Вопрос 10. Современные параметры работы цикла Ренкина.
Внимание!!! Этот вопрос объединяет 6,7 и 9 вопросы.
Вопрос 11. Основные понятия теплопередачи. Суть процесса. Параметры, характеризующие интенсивность теплопередачи. Способы интенсификации теплопередачи.
Теплопередачей называют теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени, называют тепловым потоком и измеряют в Вт (Дж/с). Интенсивность теплового потока прямо пропорциональна разности температур на нагретой и холодной поверхностях, т.е. температурному градиенту, который является вектором и имеет положительный знак при возрастании температуры.
Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности тела, через которое осуществляется процесс теплопередачи, называют поверхностной плотностью теплового потока.
Любой материал, из которого выполнена стенка, разделяющая холодную и теплую среды, оказывает большее или меньшее сопротивление тепловому потоку. Величина этого сопротивления зависит от способности вещества (материала) проводить теплоту, т.е. от его теплопроводности, которая для каждого вещества имеет свое определенное значение и зависит от многих причин: агрегатного состояния вещества, его структуры, плотности, влажности, давления и температуры.
Перенос теплоты теплопроводностью характерен для веществ (материалов), находящихся в любом агрегатном состоянии. Он имеет место в сплошной среде, т.е. при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. В общем же виде теплоперенос представляет собой сложный теплофизический процесс, в котором можно выделить кроме теплопроводности еще два элементарных вида переноса теплоты: конвекцию и тепловое излучение.
Конвекцией называют перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Этот вид теплообмена свойственен движущимся жидкостям или газам.
Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту. Этот вид энергии возможен лишь в газообразной среде или в вакууме.
Превалирующее влияние того или иного вида теплопередачи зависит от материалов, из которых изготовлена ограждающая конструкция, величины и характера их пористости, конструктивного решения ограждения, среды, в которой эксплуатируется ограждение и температуры эксплуатации.
Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики.
Интенсификация – повышение эффективности какого-либо процесса, без изменения количества исходных ресурсов.
В действительных условиях работы различных теплообменных устройств теплота передается одновременно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Такое явление называется сложным теплообменом. Например, в газоходах паровых котлов теплота передается не только излучением, но и конвекцией.
Рассмотрим
процесс теплопередачи через однородную
плоскую стенку толщиной δ (рис. 12.1).
Заданы: коэффициент теплопроводности
стенки λ, температуры окружающей среды
tж1 и tж2, коэффициенты теплоотдачи α1 и
α2. Необходимо найти тепловой поток от
горячей жидкости к холодной и температуры
на поверхностях стенки tс1 и tс2. Плотность
теплового потока от горячей среды к
стенке определится уравнением (9.14)
При стационарном режиме этот же тепловой поток пройдет путем теплопроводности через твердую стенку и будет передан от второй поверхности стенки к холодной среде за счет теплоотдачи:
Перепишем приведенные уравнения в виде:
Складывая левые и правые части полученных равенств, запишем
Отсюда
где
k – коэффициент теплопередачи.
При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое сопротивление теплопроводности стенки (величина, обратная k, R=1/k) мало, то при
Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи α1 или α2. Если α1»α2, то необходимо увеличивать и α1 и α2 одновременно.
Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи, то есть увеличения площади поверхности, что приведет к уменьшению термического сопротивления Ra1≈1/(a1F1), где F – площадь поверхности теплопередачи. Наиболее эффективным является соотношение a1F1= a2F2.