Реферат: Конвективный теплообмен

Процессы теплопроводности, когда поле температуры внутри тела изменяется не только в пространстве, но и во времени, называют нестационарными.


Дата добавления на сайт: 20 марта 2025

Конвективный теплообмен

1. Нестационарная теплопроводность

Процессы теплопроводности, когда поле температуры внутри тела изменяется не только в пространстве, но и во времени, называют нестационарными. Они имеют место при нагревании (охлаждении) различных заготовок и изделий, производстве стекла, обжиге кирпича, пуске и останове различных теплообменных устройств, энергетических агрегатов и т. д.
Среди практических задач нестационарной теплопроводности важнейшее значение имеют две группы процессов: а) тело стремится к тепловому равновесию; б) температура тела претерпевает периодические изменения.
К первой группе относятся процессы прогрева или охлаждения тел, помещенных в среду с заданным тепловым состоянием, например, прогрев металлических заготовок в печи, охлаждение закаливаемой детали и т. п.

Конвективный теплообмен (рис. 1)

Ко второй группе относятся процессы в периодически действующих подогревателях, например тепловой процесс регенераторов, насадка которых то нагревается дымовыми газами, то охлаждается воздухом.
На рис. 1.1 показан характер кривых, полученных при нагревании однородного твердого тела в среде с постоянной температурой tж. По мере нагрева температура в каждой точке асимптотически приближается к температуре греющей среды.
Наиболее быстро изменяется температура точек, лежащих вблизи поверхности тела. С увеличением времени прогрева эта разность будет уменьшаться и теоретически через достаточно большой отрезок времени она будет равна нулю.

1.1Аналитическое описание процесса

Конвективный теплообмен (рис. 2)
Конвективный теплообмен (рис. 3)

Если дана пластина толщиной
Конвективный теплообмен (рис. 4) и толщина ее мала по сравнению с длиной и шириной, то такую пластину обычно считают неограниченной.
Изменение температуры происходит только в одном направлении х, в двух других направлениях температура не изменяется, следовательно, в пространстве задача является одномерной. Охлаждение происходит в среде с постоянной температурой tж = const. На обеих поверхностях отвод теплоты осуществляется при постоянном во времени коэффициенте теплоотдачи, который одинаков для всех точек поверхности пластины.
Аналитическое описание процесса нестационарной теплопроводности включает в себя дифференциальное уравнение и условия однозначности.
Дифференциальное уравнение теплопроводности при отсутствии внутренних источников теплоты для трехмерной задачи имеет вид

Конвективный теплообмен (рис. 5).(1.1)

Условия однозначности задаются в виде:
формы и геометрических размеров тела;
физических параметров λ, с, r, а;
- начальных условий, т.е. температуры тела в начальный момент времени t =0 t=t0=f(x,y,z)
граничных условий.
Отсчет температуры тела можно вести от температуры среды, т. е. обозначить Конвективный теплообмен (рис. 6) - избыточная температура. При этих условиях для тела в форме пластины уравнение теплопроводности для одномерной задачи можно представить в виде

Конвективный теплообмен (рис. 7).(1.2)

Начальные условия:

t = 0; Конвективный теплообмен (рис. 8) .

Граничные условия:
На оси х=0; Конвективный теплообмен (рис. 9).
На поверхности могут быть заданы граничные условия третьего рода
Х =d; Конвективный теплообмен (рис. 10) .

Дифференциальное уравнение теплопроводности (1.2) совместно с условиями однозначности дает законченную математическую формулировку рассматриваемой задачи
Для неограниченного цилиндра радиусом r0 уравнение теплопроводности принимает вид

Конвективный теплообмен (рис. 11).(1.3)

Начальные условия:

t = 0; Конвективный теплообмен (рис. 12) .

Граничные условия:
= 0; Конвективный теплообмен (рис. 13) ;
r = r0; Конвективный теплообмен (рис. 14) .

Решение уравнения для распределения температуры по толщине при нагревании (охлаждении) неограниченной пластины в этом случае имеет следующий вид

Конвективный теплообмен (рис. 15)(1.4),
где Конвективный теплообмен (рис. 16) - безразмерная (относительная избыточная) температура;
Конвективный теплообмен (рис. 17) - текущая избыточная температура;
Конвективный теплообмен (рис. 18)- начальная избыточная температура;
Конвективный теплообмен (рис. 19) - в процессе нагревания (или охлаждения) она уменьшается (Конвективный теплообмен (рис. 20));

Конвективный теплообмен (рис. 21)(1.5)

