Рыжков основы тепломассобмена уч пос 2007 (Основы теплообмена пособие), страница 7

Излучение одно- и двухатомных газов (кислорода, водорода, азота и др.) ничтожно и может не приниматься во внимание.Для разных газов закономерности излучения различны. Чтобыунифицировать закономерности излучения, в основу расчетов былположен закон Стефана – Больцмана.Рассмотрим теплообмен излучением между газом, содержащимв качестве излучающих компонентов только СО2 и Н2О, и окружающей его поверхностью твердого тела. На основании законаСтефана – Больцмана количество теплоты, которое получается(или отдается) вследствие излучения газа единицей поверхностистенки в единицу времени, имеет вид4⎡ ⎛ Т ⎞4⎛Т ⎞ ⎤q = 5,69ε n ⎢ εг ⎜ г ⎟ − Аг ⎜ cт ⎟ ⎥ ,⎢⎣ ⎝ 100 ⎠⎝ 100 ⎠ ⎥⎦(69)где Тг и Тст – абсолютные температуры газа и поверхности стенки;εг – степень черноты газа; Аг – поглощающая способность газапри температуре стенки,Аг = АСО2 + АНО 2 .50Если степень черноты стенки εcт = 0,7...1, 0, то эффективнаястепень черноты поверхностиε +1ε n = ст(70).2Для разных газов степень черноты различна и зависит от температуры газа Тг, давления р и средней (эффективной) длины l луча.Зависимость между этими величинами устанавливается опытнымпутем, а для практических расчетов пользуются номограммами.Для смеси СO2 и Н2O можем записать:εг = ε CO2 ( РCO2 l , Tг ) + ε H 2O ( РН 2Оl , Tг )β − Δε г ,где Δε г – поправка, учитывающая взаимное поглощение и излучение СO2 и Н2O (при обычных технических расчетах Δε г можно непринимать во внимание); β – поправка к ε H 2O на парциальноедавление PH 2O .

Для определения PСO2 и AH 2O также имеютсяномограммы.Среднюю длину луча l определяют по форме газового объема.Например, для сферы (диаметром d) l = 0,6d; для куба (со стороной а) l = 0,6а; для цилиндра (диаметром d) l = 0,9d. Отметим, чтодля интенсификации теплообмена лучеиспусканием, очевидно,необходимо увеличить температуру излучающего тела и усилитьстепень черноты системы.

Чтобы уменьшить теплоотдачу, необходимо, наоборот, снизить температуру излучающего тела и уменьшить степень черноты. В тех же случаях, когда температуру изменять нельзя, для снижения теплоотдачи лучеиспусканием применяют экраны. При применении n экранов теплоотдача уменьшается в (n + 1) раз.5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВТеплообменником называется аппарат, предназначенный длясообщения теплоты одному из теплоносителей в результате отводаот другого теплоносителя (теплоноситель – движущаяся среда,используемая для переноса теплоты). Процесс подвода и отводатеплоты в теплообменнике может преследовать различные технологические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа,51превращение жидкости в пар, конденсация пара, выпаривание раствора и т.

д.По принципу действия теплообменники делят на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативными называюттеплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердуюстенку. Регенеративными называют теплообменники, у которыхгорячий теплоноситель соприкасается с твердым телом (керамической или металлической насадкой) и отдает ему теплоту; в последующий период с твердым телом соприкасается «холодный» теплоноситель, который и воспринимает теплоту, аккумулированнуютелом.В металлургической промышленности регенеративные теплообменники с давних пор применяют для подогрева воздуха и горючих газов.

Аккумулирующую насадку в теплообменнике делаютиз красного кирпича. Особенностью регенераторов является то,что процесс теплопередачи в них нестационарен. Поэтому технические расчеты регенеративных теплообменников выполняют поусредненным температурам во времени.Смесительными называются теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляетсяих непосредственным соприкосновением и, следовательно, сопровождается полным или частичным обменом вещества.Такие аппараты применяют для охлаждения и нагревания газовс помощью воды или для охлаждения воды воздухом в газовомпроизводстве, при кондиционировании воздуха, при конденсациипара и т. д.Если в теплообменнике горячая и холодная жидкости протекаютпараллельно и в одном направлении, то такая схема движения называется прямоточной (рис.

