Рыжков основы тепломассобмена уч пос 2007 (Основы теплообмена пособие), страница 8

Схемы прямотока и противотока можно считать равноценными, если температура хотя бы одного из теплоносителей постоянна. Так получается при кипении жидкостей и при конденсациипаров, или когда величина водяного эквивалента одного из теплоносителей настолько велика, что его температура изменяется незначительно.4. При противотоке конечная температура холодной жидкостиТ 2′′ может быть выше конечной температуры горячей, т. е. при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры.Таким образом, с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку, если какие-либо другиепричины (например, конструктивные) не заставляют применятьсхему прямотока.Пожалуй, единственным недостатком схемы противотока являются более тяжелые температурные условия для материала стенок теплообменника, так как отдельные участки со стороны входагорячей жидкости омываются с обеих сторон жидкостями с максимальной температурой.Как указывалось выше, при поверочном расчете необходиморассчитать конечные температуры теплоносителей T1′′ и T2′′ и количество переданной теплоты.

В этом случае для приближеннойоценки можно пользоваться зависимостямиT1′′ = T1′ −где Q =56T1′ − T2′.111++kF 2W1 2W2QQ, T2′′ = T2′ +,W1W2(78)Оценка экономичности теплообменного аппарата. Экономичность процесса в теплообменнике оценивают КПД и коэффициентом удержания теплоты.1. КПД, характеризующий долю теплоты горячей жидкости,использованную для подогрева холодной жидкости,η=Q1,Qраспгде Q1 – количество теплоты, воспринятой холодной жидкостью;Qpaсп – располагаемое количество теплоты горячей жидкости.2. Коэффициент удержания теплоты, учитывающий потери теплоты в окружающую среду и представляющий собой отношениеколичества теплоты Q1, полученной холодной жидкостью, к количеству теплоты Q2, отданной горячей жидкостью:ε=Q1.Q2Так как Q2 = Q1 + Qn (Qn – теплопотери в окружающую среду),ε=Q1=Q2 + Qn1.Q1+ nQ1Величина ε зависит от конструкции аппарата и качества тепловой изоляции.6.

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ И ПРИ КОНДЕНСАЦИИТеплоотдача при кипении жидкости. Кипением называетсяпроцесс образования пара в жидкости при ее нагревании. Температура образующегося пара носит название температуры насыщения T". Температура насыщения определяется давлением р, подкоторым находится кипящая жидкость. Опыт показывает, что температура кипящей жидкости Tж всегда немного выше температурынасыщения T", т. е. жидкость при кипении перегрета относительнопара. Перегрев жидкости максимален для частиц, прилегающих к57нагреваемой поверхности: ΔTmax = Tст – T".

Установлено, что интенсивность процесса кипения в основном определяется перегревом жидкости относительно температуры насыщения. От степениперегрева ΔT зависят число центров парообразования и теплоотдача, поэтому при определении коэффициента теплоотдачи в качестве разности температур принимают ΔT = Tст − Т ′′, т. е.α=q.Tcт − T ′′(79)В области АВ при малых значениях ΔТ значение коэффициентатеплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции жидкости (рис. 27). При увеличении ΔТ (участок BC) число возникающих пузырей возрастает, усиливается перемешиваниежидкости у поверхности, и потому интенсивность теплоотдачирезко возрастает.

Такой режим кипения носит название пузырькового (пузырчатого) кипения.Рис. 27. Зависимости q = f(ΔT ) и α = f ( ΔT )При дальнейшем увеличении ΔТ до ΔТ кр число центров парообразования возрастет настолько, что пузыри сливаются междусобой и на поверхности нагрева образуется пленка пара, котораяоттесняет жидкость от нагреваемой стенки, в связи с чем теплоотдача резко снижается. Такой режим кипения называется пленоч58ным. Уменьшение коэффициента теплоотдачи α приводит к тому,что передача того же самого количества теплоты от стенки к жидкости qкр становится возможной только при соответствующемувеличении температуры перегрева стенки по сравнению сΔТ кр . Это часто приводит к прогару стенки. Таким образом, наи-более эффективным является пузырьковое кипение при критических тепловых потоках qкр.

Однако для выбора оптимального ибезопасного температурного режима работы кипятильных и выпарных аппаратов необходимо знать ΔТ кр и qкр.Теплоотдача при конденсации пара. На поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения, возникает конденсация пара. Если образующийся конденсат смачивает поверхность, то конденсация носит название пленочной, есликонденсат не смачивает поверхности, то конденсация – капельная.Капельная конденсация отличается особенно интенсивной теплоотдачей, так как при ней всегда сохраняется непосредственныйконтакт пара с холодной стенкой, однако на практике капельнаяконденсация встречается довольно редко, поэтому будем в дальнейшем рассматривать процесс пленочной конденсации.При пленочной конденсации вся теплота, выделившаяся приконденсации пара, проходит через пленку и отводится через стенку.

При ламинарном режиме течения конденсата перенос теплотычерез пленку осуществляется теплопроводностью. В этом случаеколичество теплоты, переданное единице поверхности, определяется следующим образом:λ(80)q x = (T ′′ − Tст ),δxгде Tст – температура частиц конденсата, соприкасающихся состенкой; T" – температура насыщения; δ х – толщина слоя в сечении х; λ – коэффициент теплопроводности конденсата.Это же количество теплоты можно представить, используя гипотезу Ньютона, выражением:q x = α x (T ′′ − Tст ),тогдаαx = λ / δx .(81)59Определение коэффициента теплоотдачи, таким образом, сводится к определению толщины δ x конденсата, которую находят изусловия равновесия сил трения, тяжести, поверхностного натяжения и инерции элемента конденсата.Для определения толщины пленки конденсата имеется зависимостьδx = 44μλx(T ′′ − Tст )ρ2 r(82),где μ, ρ, r – соответственно динамическая вязкость, плотность итеплота парообразования конденсата.

