Традиционные способы преобразования энергии органического
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру. Конвекция – перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретой жидкости или газа. Перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Излучение – перенос энергии от одного тела к другому посредством электромагнитных волн. Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства называют температурным полем. Математическое выражение температурного поля связывает температуру t с пространственными координатами любой точки тела x, y, z в данный момент времени τ: t = f(x, y, z, τ). Температурное поле может быть одно-, двух- и трехмерным. Если t тела не изменяется с течением времени, то температурное поле стационарно: t = f(x, y, z) , ∂t/∂ τ = 0. Совокупность точек пространства, имеющих в данный момент одинаковую t, образует изотермическую поверхность. На рис.3.16 показаны две изотермические поверхности с температурами t и t + ∆t.
Рис.3.16. Расположение градиента температуры относительно изотерм
Вектор gradt, равный по абсолютной величине частной производной от температуры по нормали к изотермической поверхности в данной точке и направленный в сторону возрастания температуры, называется температурным градиентом:
|
|
gradt = ∂t/∂n.
С количественной стороны процесс теплообмена характеризуется тепловым потоком Q (Вт) (количество теплоты, проходящее в единицу времени через поверхность теплообмена F в нормальном к ней направлении) и плотностью теплового потока q (Вт/м2) (направленный по нормали к F тепловой поток, приходящийся на единицу поверхности теплообмена):
Q= q· F; q = Q / F.
Теплопроводность
В газах перенос теплоты осуществляется за счет диффузии атомов и молекул, а в твердых телах и жидкостях – путем упругих волн; в металлах – свободными электронами. Процесс теплопроводности описывается законом Фурье:
Элементарное количество теплоты dQτ , передаваемое теплопроводностью, пропорционально падению температуры в теле (градиенту температуры с обратным знаком), времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:
dQτ = -λ∙ (∂t/∂n) ∙dF dτ, (3.30)
где ∂t/∂n – температурный градиент; λ – κоэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К). Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим способность тела проводить теплоту, и зависит от рода вещества, давления и температуры. На величину λ влияет влажность вещества. Для большинства веществ λ определяют опытным путем, и для технических расчетов берут из справочной литературы.
|
|
В соответствии с (3.30) плотность теплового потока и тепловой поток определяются по выражениям:
q = dQτ /( dF dτ ) = -λ ∙ ∂t/∂n ; Q = .
Конвективный теплообмен
Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс называют теплоотдачей.
Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи:
· Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.
Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение вследствие разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).
· Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.
|
|
· Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают физические параметры: коэффициент теплопроводности (l), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κоэффициент температуропроводности (а = λ/cр·ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).
· Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).
Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона - Рихмана: количество теплоты, передаваемое конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t'ст) и окружающей среды (t'ж):
Q = α · (t'ст - t'ж)·F или q = α · (t'ст - t'ж) , (3.31)
где α - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2К)), характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой и включает в себя факторы, влияющие на процесс конвективного теплообмена.
Тепловое излучение
Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между собой длиной волны. В зависимости от длины волны l лучи обладают различными свойствами. Наименьшей длиной волны обладают космические лучи l = (0,1 – 10)оА. лучи Рентгена – l = (10-200) оА; ультрафиолетовые лучи – l = (200оА - 0,4 мк), световые лучи – l = (0,4-0,8)мк, инфракрасные (тепловые) лучи – l = (0,8 – 400) мк. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с длиной волны l = (0,8 – 40) мк.
|
|
Теплопередача
Теплопередачей называется передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.
Примерами теплопередачи являются: передача теплоты греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) воздуху помещения; передача теплоты дымовых газов воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты раскаленных газов охлаждающей 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.
Теплопередача через плоскую стенку. Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l (рис.3.17). Температура горячей жидкости (среды) t'ж, холодной жидкости (среды) t''ж.
а) | б) |
Рис.3.17. Схема теплопередачи между двумя жидкостями через плоскую стенку (а) и графический способ определения температурного поля в стенке (б) |
Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана, имеет вид:
Q = a1 · (t'ж – t1) · F, (3.32)
где a1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t'ж к поверхности стенки с температурой t1; F – расчетная поверхность плоской стенки.
Тепловой поток, переданный через стенку, определяется по уравнению:
Q = l/d · (t1 – t2) · F. (3.33)
Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде:
Q = a2 · (t2 - t''ж) · F, (3.34)
где a2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t''ж.
Решая уравнения (3.32), (3.33), (3.34), получаем:
Q = (t'ж – t''ж) · F · k, (3.35)
где k = 1 / (1/a1 + d/ l + 1/a2) – коэффициент теплопередачи,
или
R0 = 1/k = (1/a1 + d/l + 1/a2) – полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. 1/a1, 1/a2 – термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки; d/l – термическое сопротивление стенки.
