Тепломассообмен. Сложный теплообмен

Сентябрь 14, 2022

Главная
Физика
Тепломассообмен. Сложный теплообмен

Содержание

2. План 1. Критический диаметр изоляции. 2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку. 3. Способы интенсификации процессов теплопередачи.
3. 1. Критический диаметр изоляции Тепловой изоляцией называют всякое покрытие горячей поверхности, которое способствует снижению потерь теплоты
4. Для тепловой изоляции используют любые материалы с низкой теплопроводностью – асбест, пробка, слюда, шлаковая или стеклянная
5. При неправильном выборе материала изоляции тепловые потери возрастут. Это связано с тем, что у изолированного трубопровода
6. Рассмотрим условие, при котором материал, используемый для изоляции трубы, будет уменьшать тепловые потери. Цилиндрическая труба покрыта
7. В уравнении общего термического сопротивления теплопередачи двухслойной цилиндрической стенки (трубопровода, на который наложен слой изоляции):
8. Из формулы следует, что при наложении изоляции термическое сопротивление слоя изоляции возрастает на величину это способствует
9. Возьмем первую производную от правой части уравнения по d3 и приравнивая ее к нулю, получаем:
10. Критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривой определяется формулой: Из формулы следует: критический диаметр изоляции не
11. Критический диаметр тем меньше, чем меньше теплопроводность изоляции и чем больше теплоотдачи от наружной поверхности изоляции
12. Анализ уравнения показывает, что если наружный диаметр изоляции dиз увеличивается, но остается меньше dкр, то тепловые
13. При равенстве dиз=dкр получаются максимальные тепловые потери в окружающую среду (точка К). При дальнейшем увеличении наружного
14. Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего диаметра оголенного трубопровода, т.е. чтобы
15. Для того чтобы изоляция вызывала уменьшение теплопотерь цилиндрической стенки по сравнению с голым трубопроводом, при данном
16. Характер изменения тепловых потерь трубопровода ql в зависимости от толщены слоя при рациональном и неверном подборе
17. Пример Для изоляции трубопровода диаметром d2= 30 мм имеется шлаковая вата, теплопроводность которой λиз= 0,1 Вт/(м·К),
18. Пример Критический диаметр изоляции Так как dкр>d2, шлаковую вату в рассматриваемом случае применять нецелесообразно. Для нашей
19. 2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку Ребристые поверхности применяются для выравнивания термических сопротивлений теплоотдачи с обеих
20. Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет: увеличить ее поверхность соприкосновения с горячим (или холодным) теплоносителем;
21. Температура ребер изменяется по высоте, если t1>t2. У основания ребра температура равна температуре поверхности стенки .
22. Отношение количества теплоты QTр, передаваемой поверхностью ребер в окружающую среду, к теплоте QTп.р., которую эта поверхность
23. Температура гладкой поверхности ребер и простенков между ними принимается в первом приближении равной постоянной величине .
24. Коэффициент теплоотдачи на гладкой стороне α1. Коэффициент теплоотдачи ребер α2. Площадь гладкой поверхности F1. Площадь поверхности
25. Для стационарного режима можно записать три уравнения теплового потока:
26. Решая уравнения относительно разности температур и складывая, получаем: или где κр – коэффициент теплопередачи для ребристой
27. коэффициент теплопередачи для ребристой стенки
28. Тепловой поток отнесеннный к единице гладкой поверхности, то коэффициент теплопередачи для ребристой стенки равен Тепловой поток
29. Для круглой трубы с наружным оребрением: откуда где d1 – внутренний диаметр трубы; d2 – наружный
30. Приведенные формулы справедливы для ребер небольшой высоты. Отношение оребренной поверхности F2 к гладкой F1 называется коэффициентом
31. Пример. Определить количество теплоты, передаваемое через 1 м2 ребристой стенки, коэффициент оребрения которой F2/F1=12. Стенка выполнена
32. Решение. Коэффициент теплопередачи определяем по формуле: Считаем, что тепловой поток отнесен к гладкой поверхности. Плотность теплового
33. При гладкой поверхности стенки κ определяем по уравнению: Плотность теплового потока для гладкой стенки Оребрение стенки
34. 3. Интенсификации процессов теплопередачи Практика эксплуатации тепловых аппаратов требует наилучших условий передачи теплоты от горячего теплоносителя
35. Возможности осуществления требований к интенсификации процессов теплопередачи вытекают из закономерностей протекания основных способов передачи теплоты. Термическое
36. Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный. Правильное его решение может быть получено лишь на
37. Если термическим сопротивлением стенки пренебречь, то формула коэффициента теплопередачи примет вид: отсюда следует, что коэффициент теплопередачи
38. Пример 1. В паровом котле коэффициент теплоотдачи от топочных газов к стенке равен α1=30 Вт/(м2·К), а
39. Пример 1. Если для увеличения коэффициента теплопередачи κ улучшить условия теплоотдачи от стенки к воде или
40. Пример 2. Рассмотрим аппараты, в которых коэффициенты α1 и α2 велики. В водяном конденсаторе со стороны
42. Скачать презентацию

Слайд 2

План
1. Критический диаметр изоляции.
2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку.
3. Способы интенсификации

процессов теплопередачи.

