ТЕПЛОМАССООБМЕН
План
1. Теплопередача
Примеры теплопередачи
Примеры теплопередачи
2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода
Коэффициент теплопередачи. Термическое сопротивление
3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода
4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода
Линейный коэффициент теплопередачи
5. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода
6. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода
360.48K
Category: physicsphysics

Тепломассообмен. Сложный теплообмен -2

1. ТЕПЛОМАССООБМЕН

Сложный теплообмен
Лекция № 4.1
2017 год

2. План

• 1. Теплопередача.
• 2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку
при граничных условиях III–го рода.
• 3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку
при граничных условиях III–го рода.
• 4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую
стенку при граничных условиях III–го рода.
• 5.
Передача
теплоты
через
многослойную
цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го
рода.
• 6. Передача теплоты через шаровую стенку при
граничных условиях III–го рода.

3. 1. Теплопередача

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между
поверхностью тела (или стенкой) и обтекающей эту
поверхность жидкой или газообразной средой.
Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей)
к другой (холодной) через однослойную или
многослойную твердую стенку любой формы
называется теплопередачей.

4. Примеры теплопередачи

Передача теплоты от горячей воды к воздуху
помещения через стенки нагревательных батарей
центрального отопления.
Передача теплоты от дымовых газов к воде через
стенки кипятильных туб в паровых котлах.
Передача теплоты от конденсирующего пара к воде
через стенки труб конденсатора.

5. Примеры теплопередачи

Передача теплоты от нагретых газов к воде через
стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Во всех рассматриваемых случаях стенка служит
проводником теплоты и изготавливается из
материалов с высокой теплопроводностью.
Когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка
должна быть изолятором и изготавливается из
материала
с
хорошими
теплоизоляционными
свойствами.

6.

• Стенки бывают самой разнообразной формы:
в виде плоских или ребристых листов;
в виде пучка цилиндрических, ребристых или
игольчатых труб;
в виде шаровых поверхностей и т. п.

7.

• Теплопередача – это очень сложный процесс,
в котором теплота передается всеми
способами:
теплопроводностью;
конвекцией;
излучением.

8.

При наличии стенки процесс
теплопередачи складывается из
трех звеньев.
Первое звено – перенос теплоты
конвекцией
от
горячего
теплоносителя
к
стенке.
Конвекция
всегда
сопровождается
теплопроводностью и часто –
излучением.

9.

При наличии стенки процесс
теплопередачи складывается из
трех звеньев.
Второе звено – перенос теплоты
теплопроводностью через стенку.
При распространении теплоты в
пористых
телах
теплопроводность
связана
с
конвекцией и излучением в
порах.

10.

При наличии стенки процесс
теплопередачи складывается из
трех звеньев.
Третье звено – перенос теплоты
конвекцией
от
второй
поверхности стенки к холодному
теплоносителю. В этой передаче
теплоты
конвекция
также
сопровождается
теплопроводностью
и
часто
излучением.

11.

Схема процесса теплообмена
Теплоотдача от газов
к поверхности
нагрева
(конвекцией и
излучением)
Теплопроводность
стенки
Теплоотдача от
стенки к кипящей
воде (конвекцией)

12. 2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода

13.

Тепловой
поток,
переданной
горячим теплоносителем стенке
путем конвективного теплообмена,
определяется
по
уравнению
Ньютона – Рихмана:
Q 1F (tж1 tст1 ),
где α1 – коэффициент теплоотдачи от
горячего теплоносителя с постоянной
температурой tж1 к поверхности
стенки, учитывающий все виды
теплообмена;
F – площадь поверхности плоской
стенки.

14.

Тепловой поток, переданный
теплопроводностью
через
плоскую стенку, определяется
уравнением:
Q F (tст1 tст2 ),

15.

Тепловой поток, переданный
от второй поверхности стенки
к холодному теплоносителю,
определяется
по
формуле
конвективного
теплообмена
Ньютона – Рихмана:
Q 2 F (tст2 tж2 ),
где
α2

коэффициент
теплоотдачи
от
второй
поверхности стенки к холодному
теплоносителю с постоянной
температурой tж2.

16.

• Во всех уравнениях тепловой
поток Q одинаковый.
Сколько теплоты воспринимает
стенка
при
стационарном
режиме, столько же она и
отдает.

17. Коэффициент теплопередачи. Термическое сопротивление

18.

• Решая три уравнения переноса теплоты относительно
разности температур, имеем:
Q
t
t
,
ж1
ст1
1F
Q
tст1 tст2 ,
F
Q
t
t
.
ст2
ж2
F
2

19.

• Складывая полученные равенства, для теплового
потока получим
F t1 t2
Q
.
1 1
1 2

20.

Для плотности теплового потока
q
Величина
1
1 1
1 2
t1 t2
1 1
1 2
.
Вт
м К
называется коэффициентом теплопередачи.

21.

Q F t1 t2 ,
q t1 t2 .
тепловой поток
Удельный тепловой поток
Вт
м К
Числовое значение коэффициента теплопередачи
выражает количество теплоты, проходящей через
единицу поверхности стенки в единицу времени от
горячего к холодному теплоносителю при разности
температур между ними в 1°.

22.

Уравнение
q t1 t2
называют уравнением теплопередачи.
• Для
определения
коэффициента
теплопередачи κ требуется предварительное
определение коэффициентов теплоотдачи α1
и α2, которые в большинстве случаев являются
величинами сложными.

23.

• Коэффициенты теплоотдачи учитывают передачи
теплоты конвекцией и излучением:
кон изл .
• Значение коэффициента теплопередачи κ всегда
меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи
α.
• Величина, обратная коэффициенту теплопередачи
называется общим термическим сопротивлением R.

