Основы теплообмена (Бабичева - Теплотехника)

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВАРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФГБОУ ВО РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –МСХА им. К.А. ТИМИРЯЗЕВАЭнергетический факультетКафедра «Теплотехники, гидравлики и энергообеспечения предприятий»С.П. Рудобашта, Е.Л. БабичеваОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНАМетодические указанияМоскваИздательство РГАУ-МСХА2016УДК 621.1.016(075.8)ББК 31.31я73Р83Рудобашта С.П., Бабичева Е.Л. Основы теплообмена: Методическиеуказания / С.П. Рудобашта, Е.Л. Бабичева. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2016.44 с.В пособии на современном уровне рассмотрены основные положениятеории теплообмена.

Даны необходимые термины и определения. Приведенызадачи по каждой теме. Даны необходимые для решения задач справочныематериалы.Предназначено для студентов-бакалавров вузов, обучающихся понаправлениям «Теплоэнергетика и теплотехника», «Электроэнергетика иэлектротехника» и «Агроинженерия».Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией энергетического факультета (протокол №10 от 15.05.2016 г.).© Рудобашта С.П., Бабичева Е.Л., 2016© ФГБОУ ВО РГАУ-МСХАимени К.А.

Тимирязева, 2016© Издательство РГАУ-МСХА, 20162ОГЛАВЛЕНИЕВведение41. Теоретическая часть. Основные расчетные уравнения1.1. Стационарные процессы1.1.1. Теплопроводность1.1.2. Теплоотдача1.1.3. Теплопередача1.1.4. Теплообменные аппараты1.2. Нестационарные процессы2. Задания для домашней работы2.1. Стационарный режим2.2. Нестационарный режим6667171823292941Библиографический список433ВВЕДЕНИЕСегодня практически любая область инженерной деятельности вомногом связана с проблемами энергосбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросамитрансформации и передачи энергии.

Учебная дисциплина «Теплотехника» призвана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на этом инженерных методик расчета процессов, возникающих при получении, трансформации и распространении в пространстве тепловой энергии. Теория теплообмена – это наука, котораяизучает процессы распространения тепла в пространстве.Процессы распространения тепла в пространстве, при всем их многообразии, и являются предметом изучения этой науки.

Основные понятия и законы теории теплопереноса были сформулированы в рамкахобщефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основыаналитической теории теплопроводности были заложены Ж. Фурье ещев 1822 году. В середине XIX века были сформулированы основы теорииподобия, а в 1915 году она впервые была применена В. Нуссельтом дляисследования процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдсприменил ее при изучении гидродинамических процессов, высказавидею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими явлениями.Как самостоятельная наука теория теплообмена сложилась в началеXX века, и особенно бурно она стала развиваться в послевоенные годы.Здесь решающий вклад был внесен нашими соотечественниками, средикоторых выделяются работы В.М.

Кирпичева, А.А. Глухмана, М.А. Михеева, С.С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина.4Теория теплообмена продолжает развиваться, расширяя и уточняясвои подходы и методы решения возникающих проблем. Теория теплообмена ориентирована на конкретную инженерную практику и всегдадоводит свои выводы и заключения до однозначных практических рекомендаций и расчетных методик.Без глубоких знаний по теории теплообмена невозможна успешнаяинженерная деятельность, и поэтому изучению данного раздела придается все возрастающее значение, в том числе для будущих специалистов, непосредственно связанных с сельскохозяйственным производством.Методические указания студентам написаны в соответствии с программой дисциплины «Теплотехника» и содержит основы теории теплообмена.51.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ УРАВНЕНИЯ1.1. СТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ1.1.1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬПЛОСКАЯ СТЕНКАПлотность теплового потока через плоскую стенку q, Вт/м2, содержащую n слоев:qt1  t n1,nδii 1 λ i(1.1)где i – толщина слоев стенки, м;λi – коэффициент теплопроводности материалов стенки, Вт/(м.К).Температура на границе соприкосновения двух соседних слоев:ti1  ti  qδiλi(1.2)Тепловой поток Ф, Вт, проходящий через стенку площадью А:Ф = qА.(1.3)ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКАЛинейная плотность теплового потока ql, Вт/м через цилиндрическую стенку, содержащую n слоев:6ql2πt1  t n1 ,n1 d i 1lndii 1 λ i(1.4)где di, di+1 – внутренний и наружный диаметры i-го слоя.Температура на границе соприкосновения двух соседних слоев:ti 1  ti qldln i 1 .2πλ idi(1.5)Соотношение размеров:di+1= di+2δi.(1.6)где δi – толщина i-го слоя, м.Тепловой поток Ф, Вт, проходящий через стенку длиной l:Ф = ql l.(1.7)1.1.2.

ТЕПЛООТДАЧАУравнение теплоотдачи:Ф = (tc - t)A.(1.8)Основные числа (критерии) подобия: Число НуссельтаNu αlλ Число Прандтля7;(1.9)Pr ν;a(1.10) Число ГрасгофаGr β g t l 3ν2;(1.11) Число РейнольдсаRe ωlν,(1.12)где Ф – тепловой поток, Вт;l – определяющий размер, м; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К);λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К);ω – скорость движения жидкости, м/с;ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;aλ– коэффициент температуропроводности, м2/с;сρβ – коэффициент объемного расширения: для газов β 1, для жидТкостей β определяется по таблицам;Т – определяющая температура, К;Δt = tс – t – разность температур между стенкой и жидкостью, оC.В уравнениях все величины, входящие в соответствующий критерий, берутся при температуре жидкости (среды); индекс "с" указывает,что величина критерия определяется по параметрам, взятым при температуре стенки.Расчет коэффициентов теплоотдачи осуществляется по критериальным уравнениям вида8Nu = f (Re, Pr, Gr),(1.13)которые находят опытным путем.Используя взятую из литературы зависимость для соответствующего случая такого рода теплообмена, вычисляют значение Nu, и определяют коэффициент теплоотдачи :αNu λl.(1.14)ПОРЯДОК РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО КОНВЕКТИВНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ1) Определить вид движения жидкости (свободное или вынужденное).2) Выбрать определяющий размер.