безразмерный коэффициент Конвективный теплообмен (рис. 22);
Конвективный теплообмен (рис. 23) - корни характеристического уравнения;
Конвективный теплообмен (рис. 24) - безразмерная координата (Конвективный теплообмен (рис. 25) - определяющий размер, равный полутолщине пластины);

Конвективный теплообмен (рис. 26);

Конвективный теплообмен (рис. 27) - число Фурье, характеризует безразмерное время (Конвективный теплообмен (рис. 28));
Конвективный теплообмен (рис. 29) - число Био, оно представляет собой отношение внутреннего термического сопротивления теплопроводности к внешнему сопротивлению теплоотдачи.
Конвективный теплообмен (рис. 30) - коэффициент теплопроводности (Вт/м град), является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры и физической природы вещества.
Конвективный теплообмен (рис. 31) - коэффициент теплоотдачи (Вт/м2 град), характеризует конвективный теплообмен, зависит от физической природы, режима движения, скорости, теплопроводности, теплоёмкости, плотности, вязкости окружающей среды, размера и формы поверхности, разности температур поверхности и окружающей среды и т. д.
Для расчетов температурного поля тела в форме неограниченной пластины (для Конвективный теплообмен (рис. 32)) можно использовать первое слагаемое выражения (1.4)

Конвективный теплообмен (рис. 33)(1.6)

Количество теплоты, полученное (отданное) в процессе, определяют по формулам:

Конвективный теплообмен (рис. 34),

Конвективный теплообмен (рис. 35) - плотность, кг/м3;
Конвективный теплообмен (рис. 36) - теплоёмкость, кДж/кг·град;
Конвективный теплообмен (рис. 37) - объём тела, м3.V = 2 d f;
Конвективный теплообмен (рис. 38);

Конвективный теплообмен (рис. 39)(1.7)

средняя безразмерная температура в конце процесса.
При расчёте температурного поля сплошного длинного цилиндра при нестационарном режиме используют следующие формулы:

Конвективный теплообмен (рис. 40),(1.8)
где Конвективный теплообмен (рис. 41) - безразмерная координата;
Конвективный теплообмен (рис. 42) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка (колебательная затухающая функция).
При значениях Конвективный теплообмен (рис. 43) при аналитическом методе расчета используется первое слагаемое суммы

Конвективный теплообмен (рис. 44),(1.9)

где Конвективный теплообмен (рис. 45)- безразмерный коэффициент;
Коэффициенты Конвективный теплообмен (рис. 46), m1, и m21 в зависимости от числа Био берутся из табл. П-2 Приложения.
Коэффициент Конвективный теплообмен (рис. 47)может быть рассчитан по выражению

Конвективный теплообмен (рис. 48),(1.10)

где Конвективный теплообмен (рис. 49)- функция Бесселя первого рода первого порядка.
Значения функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка приведены в табл. 3 Приложения.
Количество теплоты определяют по формулам:

Конвективный теплообмен (рис. 50);V = p r02 l ;
Конвективный теплообмен (рис. 51);
Конвективный теплообмен (рис. 52).(1.11)

Если FoВеличинаРазмерностьсреднееам2/час0,040,0210,0305Вт/м2·град45,129,437,25кДж/кг·град0,5150,6910,603кг/м3780074367618
В расчетах используются средние значения физических свойств.
1)Определение времени нагревания цилиндра до заданной конечной температуры
Вычислим число Конвективный теплообмен (рис. 62) и безразмерную температуру Конвективный теплообмен (рис. 63) на оси циллиндра в последний момент времени нагрева:

Конвективный теплообмен (рис. 64);

Безразмерная температура в конце нагрева по оси заготовки

Конвективный теплообмен (рис. 65) .

При этих значениях Bi и θR=0 по номограмме Будрина (рис. П-3 Приложения) для середины цилиндра находим значение числа Фурье
= 0,2; θR=0 = 0,136→ Fo = 5,8 .

Из числа Фурье

Конвективный теплообмен (рис. 66)

время нагревания заготовки составит
Конвективный теплообмен (рис. 67).
2)Определение температуры на оси и поверхности цилиндра для различных моментов времени (с использованием номограмм)
Интервал времени нагревания заготовки разобьём на несколько промежутков. Для каждого момента времени вычислим значения Конвективный теплообмен (рис. 68). Значения чисел Конвективный теплообмен (рис. 69) должны быть в интервале от 0,25 до Fo кон . Затем найдём безразмерные температуры в середине и на поверхности пластины по номограммам Будрина (в зависимости от меняющегося Конвективный теплообмен (рис. 70) и постоянного Конвективный теплообмен (рис. 71)). По безразмерным температурам вычислим температуры на оси и на поверхности цилиндра в градусах Цельсия.
Например, для t = 0,33 часа

Конвективный теплообмен (рис. 72) .

