🗊Презентация Тепломассообмен. Сложный теплообмен

ТЕПЛОМАССООБМЕН Сложный теплообмен 2017 год

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

1. Критический диаметр изоляции

Для тепловой изоляции используют любые материалы с низкой теплопроводностью – асбест, пробка, слюда, шлаковая или стеклянная вата, шерсть и др. 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.

При неправильном выборе материала изоляции тепловые потери возрастут. 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.

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

В уравнении общего термического сопротивления теплопередачи двухслойной цилиндрической стенки (трубопровода, на который наложен слой изоляции): В уравнении общего термического сопротивления теплопередачи двухслойной цилиндрической стенки (трубопровода, на который наложен слой изоляции):

Из формулы следует, что при наложении изоляции термическое сопротивление слоя изоляции возрастает на величину 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).

Возьмем первую производную от правой части уравнения по d3 и приравнивая ее к нулю, получаем: Возьмем первую производную от правой части уравнения по d3 и приравнивая ее к нулю, получаем:

Критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривой Критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривой определяется формулой:

Анализ уравнения 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).

Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего диаметра оголенного трубопровода, т.е. чтобы выполнялось условие: Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего диаметра оголенного трубопровода, т.е. чтобы выполнялось условие:

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 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

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?

Пример Критический диаметр изоляции Так как dкр>d2, шлаковую вату в рассматриваемом случае применять нецелесообразно. Для нашей задачи λиз должна быть меньше

2. Теплопередача через плоскую ребристую стенку

Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет: Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет: увеличить ее поверхность соприкосновения с горячим (или холодным) теплоносителем; уменьшить общее тепловое сопротивление теплопередачи; увеличить тепловые потоки.

Температура ребер изменяется по высоте, если t1>t2. 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.

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: 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.

Температура гладкой поверхности ребер и простенков между ними принимается в первом приближении равной постоянной величине . 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.

Коэффициент теплоотдачи на гладкой стороне α1. 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.

Для стационарного режима можно записать три уравнения теплового потока: Для стационарного режима можно записать три уравнения теплового потока:

коэффициент теплопередачи для ребристой стенки коэффициент теплопередачи для ребристой стенки

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

Для круглой трубы с наружным оребрением: Для круглой трубы с наружным оребрением: откуда где d1 – внутренний диаметр трубы; d2 – наружный диаметр трубы.

Приведенные формулы справедливы для ребер небольшой высоты. 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.

Пример. 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.

Решение. Решение. Коэффициент теплопередачи определяем по формуле: Считаем, что тепловой поток отнесен к гладкой поверхности. Плотность теплового потока определяем по уравнению:

При гладкой поверхности стенки κ определяем по уравнению: 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.

3. Интенсификации процессов теплопередачи

Возможности осуществления требований к интенсификации процессов теплопередачи вытекают из закономерностей протекания основных способов передачи теплоты. Возможности осуществления требований к интенсификации процессов теплопередачи вытекают из закономерностей протекания основных способов передачи теплоты.

Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный. Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный. Правильное его решение может быть получено лишь на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

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.

Пример 1. 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.

Пример 1. 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.

Пример 2. 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).

Пример 2. Пример 2. Данный пример показывает, что при больших значениях коэффициентов теплоотдачи коэффициент теплопередачи в значительной степени зависит от теплопроводности стенки. При изучении условий передачи теплоты в тепловых аппаратах для интенсификации теплопередачи необходимо стремиться уменьшить наибольшее сопротивление.