Слайд 3

1. Критический диаметр изоляции
Тепловой изоляцией называют всякое покрытие горячей поверхности, которое

способствует снижению потерь теплоты в окружающую среду.

Слайд 4

Для тепловой изоляции используют любые материалы с низкой теплопроводностью – асбест,

пробка, слюда, шлаковая или стеклянная вата, шерсть и др.
Анализ формулы полного линейного термического сопротивления теплопередачи цилиндрической стенки показывает, что тепловые потери изолированных трубопроводов уменьшаются не пропорционально увеличению толщины изоляции.

Слайд 5

При неправильном выборе материала изоляции тепловые потери возрастут.
Это связано с тем,

что у изолированного трубопровода внешняя поверхность увеличивается и условия теплоотвода улучшаются.
Анализ показывает, что материал выбран правильно, если λиз удовлетворяет неравенству
где d2 – наружный диаметр трубопровода, а α2, и – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности к окружающей среде.

Слайд 6

Рассмотрим условие, при котором материал, используемый для изоляции трубы, будет уменьшать

тепловые потери.
Цилиндрическая труба покрыта однослойной изоляцией.
При постоянных α1, α2, d1, d2, λ1, λ2, t1 и t2 рассмотрим, как будет изменяться полное термическое сопротивление при изменении толщины изоляции.

Слайд 7

В уравнении общего термического сопротивления теплопередачи двухслойной цилиндрической стенки (трубопровода, на

который наложен слой изоляции):

Слайд 8

Из формулы следует, что при наложении изоляции термическое сопротивление слоя изоляции

возрастает на величину
это способствует снижению потерь теплоты, но одновременно термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую среду уменьшается на величину
что связано с увеличением внешней поверхности (d3>d2).

Слайд 9

Возьмем первую производную от правой части уравнения по d3 и приравнивая

ее к нулю, получаем:

Слайд 10

Критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривой
определяется формулой:
Из формулы следует: критический

диаметр изоляции не зависит от размеров трубопровода.

Слайд 11

Критический диаметр тем меньше, чем меньше теплопроводность изоляции и чем больше

теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде.
Если вторая производная от Rц больше нуля. Следовательно, критический диаметр соответствует минимуму теплового сопротивления и максимуму теплового потока.

Слайд 12

Анализ уравнения
показывает, что если наружный диаметр изоляции dиз увеличивается, но остается

меньше dкр, то тепловые потери возрастают и будут больше тепловых потерь голого трубопровода (кривая АК).

Слайд 13

При равенстве dиз=dкр получаются максимальные тепловые потери в окружающую среду (точка

К).
При дальнейшем увеличении наружного диаметра изоляции dиз>dкр теплопотери будут меньше, чем при dиз=dкр (кривая ВК).
Только при dиз=d3 тепловые потери вновь станут такими же, как и для неизолированного трубопровода.

Слайд 14

Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего

диаметра оголенного трубопровода, т.е. чтобы выполнялось условие:

Слайд 15

Для того чтобы изоляция вызывала уменьшение теплопотерь цилиндрической стенки по сравнению

с голым трубопроводом, при данном наружном диаметре трубы d2 и заданным коэффициентом теплоотдачи α2 необходимо, чтобы

Слайд 16

Характер изменения тепловых потерь трубопровода ql в зависимости от толщены слоя

при рациональном и неверном подборе материала показан на рисунке

Слайд 17

Пример
Для изоляции трубопровода диаметром d2= 30 мм имеется шлаковая вата, теплопроводность

которой λиз= 0,1 Вт/(м·К), коэффициент теплоотдачи α2= 4,0 Вт/(м2·К).
Целесообразно ли применять в данном случае в качестве изоляции шлаковую вату?

