Слайд 1ТЕПЛОМАССООБМЕН
Сложный теплообмен
2017 год
Лекция № 4.1
Слайд 2План
1. Теплопередача.
2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях
III–го рода.
3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода.
4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода.
5. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода.
6. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода.
Слайд 31. Теплопередача
Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной)
через однослойную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей.
Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела (или стенкой) и обтекающей эту поверхность жидкой или газообразной средой.
Слайд 4Примеры теплопередачи
Передача теплоты от горячей воды к воздуху помещения через стенки
нагревательных батарей центрального отопления.
Передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных туб в паровых котлах.
Передача теплоты от конденсирующего пара к воде через стенки труб конденсатора.
Слайд 5Примеры теплопередачи
Передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра
двигателя внутреннего сгорания.
Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материалов с высокой теплопроводностью.
Когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка должна быть изолятором и изготавливается из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.
Слайд 6Стенки бывают самой разнообразной формы:
в виде плоских или ребристых листов;
в виде
пучка цилиндрических, ребристых или игольчатых труб;
в виде шаровых поверхностей и т. п.
Слайд 7Теплопередача – это очень сложный процесс, в котором теплота передается всеми
способами:
теплопроводностью;
конвекцией;
излучением.
Слайд 8При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Первое звено –
перенос теплоты конвекцией от горячего теплоносителя к стенке. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и часто – излучением.
Слайд 9При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Второе звено –
перенос теплоты теплопроводностью через стенку. При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах.
Слайд 10При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Третье звено –
перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопроводностью и часто излучением.
Слайд 11
Теплоотдача от газов к поверхности нагрева (конвекцией и излучением)
Теплопроводность стенки
Теплоотдача от
стенки к кипящей воде (конвекцией)
Схема процесса теплообмена
Слайд 122. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го
рода
Слайд 13Тепловой поток, переданной горячим теплоносителем стенке путем конвективного теплообмена, определяется по
уравнению Ньютона – Рихмана:
где α1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя с постоянной температурой tж1 к поверхности стенки, учитывающий все виды теплообмена;
F – площадь поверхности плоской стенки.
Слайд 14Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется уравнением:
Слайд 15Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю, определяется
по формуле конвективного теплообмена Ньютона – Рихмана:
где α2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю с постоянной температурой tж2.
Слайд 16Во всех уравнениях тепловой поток Q одинаковый.
Сколько теплоты воспринимает стенка при
стационарном режиме, столько же она и отдает.
Слайд 17Коэффициент теплопередачи.
Термическое сопротивление
Слайд 18Решая три уравнения переноса теплоты относительно разности температур, имеем:
Слайд 19Складывая полученные равенства, для теплового потока получим
Слайд 20Для плотности теплового потока
Величина
называется коэффициентом теплопередачи.
Слайд 21
Числовое значение коэффициента теплопередачи выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности
стенки в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.
тепловой поток
Удельный тепловой поток
называют уравнением теплопередачи.
Для определения коэффициента теплопередачи κ требуется предварительное определение коэффициентов теплоотдачи α1 и α2, которые в большинстве случаев являются величинами сложными.
Слайд 23Коэффициенты теплоотдачи учитывают передачи теплоты конвекцией и излучением:
Значение коэффициента теплопередачи κ
всегда меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи α.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением R.
Слайд 24Общее термическое сопротивление через однослойную стенку определяется по формуле:
и – внешние термические сопротивления.
– внутреннее термическое сопротивление стенки.
Слайд 253. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го
рода
Слайд 26В случае передачи теплоты через многослойную плоскую стенку в знаменателе нужно
учитывать сумму всех термических сопротивлений слоев:
Слайд 27Коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку
Общее термическое сопротивление через многослойную стенку
Слайд 28Температуры на поверхностях плоской стенки определяем по формулам:
Слайд 29При известных коэффициентах теплоотдачи и теплопередачи температуры поверхностей плоской стенки можно
найти из следующих формул:
Слайд 304. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го
рода
Через цилиндрическую однородную стенку переносится теплота при стационарном режиме от горячего теплоносителя с постоянной температурой tж1 и коэффициентом теплоотдачи α1 к холодному теплоносителю с постоянной температурой tж2 и коэффициентом теплоотдачи α2.
Слайд 31Запишем уравнения для теплового потока:
Слайд 32Линейный коэффициент теплопередачи
Решая эти уравнения относительно разности температур и складывая их,
получим:
Слайд 33где
называется линейным коэффициентом теплопередачи.
Числовое значение линейного
коэффициента теплопередачи цилиндрической стенки выражает количество теплоты, проходящей через 1 м трубы в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.
Слайд 34Плотность теплового потока, проходящего через цилиндрическую стенку,
Для теплового потока можно записать
уравнение в следующем виде:
Слайд 355. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го
рода
Слайд 36Тепловой поток при переносе теплоты через многослойную цилиндрическую стенку, имеющую n
слоев определяется по формуле:
Слайд 37Плотность теплового потока, отнесенная к внутренней или наружной поверхности, определяется по
следующим уравнениям:
Слайд 38Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи называется общим линейным термическим сопротивлением R
через цилиндрическую стенку.
Общее линейное термическое сопротивление через многослойную цилиндрическую стенку определяем по формуле:
– внешние термические
сопротивления.
– внутреннее термическое
сопротивление стенки.
Слайд 40Температуру внутренней поверхности в градусах Цельсия определяем по формуле:
Температуру наружной поверхности
в градусах Цельсия определяем по формуле:
Слайд 416. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода
Слайд 42При граничных условиях третьего рода для полого шара известны:
внутренний d1
и внешний d2 диаметры;
температура горячего теплоносителя внутри шара t1 и температура холодного теплоносителя t2;
коэффициент теплоотдачи от горячей жидкости к внутренней поверхности шара α1 и коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности шара к окружающей среде α2.
Слайд 43При стационарном режиме для всех изотермических поверхностей тепловой поток постоянный:
Слайд 44Решая три уравнения относительно разности температур и складывая их, находим тепловой
поток:
или
Слайд 45Из уравнения для теплового потока определяем коэффициент теплопередачи для шаровой стенки:
Слайд 46Обратную величину коэффициенту теплопередачи для шаровой стенки называют общим термическим сопротивлением
шаровой стенки.