Определение поверхности теплообмена. Определение теплопередачи

Основы теплопередачи (краткие сведения с формулами)

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача – процесс распространения тепла. Способы переноса тепла: теплопроводность (реализуется внутри твёрдых тел), конвекция (возникает в результате перемешивания в жидкостях и газах), тепловое излучение (лучеиспускание).

В реальных условиях тепло передаётся комбинированным способом. Например, при теплообмене между твёрдой стенкой и газовой средой тепло передаётся одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением (теплоотдача). Ещё более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой жидкости (газа) через разделяющую их поверхность (теплопередача).

Расчёт теплообменной аппаратуры включает:

Определение теплового потока путём составления и решения тепловых балансов.

Определение поверхности теплообмена из основного уравнения теплопередачи.

Тепловой баланс

Количество теплоты (Дж/с), которое отдаёт горячий теплоноситель,

Аналогично количество теплоты (Дж/с), которое получит холодный теплоноситель,

где

G – массовый расход горячего (холодного) теплоносителя, кг/с,

c - удельная теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кгК),

tн - начальная температураи tк – конечная температура теплоносителя. Из-за потерь теплоты в окружающую среду через наружные стенки аппарата холодный теплоноситель получит не всю теплоту, отданную горячим теплоносителем, т.е.

Уравнение теплового баланса

Уравнение справедливо, если теплоносители не изменяют агрегатного состояния.

Если в качестве горячего теплоносителя используют насыщенный водяной пар, то количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара,

где

D – массовый расход пара, кг/с,

r – скрытаятеплота парообразования, Дж/кг, тогда

Если в аппарате охлаждается образовавшийся конденсат, необходимо учесть теплоту, выделяемую конденсатом:

где

cкон – удельная теплоёмкость конденсата, Дж/(кгК),

tп – температура греющего пара, равная температуре конденсации, 0С,

tкон – температура конденсата, покидающего аппарат, 0С.

В современных тепловых аппаратах тепловые потери благодаря тепловой изоляции не превышают 3…5% количества теплоты, выделяемой горячим теплоносителем, и в приближённых расчётах могут не учитываться.

Конвекция включает в себя два механизма переноса тепла – за счёт теплопроводности и за счёт перемешивания, а их вклад в процесс зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости или газа.

Основное уравнение теплоотдачи

Количество теплоты, передаваемой от горячего теплоносителя, прямо пропорционально площади теплопередающей поверхности F, действующей средней разности температур Δt, продолжительности процесса τ и коэффициенту теплоотдачи :

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передаётся от горячего теплоносителя к холодному через 1 м2 поверхности при средней разности температур в 1 градус за 1 с:

Коэффициент теплоотдачи зависит от:

-         скорости жидкости , её плотностии вязкости, т.е. переменных определяющих режим течения жидкости,

-         тепловых свойств жидкости (удельной теплоёмкости ср, теплопроводности ), а также коэффициента объёмного расширения,

-         геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки (для труб – их диаметр d и длина L), а также шероховатости стенки.

Вследствие сложной зависимости коэффициента теплоотдачи от большого числа факторов невозможно получить расчётное уравнение для, пригодное для всех случаев теплоотдачи, поэтому для расчётов используют обобщённые (критериальные) уравнения для типовых случаев теплоотдачи.

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо знать температурный градиент жидкости у стенки, т.е. распределение температур в жидкости. Исходной зависимостью для обобщения опытных данных по теплоотдаче является общий закон распределения температур в жидкости, выражаемый дифференциальным уравнением конвективного теплообмена, которое носит название уравнение Фурье-Кирхгофа:

где ,

где

- теплопроводность,

с – теплоёмкость,

- плотность.

Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена или уравнение Фурье-Кирхгофа:

Коэффициент температуропроводности характеризует тепловую инерционность тела, т.е. сравнивает скорость распространения теплоты (температуры) в различных средах (при прочих равных условиях быстрее нагреется и охладится то тело, которое обладает большим коэффициентом температуропроводности).

Для твёрдых тел

Следовательно,

При установившемся процессе теплообмена

Для практического использования уравнения Фурье-Кирхгофа его представляют в виде функции от критерия подобия.

1.      Подобие граничных условий (подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости) характеризуется критерием Нуссельта:

Nu является мерой соотношения толщины пограничного слоя и определяющего геометрического размера (для трубы – её диаметр d).