Слайд 18

Пример
Критический диаметр изоляции
Так как dкр>d2, шлаковую вату в рассматриваемом случае применять

нецелесообразно.
Для нашей задачи λиз должна быть меньше

Слайд 19

2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку
Ребристые поверхности применяются для выравнивания термических

сопротивлений теплоотдачи с обеих сторон стенки, когда одна поверхность омывается капельной жидкостью с большим коэффициентом теплоотдачи, а другая поверхность омывается газом с малым коэффициентом теплоотдачи, создающим большое термическое сопротивление.

Слайд 20

Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет:
увеличить ее поверхность соприкосновения с

горячим (или холодным) теплоносителем;
уменьшить общее тепловое сопротивление теплопередачи;
увеличить тепловые потоки.

Слайд 21

Температура ребер изменяется по высоте, если t1>t2.
У основания ребра температура равна

температуре поверхности стенки .
У вершины ребра температура будет значительно меньше и равна .
Участки поверхности ребра у основания передают больше теплоты, чем участки у ребра вершины.

Слайд 22

Отношение количества теплоты QTр, передаваемой поверхностью ребер в окружающую среду, к

теплоте QTп.р., которую эта поверхность могла передать при постоянной температуре, равной температуре у основания ребер, называется коэффициентом эффективности ребер:
Коэффициент эффективности ребер всегда меньше единицы.
Для коротких ребер, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, коэффициент эффективности близок к единице.

Слайд 23

Температура гладкой поверхности ребер и простенков между ними принимается в первом

приближении равной постоянной величине .
Стенка и ребра выполнены из одного материала с высокой теплопроводностью λ.

Рассмотрим плоскую стенку толщиной δ, на одной стороне которой имеются ребра.

Слайд 24

Коэффициент теплоотдачи на гладкой стороне α1.
Коэффициент теплоотдачи ребер α2.
Площадь гладкой поверхности

F1.
Площадь поверхности ребер и промежутков между ними F2.
Температура горячего теплоносителя t1.
Температура холодного теплоносителя t2.

Слайд 25

Для стационарного режима можно записать три уравнения теплового потока:

Слайд 26

Решая уравнения относительно разности температур и складывая, получаем:
или
где κр –

коэффициент теплопередачи для ребристой стенки.

Слайд 27

коэффициент теплопередачи для ребристой стенки

Слайд 28

Тепловой поток отнесеннный к единице гладкой поверхности, то коэффициент теплопередачи для

ребристой стенки равен
Тепловой поток отнесённый к единице ребристой поверхности, то коэффициент теплопередачи для ребристой стенки равен

Слайд 29

Для круглой трубы с наружным оребрением:
откуда
где d1 – внутренний диаметр

трубы; d2 – наружный диаметр трубы.

Слайд 30

Приведенные формулы справедливы для ребер небольшой высоты.
Отношение оребренной поверхности F2 к

гладкой F1 называется коэффициентом оребрения.
Точное значение коэффициента теплопередачи для ребристых поверхностей может быть определено только экспериментальным путем.

Слайд 31

Пример.
Определить количество теплоты, передаваемое через 1 м2 ребристой стенки, коэффициент оребрения

которой F2/F1=12.
Стенка выполнена из чугуна с теплопроводностью λ=63 Вт/(м·К) и толщиной δ=12 мм.
Коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к стенке α1=250 Вт/(м2·К) и α2=12 Вт/(м2·К).
Температура рабочего тела t1=117°С, а температура воздуха t2=17°С.

Слайд 32

Решение.
Коэффициент теплопередачи определяем по формуле:
Считаем, что тепловой поток отнесен к гладкой

поверхности.
Плотность теплового потока определяем по уравнению:

Слайд 33

При гладкой поверхности стенки κ определяем по уравнению:
Плотность теплового потока для

гладкой стенки
Оребрение стенки увеличило теплопередачу в 7,9 раза.
В действительности с учетом изменения коэффициента теплоотдачи и температуры вдоль ребра эффект от оребрения может быть значительно меньше.

Слайд 34

3. Интенсификации процессов теплопередачи
Практика эксплуатации тепловых аппаратов требует наилучших условий передачи

теплоты от горячего теплоносителя к холодному.

При решении практических задач теплопередачи в одних случаях требуется интенсифицировать процесс, в других, наоборот, всячески тормозить.

Слайд 35

Возможности осуществления требований к интенсификации процессов теплопередачи вытекают из закономерностей протекания

основных способов передачи теплоты.

Термическое сопротивление стенки можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала.
Теплоотдача соприкосновением может быть интенсифицирована путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения.
При тепловом излучении – путем повышения степени черноты и температуры излучающей поверхности.

