Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
РЕФЕРАТ
Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов
1. Сложный теплообмен
Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения этих процессов. Однако на практике часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передаётся двумя или даже тремя способами одновременно. Наиболее распространённым случаем сложного теплообмена является теплоотдача от поверхности к газу (или от газа к поверхности). При этом имеет место конвективный теплообмен между поверхностью и омывающим её газом, и, кроме того, та же самая поверхность излучает и поглощает энергию, обмениваясь потоками излучения с газом и окружающими предметами. В целом, интенсивность сложного теплообмена в этом случае характеризуют суммарным коэффициентом теплоотдачи
? = ?к+ ?л (1)
При этом считается, что конвекция и излучение независимы друг от друга. Конвективный коэффициент теплоотдачи считают по формуле
Ф = Q/? = ? (t'ст - t'ж); Фк = ?к (t'ст - t'ж)F; (2)
В этой формуле за температуру теплоносителя t'ж принимают температуру газа (воздуха) вдали от нагретой поверхности
'ж = t'г. Фк = ?к (t'ст - t'г)F (3)
Отсюда находим
?к = Фк /[ (t'ст - t'г)F] (4).
Аналогично находятся и остальные коэффициенты теплоотдачи, полный и лучистый:
? = Ф /[ (t'ст - t'г)F] (5)
?л= Фл /[ (t'ст - t'г)F] (6).
Значения лучистого теплового потока рассчитываются по формуле
Фл = ?прС0 [(Т1/100)4 - (Т2/100)4] F.
Для случая сложного теплообмена, когда поверхность твёрдого тела, нагретая расположенным внутри её электрическим нагревателем, отдаёт тепло в неограниченную воздушную среду, полный тепловой поток можно приравнять мощности нагревателя
Ф= I U (7).
Приведенный коэффициент черноты в этом случае равен коэффициенту черноты нагретой поверхности и формулу для лучистого теплового потока можно записать в виде:
Фл = ? С0 [(Тст/100)4 - (Тг/100)4] F (8)
Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.
Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.
При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен.
) Теплопередача через плоскую стенку.
Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной ? и теплопроводностью ?
Рис.1 Теплопередача через плоскую стенку.
Температура горячей жидкости (среды) tж*, холодной жидкости (среды) tж**.
Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:
Ф = ?1 (tж* - t1) F,
где ? 1 - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой tж* к поверхности стенки с температурой t1; F - расчетная поверхность плоской стенки.
Тепловой поток, переданный через стенку, определяется по уравнению:
Ф = (? / ? ? (t1 - t2) F.
Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде определяется по формуле:
Ф = ?2 (t2 - tж**) F,
где ?2 - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t''ж
Решая эти три уравнения получаем:
Ф = (tж* - tж**) F К,
где К = 1/[(1/ ? 1 )+ (?/? ? + (1/ ? 2) ]- коэффициент теплопередачи, или R0 = 1/К = (1/ ? 1 )+ (?/? )+ (1/ ? 2) - полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. 1/? 1; 1/? 2 - термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;
?/? - термическое сопротивление стенки.
) Теплопередача через цилиндрическую стенку
Принцип расчета теплового потока через цилиндрическую стенку аналогичен случаю для плоской стенки. Рассмотрим однородную трубу с теплопроводностью ?, внутренний диаметр трубы d1, наружный диаметр d2, длина L. Внутри трубы находится горячая среда с температурой tж*, а снаружи холодная среда с температурой tж** Количество теплоты, переданной от горячей среды к внутренней стенке трубы по закону Ньютона-Рихмана имеет вид: Ф = ?d1 ? 1L(tж* - t1), где ?1 - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой tж* к поверхности стенки с температурой t1;
Тепловой поток, переданный через стенку трубы определяется по уравнению:
Ф = 2 ? ? l(t1 - t2) / ln (d2/d1).
Тепловой поток от второй поверхности стенки трубы к холодной среде определяется по формуле:
Ф= ? d2 ? 2L(t1 - tж**),
где ? 2 - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой tж**. Решая эти три уравнения получаем:
Ф= ? L(tж* - tж**) К,
где Кl = 1/[1/(? 1d1)+ 1/(2 ? ln(d2/d1) + 1/(? 2d2)] - линейный коэффици