f5fa7a2d268f4b2e0b67374b5b17391c

1.

Основы теплопередачи.
Теплопередача (термокинетика) – наука о
способах распространения тепла.
Перенос энергии в виде тепла между телами,
имеющие различную температуру, называется
теплообменом.
Движущей силой теплообмена является разность
температур. Тела, участвующие в теплообмене,
называются теплоносителями. Аппараты, в
которых осуществляется теплообмен, называются
теплообменниками.

2.

Различают 3 способа переноса тепла:
• Теплопроводность – частицы соприкасаются, но
относительно друг друга не перемешиваются.
• Конвекция – перемещение в жидкости.
• Тепловое излучение – перенос тепла в виде
электромагнитных волн.

3.

Теплопроводность
– перенос тепла при непосредственном
соприкосновении частиц без их перемещения
относительно друг друга.
В жидкостях и твёрдых диэлектриках тепло
передаётся за счёт упругих волн.
В газах за счёт диффузии атомов и молекул.
В металлах за счёт диффузии электронов.

4.

Конвекция
- перенос тепла происходит за счёт перемешивания
частиц,
причём
это
перемешивание
обуславливается перемешиванием всего объёма
жидкости и газа.
Осуществляется только в жидкостях и газах.
Конвекция
всегда
теплопроводностью.
сопровождается

5.

Тепловое излучение
–
процесс
распространения
электромагнитных
колебаний с различной длиной волн, обусловленный
тепловым
движением
атомов
или
молекул
излучающего тела.
Складывается из двух этапов:
Лучеиспускание
(тепло
переходит
в
электромагнитные волны).
Лучепоглащение (электромагнитные волны переход
в тепло).

6.

В
реальных
условиях
перенос
тепла
осуществляется комбинированным путем за счёт
теплопроводности и конвекции – конвективный
теплообмен.
Перенос тепла от жидкости или газа к стенке или в
обратном
направлении
называется
теплоотдачей.
Перенос тепла от горячего к холодному
теплоносителю
через
разделяющую
стенку
называется теплопередачей.

7.

Процессы бывают установившимися и неустановившимися.
Q
const
,
- неустановившийся режим - в периодически действующих
аппаратах, где температуры меняются во времени
(нагревание, охлаждение)
Q
t
const
0
t f x, y, t ,
,
- установившийся режим - в непрерывно действующих
аппаратах, если температуры в различных точках
не изменяются во времени.

8.

Все тепловые расчёты сводятся к:
1) Определению теплового потока (тепловой нагрузки
аппарата) - то есть количества тепла, которое должно
быть передано за определенное время.
Дж
Вт
Q,
с
2) Определению поверхности теплообмена из основного
уравнения теплопередачи.

9.

Тепловые балансы.
Тепло, отдаваемое более нагретым
теплоносителем Q1, затрачивается на
нагрев более холодного теплоносителя
Q2 и небольшая часть тепла расходуется
на компенсацию потерь в окружающую
среду Qпот. Таким образом Q1= Q2+ Qпот.
Обычно величина потерь <= 3-5 % от
полезного тепла. Без учета потерь Q=
Q1= Q2.

10.

Кусок льда.

11.

I - нагрев твердого тела
0°С - изменение агрегатного состояния
I I - плавление твердого тела
I I I - нагревание жидкости
I I I I - испарение, образование пара
I I I I I - нагрев пара (перегретый пар)

12.

На наклонных линиях, если нет изменения
агрегатного состояния:
Q = GС(t2-t1),
где G - массовый расход вещества
c – удельная теплоемкость – количество
тепла, которое необходимо для нагрева 1
кг на 10С.

13.

Q G C t1 t2
охлаждение
Q G C tк tн
нагрев

14.

Фазовый переход:
Q G r
r – удельная
конденсации.
-
удельная
(кристаллизации).
Q G λ
теплота
испарения
теплота
или
плавления
Q Gтв Cтв Gтв λ Gж C ж Gж r Gп Cп

15.

Основное уравнение теплопередачи.
Общая кинетическая зависимость для процессов
теплопередачи, выражающая связь между тепловым
потоком Q` и поверхностью теплообмена F,
представляет собой основное уравнение теплопередачи:
Q K F tср
/
- для неустановившегося процесса.
Q - количество тепла, которое передаётся за время

16.

,
Q
Q`
K F tср
Q`
Q
q
K Δt ср
F τ F
- удельная тепловая нагрузка.

17.

Основное уравнение теплопередачи.
Q K F tср
Q - количество тепла
К - коэффициент теплопередачи, определяющий
среднюю скорость передачи тепла вдоль всей
поверхности теплообмена
F - поверхность теплообмена
tср средняя
разность
температур
теплоносителей (средний температурный напор).

18.

Дж Вт
Q`
K СИ
2
2
F
t
м
К
с
м
К
СР
Физический смысл: показывает, какое количество тепла,
передаётся через единицу поверхности за 1сек., при средней
разности температур 10К.

19.

Определение средней температуры напора
(разности температур)
Различают
несколько
теплоносителей:
способов
движения
Прямоток, Противоток, Перекрестное, Смешанное

20.

Примеры тепловых балансов и расчёт
поверхности теплообмена.
Бензол
Толуол
tкип =800С
tкип=1100С

21.

22.

1.Теплообменник подогреватель - нагревание исходной
смеси от 20 до 900С (греющий пар отдает тепло
и конденсируется)
Q GСМ ССМ 90 20 GГП rГП KF tСР
Составляем температурную схему процесса:
- прямоток
133-20=113= t б
;
133-90=43= t м

23.

t Б
2
t М
t Б
2
t М
t Б t M
tСР
t Б
2.3 lg
t M
t Б t М
tСР
2

24.