Слайд 36

Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный.
Правильное его решение может

быть получено лишь на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

Пример:
Рассмотрим формулу коэффициента теплопередачи для плоской стенки:

Слайд 37

Если термическим сопротивлением стенки пренебречь, то формула коэффициента теплопередачи примет вид:
отсюда

следует, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи.
Выявив частные термические сопротивления, можно найти и решение задачи об интенсификации теплопередачи.

Слайд 38

Пример 1.
В паровом котле коэффициент теплоотдачи от топочных газов к стенке

равен α1=30 Вт/(м2·К), а от стенки к кипящей воде α2=5000 Вт/(м2·К), теплопроводность стальной стенки λ=50 Вт/(м·К), толщина стенки δ=0,02 м. Стенку считаем плоской.
При этих условиях коэффициент теплопередачи κ=29,5 Вт/(м2·К), т.е. он меньше наименьшего α.

Слайд 39

Пример 1.
Если для увеличения коэффициента теплопередачи κ улучшить условия теплоотдачи от

стенки к воде или применять более тонкую стенку из теплопроводного материала, то этими способами увеличить κ не удается.
Существенно повысить κ можно лишь тогда, когда улучшим передачу теплоты от топочных газов к стенке.

Слайд 40

Пример 2.
Рассмотрим аппараты, в которых коэффициенты α1 и α2 велики.
В водяном

конденсаторе со стороны воды α1=5000 Вт/(м2·К), а со стороны пара α2=10000 Вт/(м2·К).
Если стенку такого конденсатора изготовить из стали толщиной 20 мм, то κ=1428 Вт/(м2·К),
если взять стенку толщиной 3 мм, то κ=2770 Вт/(м2·К),
а если сталь заменить красной медью и взять стенку толщиной 1 мм, то κ=3400 Вт/(м2·К).

Тепломассообмен. Сложный теплообмен

Содержание

План1. Критический диаметр изоляции.2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку.3. Способы интенсификации

1. Критический диаметр изоляцииТепловой изоляцией называют всякое покрытие горячей поверхности, которое

Для тепловой изоляции используют любые материалы с низкой теплопроводностью – асбест,

При неправильном выборе материала изоляции тепловые потери возрастут.Это связано с тем,

Рассмотрим условие, при котором материал, используемый для изоляции трубы, будет уменьшать

В уравнении общего термического сопротивления теплопередачи двухслойной цилиндрической стенки (трубопровода, на

Из формулы следует, что при наложении изоляции термическое сопротивление слоя изоляции

Возьмем первую производную от правой части уравнения по d3 и приравнивая

Критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривойопределяется формулой:Из формулы следует: критический

Критический диаметр тем меньше, чем меньше теплопроводность изоляции и чем больше

Анализ уравненияпоказывает, что если наружный диаметр изоляции dиз увеличивается, но остается

При равенстве dиз=dкр получаются максимальные тепловые потери в окружающую среду (точка

Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего

Для того чтобы изоляция вызывала уменьшение теплопотерь цилиндрической стенки по сравнению

Характер изменения тепловых потерь трубопровода ql в зависимости от толщены слоя

ПримерДля изоляции трубопровода диаметром d2= 30 мм имеется шлаковая вата, теплопроводность

ПримерКритический диаметр изоляцииТак как dкр>d2, шлаковую вату в рассматриваемом случае применять

2. Теплопередача через плоскую ребристую стенкуРебристые поверхности применяются для выравнивания термических

Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет:увеличить ее поверхность соприкосновения с

Температура ребер изменяется по высоте, если t1>t2.У основания ребра температура равна

Отношение количества теплоты QTр, передаваемой поверхностью ребер в окружающую среду, к

Температура гладкой поверхности ребер и простенков между ними принимается в первом

Коэффициент теплоотдачи на гладкой стороне α1.Коэффициент теплоотдачи ребер α2.Площадь гладкой поверхности

Для стационарного режима можно записать три уравнения теплового потока:

Решая уравнения относительно разности температур и складывая, получаем:или где κр –

коэффициент теплопередачи для ребристой стенки

Тепловой поток отнесеннный к единице гладкой поверхности, то коэффициент теплопередачи для

Для круглой трубы с наружным оребрением:откуда где d1 – внутренний диаметр

Приведенные формулы справедливы для ребер небольшой высоты.Отношение оребренной поверхности F2 к

Пример.Определить количество теплоты, передаваемое через 1 м2 ребристой стенки, коэффициент оребрения

Решение.Коэффициент теплопередачи определяем по формуле:Считаем, что тепловой поток отнесен к гладкой

При гладкой поверхности стенки κ определяем по уравнению:Плотность теплового потока для

3. Интенсификации процессов теплопередачиПрактика эксплуатации тепловых аппаратов требует наилучших условий передачи