Для многослойной плоской стенки полное термическое сопротивление будет определяться по формуле:
R0 = (1/a1 + d1/l1 + d2/l2 + … + dn/ln +1/a2), (3.36)
а коэффициент теплопередачи по выражению:
k = 1 / (1/a1 + d1/l1 + d2/l2 + … + dn/ln +1/a2). (3.37)
Типы теплообменных аппаратов.Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость – горячая среда, передает теплоту другой жидкости – холодной среде. По принципу работы различают регенеративные, смесительные и рекуперативные аппараты.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости – холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей.
В рекуперативных аппаратах, получивших наибольшее распространение, теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.
В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам: 1) прямотоком (направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, рис.3.18, а); 2) противотоком (направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, рис.3.18, б); 3) перекрестным током (горячий теплоноситель движется перпендикулярно направлению холодного теплоносителя, рис.3.18, в).
Рис.3.18. Основные схемы движения жидкости:
1 – направление движения горячего теплоносителя;
2 – направление движения холодного теплоносителя
Также применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.
Расчет теплообменных аппаратов.Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов (паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели и т.д.), основные положения теплового расчета для них остаются общими.
Цель расчета – определение поверхности теплообмена или конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.
Уравнение теплопередачи:
Q = k·F·(t1 – t2 ) , (3.38)
где Q – тепловой поток, Вт; k – средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); F – поверхность теплообмена, м2; t1 и t2 – соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей, К.
Уравнение теплового баланса:
Q = G1·c1·(t'1 - t″1) = G2·c2 ·(t″2 - t'2), (3.39)
где G1, G2; c1, c2; t1 , t2 – соответственно расходы, теплоемкости и температуры теплоносителей (индексы: 1 и 2 – горячий и холодный теплоносители; штрих и два штриха – на входе и выходе теплообменника), кг/с, кДж/(кг К), К.
Для выполнения расчета должна быть принята определенная схема теплообменного аппарата (рис. 3.18).
Величину произведения G·cр = W, Вт/град, называют водяным, или условным, эквивалентом.
Уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:
(t'1 - t″1)/(t″2 - t'2) = W2 / W1 ,
где W2 , W1 – условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.
При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных теплоносителей. На изменение температур влияет схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов.
а) | б) |
Рис.3.19. Температурные графики для аппаратов с прямотоком (а) и аппаратов с противотоком (б) | |
При прямотоке (рис. 3.19, а) конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис. 3.19, б) конечная t холодной жидкости может быть значительно выше конечной t горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, изменяется температурный напор Dt (разность температур между теплоносителями).
Величины Dt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной форме:
dQ==k·dF·Dt . (3.40)
Тепловой поток, переданный через всю поверхность F при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (3.40):
Q = ò k·dF·Dt= k·F·Dtср ,
где Dtср – средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.
Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:
kср = (F1·k1 + F2·k2 + … + Fn·kn) / (F1 + F2 + … + Fn).
Тогда при kср = const :
Q = òkсрDt ·dF = kср ·Dtср ·F. (3.41)
Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии (рис.3.20, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:
Dtср = (t'1 + t″1) / 2 - (t″2 + t'2) / 2 . (3.42)
Рис.3.20. Изменение температуры теплоносителей
Однако температуры рабочих жидкостей меняются по криволинейному закону. Поэтому уравнение (3.42) будет приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей.
При криволинейном изменении температуры величину Dtср называют средним логарифмическим температурным напором и определяют по формулам:
– для аппаратов с прямотоком
Dtср = [(t'1 - t'2) - (t″1 - t″2)]/ ln[(t'1 - t'2)/(t″1 - t″2)] ; (3.43)
– для аппаратов с противотоком
Dtср = [(t'1 - t″2) - (t″1 - t'2)]/ ln[(t'1 - t″2) / (t″1 - t'2)] . (3.44)
Численные значения Dtср для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда больше Dtср для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.
В конструкторском расчете теплообменного аппарата по известным Q , k, G1, G2, t'1, t'2 из уравнения теплового баланса (3.39) находятся t″1 и t″2. По (3.43) или (3.44) определяется Dtср. Затем из (3.38) вычисляется F.
При поверочном расчете заданными считаются F, k, G1, G2, t'1, t'2, а рассчитываются Q , t″1 и t″2.
Традиционные способы преобразования энергии органического
И ядерного топлива
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 270; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!