24.

• Общее
термическое
сопротивление
через
однослойную стенку определяется по формуле:
1 1 1
R .
1 2
1
1
и
1
2
м К
R 1
.
Вт
2
– внешние термические сопротивления.
– внутреннее термическое сопротивление стенки.

25. 3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода

26.

• В случае передачи теплоты через многослойную плоскую
стенку в знаменателе нужно учитывать сумму всех
термических сопротивлений слоев:
F tж1 tж 2
Q
,
1 i n i
1
1 i 1 i 2
Q
tж1 tж 2
q
.
F 1 i n i 1
1 i 1 i 2

27.

• Коэффициент теплопередачи через многослойную
плоскую стенку
1
.
1 i n i
1
1 i 1 i 2
• Общее
термическое
многослойную стенку
сопротивление
1 1
i
1
R
.
1 i 1 i 2
i n
через

28.

• Температуры на поверхностях
плоской стенки определяем по
формулам:
Q
t
t
,
ст1
ж1
1F
t t Q .
ст2
ж2
2 F

29.

• При известных коэффициентах теплоотдачи и
теплопередачи температуры поверхностей плоской
стенки можно найти из следующих формул:
1 tж1 tст1 tж1 tж2 ,
2 tст2 tж2 tж1 tж2 ,
tст1 tж1 tж1 tж2 ,
1
tст2
tж1 tж2 ,
tж2
2

30. 4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода

Через
цилиндрическую
однородную
стенку
переносится теплота при стационарном режиме от
горячего теплоносителя с постоянной температурой tж1
и коэффициентом теплоотдачи α1 к холодному
теплоносителю с постоянной температурой tж2 и
коэффициентом теплоотдачи α2.

31.

Запишем
уравнения
теплового потока:
для
Q 1 dвнl (tж1 tст1 );
l
Q
(tст1 tст2 ),
1 d нар
ln
2 d вн
Q 2 dнар l (tст2 tж2 ).

32. Линейный коэффициент теплопередачи

Решая эти уравнения относительно
температур и складывая их, получим:
Q
1
d
1 вн
разности
l tж1 tж 2
,
1 d нар
1
ln
2 d вн 2 d нар

33.

• где
ц
1
d
1 вн
1
1 d нар
1
ln
2 d вн 2 d нар
называется линейным коэффициентом теплопередачи.
Вт
ц
м К
Числовое значение линейного коэффициента теплопередачи
цилиндрической стенки выражает количество теплоты,
проходящей через 1 м трубы в единицу времени от горячего к
холодному теплоносителю при разности температур между
ними в 1°.

34.

• Плотность теплового
проходящего
цилиндрическую стенку,
потока,
через
Q
qц ц tж1 tж 2 .
l
• Для теплового потока можно
записать уравнение в следующем
виде:
Q ц l tж1 tж 2 .

35. 5. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода

36.

• Тепловой поток при переносе
теплоты через многослойную
цилиндрическую
стенку,
имеющую n слоев определяется
по формуле:
Q
l t1 t2
i n
1
1
d
1
i 1
ln
d
2
d
d
i
2 нар
1 вн i 1
.

37.

• Плотность теплового потока,
отнесенная к внутренней или
наружной
поверхности,
определяется по следующим
уравнениям:
ц
Q
tж1 tж 2 ;
qц1
d1l d1
ц
Q
tж1 tж 2 .
qц2
d 2l d 2

38.

• Величина, обратная линейному коэффициенту
теплопередачи называется общим линейным
термическим
сопротивлением
R
через
цилиндрическую стенку.
Общее линейное термическое сопротивление через
многослойную цилиндрическую стенку определяем по
формуле:
i n 1
d нар
1
1
1

ln
.
ц 1dвн i 1 2 i d вн 2 d нар
м К
Rц 1
.
Вт
2

39.

1
1
и
– внешние термические
2dнар
1d вн
сопротивления.
i n
1
di 1
2 ln d
i 1
i
i
– внутреннее термическое
сопротивление стенки.

40.

• Температуру внутренней поверхности в градусах
Цельсия определяем по формуле:
Q
tст1 tж1
.
1dвн l
• Температуру наружной поверхности в градусах
Цельсия определяем по формуле:
tст2
Q
tж2
.
2dнар l

41. 6. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода

42.

• При граничных условиях третьего рода для полого
шара известны:
внутренний d1 и внешний d2 диаметры;
температура горячего теплоносителя внутри шара t1 и
температура холодного теплоносителя t2;
коэффициент теплоотдачи от горячей жидкости к
внутренней поверхности шара α1 и коэффициент
теплоотдачи от наружной поверхности шара к
окружающей среде α2.

43.

• При стационарном режиме для всех изотермических
поверхностей тепловой поток постоянный:
Q
2
1 d1 (t1
tст1 );
2
Q
(tст1 tст2 ),
1 1
d1 d 2
Q
2
2 d 2 (tст2
t2 ).

44.

• Решая три уравнения относительно разности
температур и складывая их, находим тепловой поток:
t1 t2
Q
,
1
1 1 1
1
2
2
1d1 2 d1 d 2 2d 2
• или
Q ш t1 t2 .

45.

• Из уравнения для теплового потока определяем
коэффициент теплопередачи для шаровой стенки:
1
ш
1
1 1 1
1
2
2
1d1 2 d1 d 2 2 d 2
Вт
ш
К

46.

• Обратную величину коэффициенту теплопередачи
для шаровой стенки называют общим термическим
сопротивлением шаровой стенки.
1
1
1 1 1
1

.
2
2
ш 1d1 2 d1 d 2 2 d 2
English     Русский Rules