Обычно для труб определяющимразмером является диаметр, для плоских поверхностей – линейный размер в направлении движения жидкости.3) Выбрать определяющую температуру – определяющей температурой является температура жидкости.4) По величине определяющей температуры по соответствующимтаблицам найти основные свойства жидкости.5) Вычислить определяющие критерии: Pr ·Gr для свободного движения жидкости, Re для вынужденного движения жидкости.6) По критериям Pr ·Gr или Rе определить режим движения жидкости(ламинарный, турбулентный или переходный).7) В зависимости от вида и режима движения жидкости с учетомособенностей теплообмена (движение жидкости в трубе, омываниетрубы или пучка труб и т.д.) выбрать расчетное уравнение дляопределения числа Нуссельта и рассчитать число Nu.8) Из числа Нуссельта определить коэффициент теплоотдачи.9) По уравнению теплоотдачи рассчитать тепловой поток Ф.9ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ1) Теплоотдача при продольном омывании плоской поверхности (определяющий размер – линейный размер в направлении движения жидкости):а) ламинарный режим движения жидкости (Re ≤ 5.105; 0,6 < Pr < 15)Pr0,330,5 Nu = 0,664Pr Rе  Prс0 , 25(1.15),для воздухаNu = 0,57Rе0,5;(1.16)б) турбулентный режим движения жидкости (Re > 5.105)Pr0,430,8 Nu = 0,037Pr Rе  Prс0 , 25(1.17),для воздухаNu = 0,032Rе0,8.(1.18)2) Теплоотдача при движении жидкости в трубах (определяющий размер – внутренний диаметр трубы):а) ламинарный режим движения жидкости (Re < 2300)Pr0,430,10,33 Nuж= 0,17Pr Gr Rе  Prс0 , 25εl(1.19)(поправку εl выбирают из таблицы 1.1 в зависимости от соотношениямежду длиной и диаметром трубы);10Таблица 1.1L/d125101520304050εl1,901,701,441,281,181,131,051,021,00б) переходный режим движения жидкости (2300 < Re < 104) PrNu = К0Pr0,43  Prс0 , 25(1.20),(коэффициент К0 выбирают из таблицы 1.2 в зависимости от числаRe).Таблица 1.2Re·10-3 2,2Ko2,22,32,53,03,5456789103,64,97,51012,216,52024273033в) турбулентный режим движения жидкостипри 104 < Re < 5.106, 0,6 < Pr < 2,5.103Pr0,430,8 Nu = 0,021Pr Rе  Prс0 , 25ε l' ε R .(1.21)Поправки ε l' и εR определяют по формулам:ε l'  1  32700 0,08l / dэe,Re(1.22)где l – длина трубы,dэ – диаметр трубы;ε R  1  1,77d э / R ,(1.23)где R – радиус кривизны для изогнутых труб (для прямых трубεR=1).11Для пределов изменения параметров 4.103 < Re < 5.106; 0,5 < Pr <5.103 можно также воспользоваться формулойξNu  8RePr (μ/μ c ) n ε l ε R900ξ1,07  12,7 (Pr 2 / 3  1)Re8,(1.24)где n = 0,11 при нагревании, n = 0,25 при охлаждении;εl = 1 при l/dэ > 60 и εl = 0,86 + 0,90(dэ/l)0,4 при 15 < l/dэ < 60.3) Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной круглой трубы(определяющий размер – наружный диаметр трубы): Pr Nu  CRe m Pr 0,38  Prс 0 , 25(1.25).Величины коэффициентов C и m определяют по таблице 1.3.

Если угол между направлением потока жидкости и осью трубы (уголатаки) меньше 90°, значения Nu следует умножить на поправочныйкоэффициент  = 1 – сos2.Таблица1.3Условия теплоотдачиCm0,7 < Pr < 350, 5 < Re < 1030,50,50,7 < Pr < 350, 103 < Re < 2.1050,250,6124) Теплоотдача при поперечном обтекании пучков труб (определяющийразмер – наружный диаметр, труб рис.1.1):Рис. 1.1. Схема обтекания коридорного пучка труба) критерий Нуссельта для расчета среднего значения коэффициентатеплоотдачи для труб третьего и последующих рядов в коридорномпучке при 10 < Re < 150; S1/d  1,25; S2/d  1,25Nu = 1,2Pr0,330,33 Pr  Pr  сRе0 , 25(1.26), при 103 < Re < 105; 1,24 < S1/d < 4; 1,24 < S2/d < 4; 0,7 < Pr < 5000,33Nu = 0,26Pr0,65Rе0,15 (d/S2)Pr  Pr  с0 , 25;(1.27) при 105 < Re < 106; 1,3 < S1/d < 2,5; 1,3 < S2/d < 2,30,36Nu = 0,02Pr0,84 RеPr  Pr  с0 , 25,(1.28)б) критерий Нуссельта для расчета среднего значения коэффициентатеплоотдачи для труб третьего и последующих рядов шахматногопучка13Рис.