2. Условие подобия в ядре потока выражает критерий Фурье (равенство критериев Фурье в сходственных точках тепловых потоков - необходимое условие подобия неустановившихся процессов теплообмена):

3. Критерий Фурье является аналогом критерия гомохронности Ho при гидродинамическом подобии (учитывает неустановившийся характер движения в подобных потоках).

4. Критерий Пекле является мерой соотношения между теплом, переносимым путём конвекции и путём конвекции и путём теплопроводности при конвективном теплообмене:

5. Критерий Рейнольдса отражает влияние силы трения на движение жидкости (характеризует отношение инерционных сил к силам трения в подобных потоках):

6. Критерий Фруда отражает влияние силы тяжести, или собственного веса, на движение жидкости (является мерой отношения силы инерции к силе тяжести в подобных потоках):

Необходимыми условиями подобия процессов переноса тепла является соблюдение гидродинамического (характеризуется равенством критериев Ho, Re, Fr в сходственных точках подобных потоков)и геометрического подобия (характеризуется постоянством отношения основных геометрических размеров стенки L1, L2, …Ln к некоторому характерному размеру L0 = d – обычно диаметру трубы).

Таким образом, обобщённое (критериальное) уравнение конвективного теплообмена выражается функцией вида:

или с учётом того, что критерий Нуссельта является определяемым, так как в него входит искомая величина коэффициента теплоотдачи:

7.

где - критерий Прандтля (характеризует подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена) является мерой подобия полей температур и скоростей).

Значения критерия Прандтля для капельных жидкостей порядка 3 – 300 и значительно уменьшаются с возрастанием температуры, а для газов постоянны и зависят от атомности газа (Pr ~ 0.7 – 1). Поэтому для жидкостей тепловой подслой тоньше гидродинамического.

С введением критерия Pr обобщённое уравнение конвективного теплообмена принимает вид

При установившемся процессе теплообмена из обобщённого уравнения исключаются критерии Fo и Ho. При вынужденном движении, когда влияние сил тяжести на гидродинамику потока, отдающего или воспринимающего тепло, пренебрежимо мало, влиянием критерия Fr на теплоотдачу можно пренебречь. Тогда:

вид этой функции определяется опытным путём, причём обычно ей придают степенную форму. Так, например, при движении потока в трубе диаметром d и длиной l может быть представлено в виде:

где С, m, n, p – величины, определяемые из опыта.

8. До сих пор обсуждались задачи с вынужденным движением жидкости. Рассмотрим, например, процесс нагревания воды в кастрюле. В этом случае нельзя исключить из уравнения критерий Фруда, т.к. сила тяжести служит причиной воздействия естественной конвекции. Однако для расчёта критерия Fr необходимо знать скорость движения конвективных токов жидкости, определить которую весьма сложно. Попробуем исключить скорость, комбинируя критерии Fr и Re:

Полученный безразмерный комплекс величин называют производным критерием Галилея:

9. Умножив критерий Ga на безразмерную разность плотностей нагретой и холодной жидкости, являющуюся причиной естественной конвекции, получим критерий Архимеда:

10. Т.к. изменение плотности при нагревании связано с коэффициентом объёмного расширения , можем заменить разность плотностей разностью температур:

подставив это выражение в критерий Архимеда, получим критерий для характеристики теплоотдачи в условиях естественной конвекции – критерий Грасгофа (мера отношения сил трения к подъёмной силе, определяемой разностью плотностей в различных точках неизотермического потока):

Следовательно, для процессов теплоотдачи при естественной конвекции, или свободном движении жидкости, обобщённое уравнение теплоотдачи имеет вид:

Для газов Pr~1=const и, значит, критерий Pr можно исключить из обобщённых уравнений для определения

Критериальные уравнения для различных случаев теплоотдачи

(*) – эквивалентный диаметр, S – площадь поперечного сечения потока, П – смоченный периметр сечения (для труб круглого сечения dэкв равен внутреннему диаметру трубы), - средняя скорость теплоносителя. При движении в изогнутых трубах (змеевиках) значениевследствие дополнительной турбулизации потока в местах изгиба труб несколько возрастает по сравнению с прямыми трубами. Для расчёта коэффициента теплоотдачи в змеевикахпривводят поправочный коэффициент к расчётной величинедля прямых труб:

где d – внутренний диаметр трубы змеевика, D – диаметр витка змеевика.

