Численные значения коэффициентов теплоотдачи.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒

Для представления о порядке значений ав некоторых распространенных процессах теплоотдачи ниже приводятся ориентировочные интервалы значений коэффициентов теплоотдачи в промышленных теплообменных устройствах:

вт/(м²*град) ккал/(м²*ч*град)

При нагревании и охлаждении

воздуха…………………………………………....................1, 16—58 1, 0—50

перегретого пара………………………………………..23, 2—116 20—100

масел…………………………………………………………..58—1 740 50—1 500

воды…………………………………………………………..232—11 600 200—10000

При кипении воды…………………………………..580—52 200 500—45 000

При пленочной конденсации водяных паров 4 640—17 400 4 000—15 000

При конденсации паров органических веществ 580—2 320 500—2 000

Сложная теплоотдача

Как указывалось, на практике тепло передается одновременно путем каких-либо двух или всех трех видов передачи — конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением.

Если теплообмен происходит между твердой стенкой и газообразной средой, например воздухом, то тепло передается совместно конвекцией и излучением. Подобные процессы переноса тепла носят название сложной теплоотдачи. Типичным примером сложной теплоотдачи являются потери тепла стенками аппаратов в окружающую среду.

Количество тепла Q_Л, отдаваемого стенкой только путем теплового излучения, в общем виде определяется уравнением (23). Принимая и и учитывая, что С_1-2=С₀ =5, 67 вт/(м²* ), получим

Умножив и разделив правую часть уравнения на t_СТ – t_Ж, его к виду

где а_л [в вт/(м²*град)]выражается уравнением

Величина представляет собой коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, который показывает, какое количество тепла (в дж) отдает окружающей среде посредством теплового излучения стенка поверхностью 1 м² за 1 сек при разности температур между стенкой и средой 1 град.

Суммарная отдача тепла стенкой путем конвекции Q_K и теплового излучения составляет:

Q=Q_К+Q_Л=a_КF(t_СТ– t_Ж)+а_ЛF(t_СТ– t_Ж)=(a_К+a_Л)F(t_СТ– t_Ж) (80)

где a_К— коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Обозначив суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением a_К+a_Л=a_ОБЩ получим (в вт)

Q= a_ОБЩF(t_СТ– t_Ж) (80а)

В инженерных расчетах a_ОБЩ часто определяют приближенно по эмпирическим уравнениям. Так, при расчете количества тепла, теряемого наружной поверхностью аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, в окружающую среду a_ОБЩ можно найти по формуле [в вт/(м²*град)]:

a_ОБЩ=9, 3 +0, 058t_СТ.НАР (81)

Уравнение (81) применимо при t_СТ.НАР=50-350 .

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду аппараты и трубопроводы покрывают тепловой изоляцией.

Лекция № 30.

Теплопередача

А.Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.

Плоская стенка. Определим количество тепла, которое передается в единицу времени от более нагретой среды (теплоносителя с температурой t₁) к менее нагретой среде (теплоносителю с температурой t₂) через ихразделяющую их стенку (рис. 15).

Рис. 15. К выводу уравнения теплопередачи через плоскую стенку.

Стенка состоит из двух слоев с различной теплопроводностью, например собственно стенки толщиной , коэффициент теплопроводности которой равен _э и слоя тепловой изоляции толщиной , имеющей коэффициент теплопроводности . Рабочая поверхность стенки F.

Процесс теплообмена установившийся. Следовательно, от более нагретой среды к стенке, сквозь стенку и от стенки к менее нагретой среде за одинаковое время передается одно и то же количество тепла.

Количество тепла, передаваемого за время от более нагретой среды к стенке, по уравнению теплоотдачи составляет:

Q’=a₁F (t₂ – t_СТ1)

Количество тепла, проходящего путем теплопроводности через слои стенки, согласно уравнению (13) равно:

Количество тепла, отдаваемого стенкой менее нагретой среде

Полученные выражения для Q' могут быть представлены в виде

Сложив эти уравнения, получим

или

Соответственно при = 1

Первый множитель правой части уравнений (82) и (82а) называется коэффициентом теплопередачи:

Соответственно уравнение теплопередачи для плоской стенки при постоянных температурах теплоносителей имеет вид

и для непрерывных процессов

Согласно уравнению (84) единицы измерения коэффициента теплопередачи:

При выражении количества тепла Q во внесистемных единицах (в ккал), как указывалось ранее

Таким образом, коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями 1 град.

Величина, обратная К, называется общим термическим сопротивлением. Из уравнения (83) следует, что общее термическое сопротивление

где 1/a₁ и 1/a₂ - термическое сопротивление более нагретой и менее нагретой среды соответственно;

- термическое сопротивление многослойной стенки.

Термические сопротивления отдельных слоев многослойной стенки могут значительно отличаться по величине, и одно из них, соответствующее слою с теплопроводностью, значительно более низкой, чем теплопроводность других слоев, является определяющим.