4.Холодильник - бензол охлаждается от 80 до 300С путем
подачи воды (здесь нет фазовых переходов)
Q GБ СБ 80 30 GВ СВ 20 15 KF tСР
- противоток

25.

tБ 60
tМ 15
t Б
4
t М
60 15
tСР
2,3lg 4

26.

5.Кипятильник – толуол кипит (греющий пар,
который обогревает колонну, конденсируется).
Q GГП rГП Gт rт KF tСР
158 158
110 110
t Б 48
1 2
tМ 48
tСР 48

27.

3.Конденсатор – пары бензола выходят из колонны
и конденсируются (подается холодная вода)
Q GН 2О С Н 2О 15 10 GБ rБ

28.

Теплопроводность
- перенос тепла при непосредственном
соприкосновении частиц за счёт колебательных
движений без перемещения относительно друг
друга.
Перенос тепла теплопроводностью внутри тела
возможен только при неравенстве температур в
различных точках тела.

29.

Распределение температур внутри тела характеризует
температурное поле – это минимальное значение
температуры в различных точках тела.
Температурное поле может характеризовать двумя
показателями:
1) Изотерма – геометрическое место точек с одинаковой
температурой.
2)
Температурный
коэффициент
–
изменение
температуры по нормали между изотермами – max
скорость изменения температуры.

30.

t
q - температурный градиент.
n

31.

Удельный тепловой поток идет в противоположном
направлении. Температурный градиент движется от
наименьшей температуры к наибольшей, а тепло
передаётся по линии температурного градиента, но в
обратную сторону.
t
q
n
- удельный тепловой поток

32.

t
Q F
n
- основное уравнение теплопроводности - полный
тепловой поток
– уравнение Фурье
« - »относительно к градиенту температуры.

33.

Q` n Дж м Вт
2
F r t м с К м К
Физический смысл: это количество тепла, которое
передаётся путём теплопроводности
через 1м2 поверхности в 1секунду
при градиенте температуры 10С на метр.

34.

Вт
ВОЗДУХА 20 0,02
м К
Вт
ВОДА 0,58
м К
Вт
СТ 46,5
м К
Вт
Си 374
м К
0

35.

Дифференциальное уравнение теплопроводности
Выделим в однородном изотропном теле некий
объём с рёбрами dx, dy, dz.
dV= dxdydz
dm= dV

36.

37.

Физические свойства тела
, , С,
одинаковы во всех точках параллелепипеда и не
изменяются во времени. Существует температурное
поле.
Q mC t1 t 2
t
dQ dm C
- тепло, которое осталось в теле.

38.

Это и найдём применительно к нашему телу.
t
dQ dQX dQX dx dQY dQY dy dQZ dQZ dz dV
C

39.

На ось «Х»:
t
dQ X dy dz d
х
t
t dx
2
t
z
x
dQ X dx
dy dz d dy dz d 2 dx dy dz d
x
x
x
2
2
t
t
dQx dQx dx 2 dxdydzd 2 dV d
x
x

40.

На ось «Y»:
t
dQY dQY dY 2 dV d
y
2

41.

На ось «Z»:
t
dQZ dQZ dZ 2 dV d
z
2

42.

Суммируем:
2t 2t 2t
t
dQ 2 2 2 dV d dV C
d
x
y
z
2
2
2
t t t t
2 2 2
C x
y
t

43.

a const
C
- коэффициент температуропроводности,
- характеризующий теплоинерционные свойства тела.
Чем a, тем тело быстрее нагревается, тем
оно и быстрее охлаждается.

44.

t
a t
2
- дифференциальное уравнение
теплопроводности
(а 0), определяет распределение температур
в любой точке тела, через которое тепло передается
теплопроводностью
- оператор Лапласа – сумма вторых производных.

45.

t
Если установившийся, то правая часть
= 0 и для установившегося теплового потока:
t t t
0
2
2
2
x y z
2
2
2

46.

Дж
2
м
кг
с
К
аСИ кг Дж
с
С
3
м кг К

47.

Теплопроводность плоских стенок.
t1 t2
1.Однослойная плоская стенка
t
t2 t1
t1 t2 t1 t2 t1 t2
q
n
r
t1 t 2
q
r
r
- термическое сопротивление

48.

м м2 К
r
Вт
Вт
м К

49.

2. Многослойная плоская стенка при установившемся тепловом
режиме и одномерном тепловом потоке.
3
1
2
r1 ; r2 ; r3
1
2
3
t1 t 2
q1
q1 r1 t1 t 2
r1
t 2 t3
q2
q2 r2 t 2 t3
r2
t3 t 4
q3
q3 r3 t3 t 4
r3

50.

Т.к. для установившегося режима удельный тепловой
поток одинаковый
q1 q2 q3 q
r1 r2 r3 R
q r1 r2 r3 t1 t4
общее термическое сопротивление
t1 t4
q
R

51.

Полное количество тепла для установившегося и не
установившегося потока
1
Q
t
t
F
1
4
R
1
Q` t t F
1
4
R

52.

Конвективный теплообмен
Конвективный
теплообмен
совмещённым
способом:
теплопроводностью.
-
перенос
конвекцией
тепла
и
Типичным
случаем
конвективного
теплообмена
является теплоотдача, т.е. перенос тепла от стенки к
жидкости или газу или в обратном направлении.
Т.П.С. – тепловой пограничный слой.