25, а). При противотоке жидкости движутся параллельно, но в противоположные стороны (рис. 25, б). В схемеперекрестного тока жидкости движутся в перекрещивающихся направлениях (рис. 25, в). Кроме перечисленных простых схем движения жидкостей могут применяться сложные, сочетающие в себе различные комбинации элементов простых схем (рис. 25, г и д).Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов,основные положения для их расчета остаются общими.При расчете теплообменников обычно встречаются два случая:1) конструктивный расчет, когда известны параметры теплоносителей на входе и выходе и расходы теплоносителей (или расходтеплоты). Выбрав предварительно конструкцию теплообменника,расчетом определяют поверхность теплообмена;522) поверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена и конструкция аппарата и частично известны параметры их навходе.

Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе), расходы теплоносителей или другие характеристики аппарата (например, КПД).Рис. 25. Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменникахВ обоих случаях основными расчетными уравнениями служат:уравнение теплового балансаQ = m1c1 (T1′ − T1′′ ) = m2 c2 (T2′′ − T2′ )(71)и уравнение теплопередачиQ = kF (T1 − T2 ).В двух последних формулах индекс 1 означает, что величиныотносятся к горячей жидкости, а 2 – к холодной; температура навходе обозначена одним штрихом, а на выходе – двумя; т – массовый расход жидкости; с – теплоемкость жидкости.При выводе расчетных формул теплопередачи не учитывалосьизменение температуры теплоносителей.

В теплообменниках горячая среда охлаждается, а холодная нагревается, в связи с чемизменяется и температурный напор ΔТ . В таких условиях уравнение теплопередачи можно применять лишь для элемента поверхности ∂F, т. e.∂Q = k ΔT ∂F .(72)Кроме того, необходимо учитывать зависимость коэффициентатеплопередачи k от изменения температуры рабочих жидкостей.Большей частью такой учет сводится к отнесению коэффициента53теплопередачи к средним температурам теплоносителей, иногдакоэффициент теплопередачи находят по температурам теплоносителей в начале и в конце поверхности нагрева.

Если полученныезначения k' и k" незначительно отличаются одно от другого, то засреднее значение коэффициента теплопередачи берут среднеk ′ + k ′′арифметическое значение k =. При большом различии k' и2k" поверхность нагрева разделяют на отдельные участки, в пределах которых значения k меняются мало, и для каждого участка определяют коэффициент теплопередачи.Общее количество теплоты, переданное через всю поверхностьF, определяют интегрированием выражения (72):FQ = ∫ kTdF = kF ΔTm ,(73)0где ΔTm – среднелогарифмическое (среднеинтегральное) значениетемпературного напора по поверхности. Известно, чтоΔT ′′−1ΔTm= ΔT ′(74),ΔT ′′ΔT ′lnΔT ′где ΔТ ′ – больший температурный напор; ΔТ ′′ – меньший температурный напор (рис.

26).Если температура теплоносителей вдоль поверхности нагреваизменяется незначительно, то1ΔTm = ΔTср.ар = (ΔT ′ + ΔT ′′).2(75)Среднеарифметический напор ΔTср.ар всегда больше среднелогарифмического ΔТ m , но при ΔT ′′ / ΔT > 0,5 они отличаются одинот другого меньше, чем на 3 %. В тепловых расчетах важное значение имеет понятие так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, которое определяет собой количество воды, эквивалентное по теплоемкости секундному расходу рассматриваемойжидкости, т. е.W = mc p .(76)54Рис. 26. Характер изменения температур теплоносителей при схемахпрямотока и противотокаС учетом водяного эквивалента уравнение (76) теплового баланса преобразуется к видуT1′ − T1′′T2′′ − T2′=W2,W1(77)т.

е. отношение изменения температуры теплоносителей обратнопропорционально отношению их водяных эквивалентов.Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения и соотношения значений водяных эквивалентов.На рис.

26, где по оси абсцисс отложена величина поверхностинагрева F, а по оси ординат – температура, показаны четыре характерные пары кривых изменения температуры вдоль поверхности нагрева в зависимости от схемы течения (прямоток, противоток) и величин водяных эквивалентов теплоносителей W1 и W2.55Как ясно из графиков, большее изменение температуры ΔT' == T' – T" имеет жидкость, у которой водяной эквивалент меньше,что соответствует уравнению (77).Из рассмотрения графиков можно сделать следующие выводы.1. Для прямотока конечная температура холодной жидкостивсегда ниже конечной температуры горячей жидкости.2. Температурный напор вдоль поверхности при прямотокеизменяется значительнее, и среднее его значение меньше, чем припротивотоке, поэтому, как следует из формулы (73), при прямотоке передается меньшее количество теплоты, чем при противотоке.3.