После подстановки δ x вуравнение (81) получимαx =ρ2 r λ3λ 4.=4μx(T ′′ − Tст )δx(83)Из приведенных соотношений следует, что по мере стеканияжидкости толщина пленки увеличивается, а значение коэффициента теплоотдачи соответственно уменьшается.Среднее значение коэффициента теплоотдачи при ламинарномтечении пленки по вертикальной стенке или трубе высотой Нможно определить следующим образом:α=1HH∫ α x ∂x = 1,15 40r ρ2 λ3.μH (T ′′ − Tст )(84)Для стенки, наклоненной под углом φ,α ϕ = α верт 4 sin ϕ .(85)Для вертикальных труб основным (определяющим) параметром является их высота, для горизонтальных труб – диаметр. Длярасчета конденсаций критериальные уравнения имеют вид:а) для среднего значения α вертикальной стенки или трубыNu = 0, 42(Ga ⋅ k ⋅ Рr )600,28 ⎛Pr′′ ⎞⎜⎟⎝ Рrст ⎠0,25;(86)б) для среднего коэффициента теплоотдачиNu = 0, 72(Ga ⋅ k ⋅ Рr)0,25⎛ Рr′′ ⎞⎜⎟⎝ Рrст ⎠0,25.(87)В качестве определяющей температуры принята температураT" насыщения.При конденсации пара теплоотдача зависит от ряда факторов:направления течения пара, состояния поверхности, содержания впаре неконденсирующихся газов, конструкции теплообменникаи др.Так, если движение пара совпадает с направлением теченияпленки, то вследствие трения скорость течения пленки увеличивается, толщина уменьшается и коэффициент теплоотдачи возрастает.

При движении же пара и пленки в противоположные сторонытечение пленки тормозится, толщина ее увеличивается и коэффициент теплоотдачи несколько уменьшается.Если поверхность шероховата или покрыта слоем накипи изсолей, то вследствие дополнительного сопротивления течениюпленки толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачиснижается на 30 % и более. При наличии в паре неконденсирующихся газов (например, воздуха) теплоотдача при конденсациисильно снижается. Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется пар, а воздух не конденсируется и оказываетпрепятствие продвижению пара к стенке.При содержании в паре даже 1 % воздуха значение α снижаетсяпримерно на 60 %.

Поэтому в промышленных конденсаторах воздух непрерывно откачивают.61ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ1. Температура наружной поверхности котла T1 = 473 К; толщина стенки δ1 = 0,02 м, коэффициент теплопроводности λ1 == 46,6 Вт/(м ⋅ К). С внутренней стороны стенка котла покрыта слоем накипи толщиной δ2 = 0,001 м; λ 2 =1,168 Вт/м ⋅ К.

Температуравнутренней поверхности T2 = 413 К. Определить удельный тепловой поток и температуру на границе накипь – стенка Tнс.2. Определить температуру t0 в середине и на поверхности tстрезиновой пластины толщиной 2δ = 0,01 м после нагревания притемпературе 300 °С в течение 1 мин. Коэффициент теплоотдачи отсреды к поверхности пластины α = 116 Вт/(м ⋅ К). Начальная температура пластины tнач = 20 °С. Теплофизические характеристики5 ⋅ 10−42м /с.36003. Рассчитать термическое сопротивление контакта, если температура в зоне контакта 150 °С.

Удельное давление на контактер = 98,1 бар. Среда – воздух при атмосферном давлении, при 150 °С–3–6λ = 35,9 ⋅ 10 Вт/(м ⋅ К); высота шероховатостей hc = 15 ⋅ 10 м.4. Определить удельный тепловой поток и эквивалентный коэффициент теплопроводности плоской воздушной прослойки толщиной δ = 0,025 м, если температура горячей поверхности tст1 == 150 °C, а холодной – tст2 = 50 °C.5. Определить коэффициент теплоотдачи α и полную теплоотдачу Q для плоской пластины шириной a = 0,5 м и длинойl = 0,72 м, обдуваемой воздухом со скоростью w = 10 м/с, если tст == 100 °C и tж = 20 °C.резины: λ = 0,233 Вт/(м ⋅ К); а =626. По трубе (d = 120 мм, l = 2 м) движется воздух со скоростьюw = 2,5 м/с.

Определить значение коэффициента теплоотдачи α,если средняя температура воздуха tж = 100 °C.7. Паропровод диаметром 160/170 мм покрыт двухслойнойизоляцией. Толщина первого слоя δ2 = 30 мм и второго δ3 = 50 мм.Коэффициент теплопроводности трубы и изоляции соответственноравны: λ1 = 50; λ2 = 0,15; λ3 = 0,08 Вт/(м ⋅ К). Температура внутренней поверхности паропровода t1 = 300 °C и внешней поверхностиизоляции t4 = 50 °C. Определить линейную плотность тепловогопотока и температуры на поверхностях раздела отдельных слоев ивыполнить то же по упрощенной формуле.8.