(**) - критерий Рейнольдса, модифицированный для мешалок, dм - диаметр мешалки, n - число оборотов мешалки в 1 сек,- вязкость перемешиваемой среды при средней температуре между температурами среды tж и стенки аппарата tст со стороны перемешиваемой жидкости,- вязкость среды при температуре tст.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния

Конденсация паров

Сухой насыщенный пар, поступающий в аппарат в качестве горячего теплоносителя, конденсируется на теплопередающей поверхности, выделяя большое количество теплоты. При этом образующаяся жидкая фаза – конденсат – выделяется на поверхности в виде отдельных капель. Происходит капельная конденсация. В реальных аппаратах поверхность теплоотдачи ограничена, а количество пара, поступающего на конденсацию, велико. Это приводит к быстрому слиянию капель и образованию плёнки, покрывающей всю теплопередающую поверхность. Общее критериальное уравнение для этого случая теплоотдачи имеет вид:

где Ku – критерий Кутателадзе – критерий фазового перехода, который служит мерой отношения теплоты, затрачиваемой на фазовое превращение, к теплоте переохлаждения (перегрева) жидкой фазы при температуре её насыщения:

где r – скрытая теплота парообразования (теплота конденсации), Дж/кг, сж - удельная теплоёмкость конденсата, Дж/(кг. К),

так как

то

где - определяющий геометрический размер.

C – коэффициент, зависящий от формы поверхности.

Для вертикальных плоских и трубчатых поверхностей C = 2.04, l= H (высота вертикальной стенки трубы), тогда

где для горизонтальной поверхности С =1,28, l = dн (наружный диаметр трубы), тогда

Ориентировочные интервалы значений коэффициентов теплоотдачи в промышленных теплообменных устройствах

Уравнение теплопередачи для плоской стенки при постоянных температурах теплоносителей

и для непрерывных процессов

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи K показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 м2 при разности температур между теплоносителями 1 град.

Уравнение теплопередачи для цилиндрической стенки при постоянных температурах теплоносителей

где

линейный коэффициент теплопередачи, отнесённый к единице длины трубы, а не к единицы её поверхности, т.е.

,.

Расчет средней разности температур при различных направлениях движения теплоносителей

Перемещаясь вдоль поверхности теплообмена, теплоносители непрерывно изменяют свою температуру.

Диаграммы изменения температур

Если разность температур на входе в аппарат превышает разность на выходе не более чем в два раза, т.е. среднюю разность определяют как среднюю арифметическую:

Если разности температур отличаются более чем в два раза, т.е. среднюю разность определяют как среднюю логарифмическую:

В случае, когда теплоносители движутся навстречу один другому в противотоке (рис. б), действующая разность температур в каждом сечении аппарата гораздо ближе к средней разности , которая рассчитывается по тем же уравнениям. Противоточные процессы имеют преимущества в сравнении с прямоточными. Помимо более равномерного распределения разности температур вдоль поверхности нагрева при противотоке достигается более полное использование горячего теплоносителя. При противотоке более холодный теплоноситель с той же начальной температурой, что и при прямотоке, может нагреться до более высокой температуры, близкой к начальной температуре более нагретого теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к некоторому уменьшению средней разности температур и соответственно – к увеличению потребной поверхности теплообмена при противотоке по сравнению с прямотоком. Однако экономический эффект, достигаемый вследствие уменьшения расхода теплоносителя при противотоке, превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров теплообменника.

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим.

Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, называют нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, - охлаждающими агентами. Вещества, получающие тепло от источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, называют промежуточными теплоносителями.

studfiles.net

это что такое? Виды, способы, расчет теплопередачи

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины – стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

к поверхности стенки от нагревающей жидкости;теплопроводностью через стенку;к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

Источник

www.obovsyom.ru

Определение поверхности теплообмена

Необходимая поверхность теплообмена выпарного аппарата определяется из уравнения теплопередачи

(3.12)

в зависимости от тепловой нагрузки Q. Температурный напор принимается равным разности температур насыщения греющего пара tп и кипения раствора tкип:

кип (3.13)

Температура кипения раствора находиться по уравнению

, (3.14)

где - температура вторичного пара, определяемая по рабочему давлению в сепарационном пространстве аппарата. Температурные потери определяются по методике изложенной в 2-м разделе.

Коэффициент теплопередачи К, , рассчитывается обычным способом; он зависит главным образом от удельной тепловой нагрузки, от температуры и концентрации раствора. С понижением температуры раствора и повышением его концентрации возрастает вязкость и уменьшается коэффициент теплопередачи.

