Основы теплопередачи

1. Основы теплопередачи

Виды теплообмена

2. Основные понятия и определения

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты
в твердых, жидких и газообразных телах. Самопроизвольный
перенос теплоты возникает под действием разности температур
и направлена в сторону её уменьшения.
Перенос теплоты может осуществляться тремя способами:
- теплопроводностью;
- конвекцией;
- излучением (радиацией).
Q – тепловой поток –это количество тепла, передаваемое в 1
времени через теплопередающую поверхность, (Дж/с);
q - удельный тепловой поток –это тепловой поток, отнесённый к
единице поверхности; q = Q/F, (вт/м ²).

3. Теплопроводность

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при
непосредственном контакте тел или частицами тел с различными
температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи
теплоты.
В твёрдых телах тепло переносится за счёт движения электронов;
В тонких слоях жидкостей и газов – за счёт движения молекул.
Основной закон теплопроводности через плоскую
стенку:
Q = λ/δ ·F(t1 - t2), где
λ – коэффициент теплопроводности, справочная величина;
δ– толщина стенки поверхности теплопередачи, м.

4. Теплопроводность через многослойную стенку

Q = Σ λ/δ ·(t1 - t2),
Рассмотрим 3-х слойную стенку (Рис.9.3). Температура
наружных поверхностей стенок tст1 и tст2,
коэффициенты теплопроводности слоевλ1, λ2, λ3,
толщина слоевδ1, δ2, δ3.

5. Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку

Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток
единицы длины цилиндрической поверхности (линейная плотность
теплового потока), для которой расчетные формулы будут :
Q =2·π·Δt / 1/λln(d2/d1), [Вт].
Q =2 π L(tг –tх)/ (1/ λ1 lnd2/d1 + 1/ λ2 lnd3/d2 +….) - через
многослойную стенку.

6. Конвекция

Конвекция - это перенос тепла на макроуровне за счёт движения
макрочастиц. Различают свободную конвекцию – перенос тепла
осуществляется за счёт разности плотностей нагретых и холодных
слоёв жидкостей и газов.
Вынужденная конвекция – происходит за счёт перекачивания
жидкостей и газов или их перемешивания.
Q = α F (t1 –t2), Вт,
α – коэффициент теплоотдачи;
F – поверхность теплотдачи, м ².

7. Теплоизлучение

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в
результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов.
Лучи представляют собой распространяющиеся в пространстве
электромагнитные волны. Источником теплового излучения
является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой
энергии в основном зависит от физических свойств и температуры
излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между
собой длиной волны.
Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает
и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна
0°К. При одинаковых или различных температурах между телами,
расположенными как угодно в пространстве, существует
непрерывный лучистый теплообмен.
Этим способом происходят потери тепла в окружающую среду с
нагретых поверхностей теплообменных аппаратов и
трубопроводов.

8.

Каждое тело способно не только излучать, но и отражать,
поглощать и пропускать через себя падающие лучи от другого
тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии,
падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А,
поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D,
пройдет сквозь тело. Отсюда
Q = QA + QR + QD , или
A + R + D = 1.
Величину А называют коэффициентом поглощения. Если
поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R =
0 и D = 0, то такую поверхность называют абсолютно черной.
Величину R называют коэффициентом отражения. Если
поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то
такую поверхность называют абсолютно белой. При этом R = 1, А
= О, D = 0.
Величину D называют коэффициентом проницаемости. Если тело
абсолютно проницаемо для тепловых лучей, то D = 1, R = 0 и A =
0.
В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не
существует.

9. .Теплопередача

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего
теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку,
разделяющую эти теплоносители.
Это сложный способ передачи тепла, складывается из нескольких
более простых способов.
Q = K F (t1 – t2),Вт, где
К – коэффициент теплопередачи, расчётная величина.

10. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в
котором одна жидкость — горячая среда, передает теплоту другой
жидкости - холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых
аппаратах используются разнообразные капельные и упругие
жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По
принципу работы аппараты делят на смесительные и
рекуперативные.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к
холодной жидкости происходит при непосредственном смешении
обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.
Особенно широкое развитие во всех областях техники получили
рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к
холодной жидкости передается через разделительную стенку.
Только такие аппараты будут рассмотрены в дальнейшем.
Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные
назначения — паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели,
теплообменники, испарители.

11. Виды рекуперативных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники

12. Пластинчатые теплообменники

13. Спиральные теплообменники

14. Теплообменник типа « труба в трубе»