При Bi = 0,2 и Fo = 1: θR=1 = 0,62 и θR=0=0,7.
Производим пересчет безразмерной температуры в размерную
пов=tж+ θR=1(t0 - tж)=1350+0,62(200-1300)=618 0С
иtц=tж+ θR=0(t0 - tж)=1350+0,7(200-1300)=530 0С.

Аналогично выполняются расчеты для других моментов времени. Данные заносим в табл.1.2.

Таблица 1.2
Результаты расчета
Число Фурье FoВремя , час, 0С, 0С
0,50,80,90,164310420
10,620,70,33530618
1,50,50,60,49640750
2,50,350,40,82860915
30,280,340,98926992
3,50,240,281,159921036
4,50,160,181,4711021124
5,80,120,141,911461168

По расчётным данным строим график Конвективный теплообмен (рис. 73), представленный на рисунке 1.3.

Конвективный теплообмен (рис. 74)
Рис. 1.3. График изменения температуры поверхности и центра цилиндра от времени

3)Определение распределения температуры по сечению цилиндра с использованием аналитических формул (для четырех моментов времени)
Для аналитического расчета температурного поля выбираем моменты времени t1 = 0,33час; t2 = 0,82час; t3 = 1,15час; t4=1,9час (соответственно, Fo = 1; 2,5; 3,5; 5,8). Значения чисел Конвективный теплообмен (рис. 75)должны находиться в интервале от 0,25 до Foкон .
Все выбранные значения Fo > 0,25, что соответствует стадии регулярного режима, поэтому используем для расчетов 1 слагаемое

Конвективный теплообмен (рис. 76)

По значению числа Био из таблицы П-2 Приложения выбираем постоянные μ1, μ12 , N0 , P0 .

Biμ1μ12N0P0
0,20,6170,38071,0480,951

Радиус цилиндра разбиваем на 4 слоя. Тогда безразмерные координаты расчетных точек будут равны:
R = 0 (ось цилиндра), R = 0,25; R = 0,5; R = 0,75; R = 1 (поверхность цилиндра).
Значения функции Бесселя берутся из табл.П-3 Приложения.
Аргументы функции Бесселя

Конвективный теплообмен (рис. 77)
Конвективный теплообмен (рис. 78)
Конвективный теплообмен (рис. 79)
Конвективный теплообмен (рис. 80)
Конвективный теплообмен (рис. 81)

Для приведенных значений (m.R) функция Бесселя определяется путем интерполирования табличных значений.
Конвективный теплообмен (рис. 82)
Конвективный теплообмен (рис. 83);
Конвективный теплообмен (рис. 84);
Конвективный теплообмен (рис. 85);
Конвективный теплообмен (рис. 86).
Для выбранных значений Фурье вычисляем безразмерные температуры:
при Fo = 1

Конвективный теплообмен (рис. 87);
Конвективный теплообмен (рис. 88);
Конвективный теплообмен (рис. 89);
Конвективный теплообмен (рис. 90);
Конвективный теплообмен (рис. 91).

Аналогично определяются безразмерные температуры для значений Fo = 2,5 и 3,5.

При Fo = 5,8

Конвективный теплообмен (рис. 92);
Конвективный теплообмен (рис. 93);
Конвективный теплообмен (рис. 94);
Конвективный теплообмен (рис. 95);
Конвективный теплообмен (рис. 96).

Затем выполняется переход от безразмерных температур к размерным по формуле

Конвективный теплообмен (рис. 97), ˚С .

Например:
Конвективный теплообмен (рис. 98)˚С
Результаты расчетов представляем в виде в табл.1.3.

Таблица 1.3
КоординатаFo=1Fo=2,5Fo=3,5Fo=5,8
t=0,33часt=0,82часt=1,15часt=1,9час
Температура t, ˚С
R=0512,2854,9995,91173
R=0,25517,5857,9997,81174
R=0,5534,6867,71004,51177
R=0,75554,3878,710121179
R=1585,7896,410241185,6

Строим график изменения температуры по сечению цилиндра для выбранных моментов времени (рис.1.4).