, (3.15)

где δ, λ – толщина, м, и коэффициент теплопроводности, , стенки трубы и загрязнений; R3 – термическое сопротивление загрязнений (накипи) поверхности труб, .

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности нагревательных труб α1 определяют по формуле

, ( 3.16)

где Н – высота вертикальных труб в аппарате, м; - разность температур конденсирующегося пара и стенки; коэффициент динамической вязкости μ, , теплопроводность λ, , конденсата, его плотность ρ, кг/м3, выбираются при определяющей температуре насыщения ; r - удельная теплота конденсации пара, Дж/кг.

Теплоотдача при кипении растворов еще недостаточно изучена. При кипении водных растворов можно принять удельную тепловую нагрузку аппаратов с естественной циркуляцией q=20000 50000 , с принудительной циркуляцией q = 40 000 80 000 .

В условиях работы выпарных установок на заводах наблюдается чаще всего пузырьковое кипение при средних тепловых нагрузках.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору для пузырькового кипения в вертикальных трубах при условии естественной циркуляции раствора определяется по уравнению

, (3.17)

где λж - теплопроводность раствора, ; ρж и ρп – плотности жидкости и пара, кг/м3, ρ0 – плотность пара при р=0,098 МПа, кг/м3; σж - поверхностное натяжение раствора, Н/м; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; сж - удельная теплоемкость раствора,; μж - динамическая вязкость раствора, ; q - плотность теплового потока, .

Физико-химические параметры выбираются для растворов при температуре кипения. Уравнение (3.17) справедливо при q=40000 80000 ; числе Prж =0,8-100; давлении Р=(0,098-70,5) 105 Па. Это уравнение дает удовлетворительные результаты при соблюдении оптимального уровня жидкости в трубах выпарного аппарата:

, (3.18)

где Н – высота теплообменных труб, м, ρводы- плотность воды, кг/м3.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения растворов в трубках грею­щей камеры, и вследствие этого — устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность температур теплоносителей (греющего пара и кипя­щего раствора) в выпарном аппарате невелика, для вычисления коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости используют эмпирическое уравнение [3]:

Nu=0,023Re0,8 Pr0,4. (3.19)

Физические характеристики растворов, входящие в числа подобия, находят при средней температуре потока.

При кипении растворов в пленочных выпарных аппаратах коэффициент тепло­отдачи рекомендуется [7] определять по уравнению

, (3.20)

где λ— теплопроводность кипящего раствора, ; δ — толщина пленки, в м, рассчитываемая по уравнению

,

где v — кинематическая вязкость раствора, м2/с; Re = 4 Г/μ — критерий Re для пленки жидкости; Г=Gj/П— линейная массовая плотность орошения, ; Gj— расход раствора, поступающего в j-й корпус, кг/с; П=πdвнn=Fcp/H — смоченный периметр, м; μ —вязкость кипящего раствора, Па·с; q — тепловая нагрузка, которую в расчете принимают равной α1Δt1, Вт/м2, tв.п- температура вторичного пара.

Значения коэффициентов и показателей степеней в уравнении (3.20):

при q <20 000 Вт/м2: c=163,1; n= - 0,264; m=0,685;

при q > 20 000 Вт/м2: c= 2,6; n= 0,203; m =0,322.

Коэффициент теплопередачи определяется как

Значение коэффициента теплопередачи может быть найдено следующим образом.

Для установившегося процесса передачи теплоты от пара через стенку к раствору справедливо уравнение

,

где Δt1— разность температур конденсации греющего пара и стенки; Δtст — разность температур между поверхностями стенки; Δt2— разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора.

Распределение температур в процессе теплопередачи от пара через стенку к кипящему раствору показано на рис. 3.2.

Задаваясь величиной Δt1 и определив коэффициент теплоотдачи α1, вычисляют удельную тепловую нагрузку в процессе передачи теплоты от конденсирующегося пара к стенке:

. (3.21)

1 - пар; 2 - конденсат; 3 - стенка; 4 - накипь; 5 – кипящий раствор

Величина определяется как

. (3.22)

Тогда

, (3.23)

Удельная тепловая нагрузка в процессе передачи теплоты от стенки к раствору

, (3.24)

Если q' q", принимаем новое значение Δt1 и повторяем расчет до сходимости величин q' и q". Расхождение между удельными тепловыми нагрузками не должно превышать 3 %.

