Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
15. Теплопроводность. В основной закон теплопроводности входит ряд математических понятий, определения которых целесообразно напомнить и пояснить. Температурное поле — это совокупность значений температуры во всех точках тела и данный момент времени. Математически оно описывается в виде t = f(x,y,z,z). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени, и нестационарное. Кроме того, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называют соответственно одно- или двухмерным. Изотермическая поверхность - это геометрическое место точек, температура в которых одинакова. Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению. Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье, вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры: q=-A.gradt, где к — коэффициент теплопроводности вещества; его единица измерения Вт/(м-К). Знак минус в уравнении указывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t,
т. е. в сторону наибольшего уменьшения температуры. Тепловой поток 6Q через произвольно ориентированную элементарную площадку dF равен скалярному произведению вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F: Q=. Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов теплопроводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.
16. Конвективный теплообмен (теплоотдача) без изменения агрегатного состояния. Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Например, дымовые газы в печах отдают теплоту нагреваемым заготовкам, а в паровых котлах — трубам, внутри которых греется или кипит вода; воздух в комнате греется от горячих приборов отопления и т. п. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота,— поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью. Согласно закону Ньютона и Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности и жидкости : (1). В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q (от стенки к жидкости или наоборот) значение его принято считать положительным, поэтому разность берут по абсолютной величине. Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Bт/(м2/К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К. Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле (1) рассчитывают α.. Коэффициент теплоотдачи а зависит от физических свойств жидкости и характера ее движения. Различают
естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возникает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей
поверхности в самом процессе теплообмена. Она будет тем сильнее, чем больше разность температур .
17. Теплообмен при кипении жидкости. В химической промышленности многие технологические процессы связаны с испаре нием жидкости: дистилляция, ректификация, выпарка и др. Теплообмен при кипении используется не только в аппаратах, предназначенных для испарения жидкости, но также как интенсивный способ охлаждения поверхности. Коэффициент теплоотдачи при кипении на несколько порядков превышает коэффициент теплоотдачи при конвективном тепло обмене с однофазной жидкостью.
Движущей силой для теплового потока в процессе кипения является температурный напор, равный разности между температурой греющей поверхности и температурой насыщения жидкости при заданном дав лении At = tc — fH. Условием возникновения процесса кипения является перегрев жидкости и наличие центров парообразования. Центрами парообразования могут служить неровности и дефекты поверхности, газ, адсорбированный на поверхности или загрязнения. Установлено, что кипящая жидкость всегда несколько перегрета и на границе раздела фаз всегда имеется небольшая разность температур.Максимальный перегрев жидкости имеет место у поверхности нагрева, а температура жидкости tx превышает температуру пара £н.
В зависимости от плотности теплового потока на поверхности нагрева возникают отдельные пузырьки или образуется паровая пленка.
В первом случае режим кипения называют пузырьковым, во втором — пленочным.
При пузырьковом кипении теплообменная поверхность омывается жидкостью, пограничный слой которой разрушается образующимися пузырьками пара. Пузырьки пара при достижении определенных раз меров отрываются от поверхности и всплывают, увлекая за собой столб перегретой жидкости, турбулизиругот жидкость, интенсифицируя теплообмен.
При больших плотностях теплового потока, а также при увеличении температурного напора ∆t =tс—tж число центров парообразования увеличивается, количество образующихся пузырьков и скорость их обра зования возрастают настолько, что они не успевают отрываться и, сливаясь, образуют на поверхности сплошную паровую пленку, оттесняю щую жидкость от нагретой поверхности. Наступает пленочный режим кипения. Паровая пленка может образоваться при меньших тепловых нагрузках вследствие плохой смачиваемости поверхности нагрева.
Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме на порядок ниже, чем при пузырьковом. Это объясняется большим термическим сопро тивлением парового слоя на поверхности теплообмена вследствие низ кой теплопроводности пара.
Возврат от пленочного кипения к пузырьковому происходит при значительно меньших тепловых потоках (точка Б).
В практическом отношении перерождение пузырькового кипения в пленочное крайне нежелательно. При пленочном кипении температурный напор &t = te- t„ резко возрастает и в соответствии с q = a At коэф фициент теплоотдачи падает. Температурный напор при пленочном кипении может достичь значений порядка сотен градусов. Температура поверхности может возрасти настолько, что наступает пережог метал лической стенки и ее разрушение.
Изменение механизма теплоотдачи при переходе от пузырькового кипения к пленочному или от пленочного к пузырьковому называют кризисами кипения, а параметры, им соответствующие,- критическими. Максимальная плотность теплового потока в точке А называется первой критической плотностью теплового потока q^, а минимальная плот ность теплового потока при пленочном режиме кипения, соответствующая его переходу к пузырьковому кипению,- второй критической плотностью теплового потока Вт/м2. Урав. Теплового баланса: Q=rG, qкр1=1.2*106 Вт/м2.
Теплообмен в режиме пузырькового кипения отличается наивысшей интенсивностью и находит широкое практическое использование.
18. Теплообмен при конденсации пара. Теплоотдача при конденсации. При соприкосновении пара с поверх ностью, температура которой ниже температуры насыщения, пар конденсируется. При конденсации пара выделяется теплота фазового перехода, которая отводится через теплообменную поверхность. В за висимости от состояния поверхности конденсат образует па ней сплошную устойчивую пленку. Такая конденсация называется пленочной. Пленоч ная конденсация имеет место, если конденсат обладает способ ностью смачивать поверхность. Если конденсат не смачивает по верхность, например, в случае загрязнения ее маслом, то поверх ность покрывается отдельными каплями конденсата. Такая конденса ция называется капельной. При капельной конденсации пар непосред ственно соприкасается с поверхностью теплообмена.
Пленочная конденсация устанавливается на шероховатых, металли ческих и покрытых оксидной пленкой поверхностях. Даже загрязненные поверхности под влиянием длительной эксплуатации самоочищаются и становятся смачиваемыми. Поэтому большинство промышленных ап паратов работает в режиме пленочной конденсации.
Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации ниже, чем при капельной, так как стекающая пленка конденсата имеет большое термическое сопротивление. Исключение составляет пленочная конден сация паров жидких металлов, для которых характерна высокая тепло проводность.
При образовании пленки пар отделен от стенки. Принято считать, что температура по верхности пленки, обращенной к пару, рав на температуре насыщения.
На рис. 2.60 показан вертикальный разрез пленки. При конденсации пара на вертикаль ной стенке толщина стекающей пленки конден сата увеличивается, начиная от поверхности кромки стенки. Режим течения конденсата оп ределяют по числу Рейнольдса: Re = wδ/vж, где w — средняя скорость течения пленки в рассмат риваемом сечении; δ — толщина пленки.
Рис. Течение конденсата на вер тикальной пласти не; распределение скорости и темпера туры в сечении пленки конденсата.