепла.
Рисунок
7.11 – Структура
теплового потока
при
турбулентном режиме:
1 –
пограничный подслой;
2 – пограничный
слой;
3 – ядро потока
Интенсификация конвективного теплообмена связана с уменьшением толщины пограничного слоя. С развитием турбулентности пограничный слой может быть настолько тонким, что конвекция будет оказывать доминирующее влияние на теплообмен.
На размеры и структуру пограничного слоя оказывают влияние геометрическая форма и размеры поверхности теплообмена, которые определяют характер обтекания поверхности жидкостью или газом. В технике имеется большое многообразие поверхностей нагрева (пластины, трубы и т.д.), каждая из них создает специфические условия движения и теплоотдачи.
Малая толщина пограничного слоя позволяет пренебречь его кривизной (даже если стенка не является плоской) и считать температурный профиль в слое линейным. Это означает, что перенос теплоты через модельный тепловой пограничный слой можно рассматривать как теплопроводность через плоский слой жидкости или газа с теплопроводностью и представить выражением
. (7.61)
Ввиду сложности механизма конвективного теплообмена и определения δтдля удобства расчета теплоотдачи в основу его положензакон охлаждения Ньютона. Согласно этому закону теплоотдачи количество теплаdQ, передаваемое от поверхности теплообмена к окружающей среде или, наоборот, от окружающей среды к поверхности теплообмена, прямо пропорционально поверхности теплообменаdF, разности температур поверхностиtсти окружающей средыtжи времениdτ, в течение которого осуществляется теплообмен, т.е.
, (7.62)
где – коэффициент пропорциональности, который носит названиекоэффициента теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности нагрева в окружающую среду или, наоборот, от окружающей среды к единице поверхности теплообмена в единицу времени при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды в один градус:
.
При расчете конкретных установившихся тепловых процессов коэффициент теплоотдачи принимают постоянным вдоль всей теплообменной поверхности, тогда уравнение (7.62) принимает вид:
, (7.63)
где Q– количество тепла, переносимое в единицу времени, Вт.
Сопоставление уравнений (7.61) и (7.63) для одного и того же потока теплоты дает соотношение
, или. (7.64)
Это соотношение, как правило, не является расчетным, так как за редким исключением толщина пограничного слоя δтнеизвестна. Однако выражение (7.64) позволяет моделировать явления конвективного переноса теплоты. Из этого выражения следует, что коэффициент теплоотдачи зависит от теплопроводности жидкости (газа), омывающей поверхность теплообмена, и толщины теплового пограничного слоя, который в свою очередь зависит от геометрической формы, размера и состояния (шероховатости) поверхности, ее температуры, характера и режима движения жидкости или газа, их физических и теплофизических свойств, а также коэффициента объемного расширения. Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных:
(7.65)
где dиL– характерные линейные размеры (диаметр и длина соответственно); ε – степень шероховатости поверхности теплообмена.
Теоретическое определение коэффициента теплоотдачи возможно лишь для очень ограниченного числа простейших случаев. В инженерной практике пользуются расчетными зависимостями, полученными путем обобщения многочисленных экспериментальных данных на основе теории подобия. Для этого необходимо дифференциальное уравнение конвективного теплообмена.