Обычно выполняют 2—3 приближения, а затем строят графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q' и q" от Δt1. В точке пересече­ния линий q' = f (Δt1)и q" = f (Δt1) определяется значение величины Δt1 (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур Δt1

Далее коэффициент теплопередачи К рассчитывается по уравнению (3.12).

При расчете аппаратов со свободной, естественной и прину­дительной циркуляцией параметры кипящей жидкости берут при конечной концентрации раствора.

Похожие статьи:

poznayka.org

Какие существуют виды теплопередачи?

Теплопередача в природе позволяет существовать Вселенной в том виде, к которому все мы привыкли. Трудно сказать, как бы выглядел мир, исчезни процесс теплопередачи хоть на мгновение. Давайте подробнее рассмотрим, какие существуют виды теплопередачи и что понимается под этим термином.

Согласно общепринятому определению, теплопередача представляет собой физический процесс, при котором тепловая энергия тем или иным способом распределяется между несколькими телами с различной степенью нагрева. Процесс прекращается при выравнивании их температур, или, другими словами, при достижении термодинамического равновесия.

Перечислим, какие бывают базовые виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, излучение. Все остальные возможные разновидности представляют собой сочетание двух или нескольких базовых способов. Этот момент всегда необходимо учитывать.

Конвекция знакома каждому с детства. Само латинское слово «convectio» означает перенос. Следовательно, при конвекции имеет место перенос тепла потоками самого вещества. Она характерна для газов и жидкостей, хотя иногда происходит в некоторых сыпучих материалах. Представим жаркий летний день: над поверхностью нагретой земли заметно легкое марево – это искажение объясняется восходящими воздушными потоками. С наступлением ночи, когда нагревающее действие солнечных лучей прекращается, начинается процесс выравнивания температур поверхности земли и воздуха: почва сообщает тепловую энергию нижним слоям атмосферы (это смешанный механизм передачи тепла), которые поднимаются вверх, замещаясь более холодными воздушными массами. Вот другой пример: помещаем кипятильник в емкость с водой и включаем его в сеть. При внимательном наблюдении заметны движущиеся потоки воды. Горячие массы смещаются от источника тепла, а на их место поступают более холодные.

Что может быть лучше интересной беседы за чашкой горячего чая холодным зимним вечером? При этом достаточно на мгновение отвлечься и взяться за выглядывающий край металлической ложки, чтобы быстро отдернуть руку, избегая ожога. Причина проста – некоторые виды теплопередачи очень быстро нагрели металл ложки до температуры воды в чашке. Речь идет о теплопроводности. Ситуаций, в которых можно встретиться с таким видом передачи тепла, огромное количество. Дадим определение: теплопроводность - это перенос тепловой энергии от более нагретого участка тела к более холодному посредством составляющих тело частиц (электроны, атомы, молекулы). Частный случай – передача тепла между разными объектами, находящимися в соприкосновении. Разные материалы обладают различной теплопроводностью. Так, если нагреть один конец деревянного бруска, то второй будет холодным. А вот если проделать такой опыт с металлическим прутом, то результат будет противоположный. Данная разница обусловлена различием во внутренней структуре материалов.

Рассматривая виды теплопередачи, нельзя не упомянуть передачу тепла излучением. Источник тепла генерирует электромагнитные колебания с длиной волны до 1000 мкм (инфракрасная часть спектра). Интенсивность лучистого потока и температура нагретого тела находятся в прямой зависимости. Чтобы понять, как излучение переносит тепло, достаточно провести небольшой эксперимент – разжечь костер и поместить между собой и огнем прозрачное стекло. Несмотря на преграду, тепло все равно будет передаваться. Или посмотрите на кошку, которая зимой лежит на подоконнике под лучами солнца, греясь. Все просто – в этих примерах тепловая энергия передается излучением. Одна из особенностей такого способа передачи тепла – независимость от промежуточных сред. Если при конвекции перенос происходит самим веществом (газом), а при теплопроводности – частицами, то излучение не нуждается в «посредниках». Так, Солнце передает свое тепло через вакуум именно посредством излучения.

fb.ru

• 
  Тормоз фрикционный
• 
  Расчет анкерных болтов
• 
  Hyundai hd 65 технические характеристики
• 
  Регулятор напряжения как подключить
• 
  Слесарные операции
• 
  Новый мерседес актрос
• 
  Виды технического обслуживания и периодичность
• 
  Машина грузовой
• 
  Топливоподкачивающий насос дизельного двигателя
• 
  Какая бывает энергия
• 
  Коэффициент уплотнения асфальтобетона