При теплопередаче через чистую металлическую стенку (без загрязнений и тепловой изоляции) термическое сопротивление стенки невелико и в первом приближении им можно пренебречь, приняв

Если значения коэффицентов теплоотдачи a₁ и a₂ значительно отличаются друг от друга, например a₁ a₂, то 1/a₂ во много раз больше 1/a₁и величина К практически определяется значением а₂. В этом случае

На основании уравнения (85) можно сделать некоторые выводы о возможностях интенсификации процессов теплопередачи. Для увеличения К и соответственно тепловой нагрузки Q для данного теплообменного аппарата следует увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи, так как К всегда меньше наименьшего из коэффициентов теплоотдачи. Это может быть достигнуто, например, увеличением скорости теплоносителя с меньшим а или другими способами.

Если значения частных термических сопротивлений различны, то для интенсификации теплопередачи следует уменьшать наибольшее, из них. При этом достигаемый эффект тем больше, чем значительнее это сопротивление превышает другие. Так, например, если определяющим является термическое сопротивление слоя загрязнений на стенке аппарата, то увеличить теплопередачу можно путем уменьшения толщины слоя за счет, например, периодической очистки поверхности нагрева.

Цилиндрическая стенка. Этот случай теплопередачи имеет существенное практическое значение в связи с тем, что в химической технологии передача тепла часто происходит через поверхности труб.

Допустим, что внутри трубы (см. рис. 5) находится более нагретый теплоноситель с температурой t₁ и коэффициент теплоотдачи от него к внутренней поверхности цилиндрической стенки a_В. Снаружи трубы — более холодный теплоноситель, имеющий температуру t₂. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к более холодному теплоносителю а_Н.

Количество тепла, передаваемого от более нагретого теплоносителя к стенке, составляет:

Количество тепла, проходящего сквозь стенку путем теплопроводности, находим в соответствии с уравнением (15):

Количество тепла, передаваемое от стенки к более холодному теплоносителю, равно

Приведенные выше уравнения могут быть представлены в виде

Сложив эти уравнения, получим

откуда

При теплопередаче через цилиндрическую стенку обычно определяют количество тепла, передаваемое через единицу длины трубы. Принимая L = 1, выражаем уравнение (86) следующим образом:

где величина выражается уравнением

В отличие от К величина представляет собой линейный коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице длины трубы, а не к единице ее поверхности. Соответственно выражается в вт/(м*град).

На практике уравнение (86) применяют только для толстостенных цилиндрических стенок, например трубопроводов, покрытых толстым слоем тепловой изоляции.

Для труб с тонкими стенками расчет теплопередачи можно вести приближенно — как для плоской стенки, имеющей толщину , равную полуразности наружного и внутреннего диаметров данной трубы. Пренебрегать кривизной стенки трубы, сводя задачу приближенной к расчету плоской стенки, можно при отношении толщины стенки к внутреннему диаметру трубы, не превышающем /d_B = 0, 3—0, 4. При больших значениях этого отношения следует вести расчет по точному уравнению (86).

Обозначим поверхность теплообмена плоской стенки через F_ПЛ.СТ.

Тогда

где K — коэффициент теплопередачи для плоской стенки, определяемый по уравнению (85), в которое подставляется величина = 0, 5 (d_H — d_B); d_Р—расчетный диаметр трубы.

В качестве расчетного диаметра принимают либо диаметр той поверхности цилиндрической стенки, со стороны которой а значительно меньше, чем с противоположной, либо средний диаметр d_cp, если коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки различаются незначительно.

Процессы теплопередачи при постоянных температурах (как в случае плоской, так и цилиндрической стенок) распространены относительно мало. Такие процессы протекают, например, в том случае, если с одной стороны стенки конденсируется пар, а с другой — кипит жидкость. Наиболее часто теплопередача в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей.

Температуры теплоносителей обычно изменяются вдоль поверхности F разделяющей их стенки. При этом температуры теплоносителей могут оставаться постоянными во времени и выражаться зависимостью t = f (F), что характеризует установившиеся процессы теплообмена.

Рис. 16. Схемы направления движения жидкостей 1 и 2 при теплообмене:

a-прямоток; б - противоток; в - перекрестный ток; г -однократный смешанный ток;

д - многократный смешанный ток.

При неустановившихся процессах теплообмена возможны два случая:

температуры в каждой точке поверхности стенки изменяются только во времени, т. е. они являются однозначной функцией времени ; такой случай возможен, например, при обогреве хорошо перемешиваемой жидкости через стенку насыщенным водяным паром;

температуры теплоносителей изменяются и во времени, и вдоль поверхности теплообмена

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты направления движения жидкостей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:

1) параллельный ток, или прямоток (рис. 16, а), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

2) противоток (рис. 16, б), при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях;

3) перекрестный ток (рис. 16, в), при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;

4) смешанный т о к, при котором один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой — как прямотоком, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток (рис. 16, г)и многократный смешанный ток (рис. 16, д).

Движущая сила процессов теплопередачи при переменных температурах изменяется в зависимости от вида взаимного направления движения теплоносителей. Поэтому выражение средней движущей силы в общем уравнении теплопередачи [уравнение (4)] также будет зависеть от относительного направления движения теплоносителей и характера организации процесса теплопередачи (непрерывный или периодический).

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