Конвективный теплообмен (рис. 99)
Рис. 1.4. График изменения температуры по сечению цилиндра для различных моментов времени
4). Определение количества теплоты, полученной цилиндром за весь период нагревания (в расчете на 1 м длины)
Средняя безразмерная температура в последний момент времени нагревания tкон = 1,9 час (Fo = 5,8)

Конвективный теплообмен (рис. 100)

Полное количество теплоты, которое может быть воспринято 1 м длины цилиндра за время от t = 0 до t = ∞ (если бы нагревание длилось до наступления полного теплового равновесия между пластиной и средой печи)

Конвективный теплообмен (рис. 101)

Количество теплоты, подведенной к цилиндру за весь период нагревания от t = 0 до tкон

Конвективный теплообмен (рис. 102)

2. Конвективный теплообмен при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности

.1 Описание процесса

При течении среды у поверхности стенки образуется пограничный слой вязкой жидкости (рис.2.1). Движение жидкости в пограничном слое может иметь ламинарный и турбулентный характер, а толщина слоя постепенно возрастает по направлению движения жидкости.

Конвективный теплообмен (рис. 103)
Рис. 2.1. Схема пограничного слоя: 1 - ламинарный пограничный слой; 2 - переходная область; 3 - турбулентный пограничный слой; 4 - вязкий (ламинарный) подслой

Переход ламинарного течения в турбулентное происходит на некотором участке Dх = хкр2 - хкр1. Эта область переходного течения не всегда может быть точно определена. Поэтому в расчетах часто полагают, что переход ламинарного течения в турбулентное происходит при определенном хкр, т.е. заменяют отрезок Dх точкой, а критическое значение Reкр приближенно принимают равным 105.
Тогда координата точки перехода может быть найдена следующим образом
Конвективный теплообмен (рис. 104)

В случае Reж≤105 режим движения жидкости ламинарный. Толщину гидродинамического δл и теплового К пограничных слоев на расстоянии Х от передней кромки пластины можно рассчитать по формулам:

Конвективный теплообмен (рис. 105) ; Конвективный теплообмен (рис. 106).(2.1)

Местный (локальный) коэффициент теплоотдачи определяется из следующих выражений:

при tc=const Конвективный теплообмен (рис. 107)Конвективный теплообмен (рис. 108),(2.2)
при qc=const Конвективный теплообмен (рис. 109),(2.3)

где Конвективный теплообмен (рис. 110) - число Нуссельта;
Конвективный теплообмен (рис. 111) - число Рейнольдса;
Конвективный теплообмен (рис. 112) - число Прандтля.
В этих уравнениях в качестве определяющего размера принимается координата точки х.
Средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном режиме течения в пограничном слое:

при tc=const Конвективный теплообмен (рис. 113),(2.4)
при qc=constКонвективный теплообмен (рис. 114) (2.5)

В двух последних уравнениях в качестве определяющего размера принимается длина пластины l, если вдоль всей пластины течение ламинарное, или длина участка с ламинарном характером течения хкр., если в пределах пластины происходит переход от ламинарного движения к турбулентному.
Если Reж>105, то режим движения турбулентный. В этом случае толщины динамического и теплового пограничного слоев совпадают и определяются по формуле

Конвективный теплообмен (рис. 115).(2.6)

Для вычисления местного коэффициента теплоотдачи справедливы следующие расчетные соотношения:

при tc=const Конвективный теплообмен (рис. 116),(2.7)
при qc=constКонвективный теплообмен (рис. 117).(2.8)

Средняя теплоотдача в обоих случаях рассчитывается по формуле

Конвективный теплообмен (рис. 118)(2.9)

(в случае qc=const - без поправки Рrж / Рrс )
Физические параметры, входящие в числа подобия, выбираются по температуре набегающего потока tж, число Прандтля Prc по температуре tc.
При условии tc=const средний тепловой поток можно определить

Конвективный теплообмен (рис. 119)

При условии qc=const следует рассчитать изменение температуры поверхности tcx по длине пластины:

Конвективный теплообмен (рис. 120)

Поправка Конвективный теплообмен (рис. 121), учитывающая влияние на теплоотдачу изменения физических параметров с температурой, справедлива для капельных жидкостей. При расчете теплоотдачи для газов эту поправку не учитывают.

2.2 Пример расчета

Плоская пластина длиной 2м обтекается продольным потоком дымовых газов со скоростью 9м/с. Температура набегающего потока 2000С, температура поверхности пластины 500С.
Найти:
1)координату хкр точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный;
2)толщину динамического δ и теплового К пограничных слоев;
)значения местных коэффициентов теплоотдачи αх на различных расстояниях от передней кромки пластины;
)средние коэффициенты теплоотдачи α для участков с различными режимами течения.
Решение задачи
При температуре набегающего потока tж0=2000С физические свойства дымовых газов следующие (физические свойства берутся из справочных таблиц):
Конвективный теплообмен (рис. 122)
Определим число Рейнольдса:

Конвективный теплообмен (рис. 123)

следовательно, режим течения в пограничном слое на конце пластины турбулентный.
Найдем координату Хкр точки перехода ламинарного течения в пограничном слое в турбулентное по формуле:

Конвективный теплообмен (рис. 124)

На участке с ламинарным пограничным слоем для какой-либо точки (например, с координатой х = 0,18 м) определяем:
oчисло Рейнольдса

Конвективный теплообмен (рис. 125)

oтолщину динамического пограничного слоя

Конвективный теплообмен (рис. 126)

oтолщину теплового пограничного слоя
Конвективный теплообмен (рис. 127)
теплообмен конвективный газ поверхность
oчисло Нуссельта

Конвективный теплообмен (рис. 128)коэффициент теплоотдачи
Конвективный теплообмен (рис. 129)

Аналогичным образом рассчитываются искомые величины при других значениях х. Результаты расчетов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1
Результаты расчетов
ВеличинаЛаминарный участокТурбулентный участок
х, м0,060,120,180,3640,370,81,52
Reжх165003300049400100000102000220000410000549000
δ, мм2,173,073,765,3413,6425,341,8352,64
К, мм2,483,5044,296,0913,6425,341,8352,64
Nuж36,3752,7664,6691,94252,16468,21771,93973,1
αх, Вт/м2∙гр24,3117,6314,410,1327,3323,4720,6419,5
Средний коэффициент теплоотдачи20,2724,39

Средний коэффициент теплоотдачи для участка с ламинарным течением определяется следующим образом:

Конвективный теплообмен (рис. 130)
Плотность теплового потока:

Конвективный теплообмен (рис. 131)

На участке с турбулентным пограничным слоем для точки с координатами х = 0,8 м определяем:
oчисло Рейнольдса
Конвективный теплообмен (рис. 132)
oтолщину динамического пограничного слоя

Конвективный теплообмен (рис. 133)

oчисло Нуссельта

Конвективный теплообмен (рис. 134)

oкоэффициент теплоотдачи
Конвективный теплообмен (рис. 135)
Средний коэффициент теплоотдачи:

Конвективный теплообмен (рис. 136)

Плотность теплового потока:

Конвективный теплообмен (рис. 137).
По результатам расчетов (по данным таблицы 2.1) строятся графики d = f(х), к = f(х) - изменения толщины динамического и теплового пограничного слоев по длине пластины, a = f(х) - изменения коэффициента теплоотдачи по длине пластины
3. Теплообмен излучением между газом и твердой поверхностью

Плотность теплового потока при теплообмене между газом и твердой поверхностью рассчитывается по формуле:

Конвективный теплообмен (рис. 138),(3.1)

где Конвективный теплообмен (рис. 139) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
Конвективный теплообмен (рис. 140) - температура стенки (оболочки), К;
εпр - приведённая степень черноты материала поверхности газохода;
εг - степень черноты газовой смеси;
Конвективный теплообмен (рис. 141) - поглощательная способность газа, приведённая к температуре стенки.
Приведенная степень черноты рассчитывается по формуле:

Конвективный теплообмен (рис. 142)

где εс - степень черноты материала стенки (берется из таблиц).

3.1 Определение степени черноты газа

Степень черноты газовой смеси рассчитывается по формуле:

Конвективный теплообмен (рис. 143)
где Конвективный теплообмен (рис. 144) - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение излучения водяных паров закону Бугера-Бэра;
Конвективный теплообмен (рис. 145) - поправка, учитывающая взаимное поглощение СО2 и H2O при совпадении полос излучения (обычно Конвективный теплообмен (рис. 146), поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь).
Степень черноты и поглощательная способность компонентов газовой смеси определяются:
1)При помощи номограмм.
Степень черноты газа

Конвективный теплообмен (рис. 147). (3.2)

Значения Конвективный теплообмен (рис. 148) и Конвективный теплообмен (рис. 149) в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

Конвективный теплообмен (рис. 150), Конвективный теплообмен (рис. 151)

где Конвективный теплообмен (рис. 152); Конвективный теплообмен (рис. 153);
Конвективный теплообмен (рис. 154)- объёмная доля Н2О и СО2 в газе;
Р - давление газа, атм;
Конвективный теплообмен (рис. 155) - средняя температура газа, ˚С;

Конвективный теплообмен (рис. 156) -эффективная толщина излучающего слоя, м;
- величина излучающего объема газа, м3;
Fc - площадь поверхности оболочки, м2;
Конвективный теплообмен (рис. 157) - поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент β также находится по графикам в зависимости от (pН2О∙l) и pН2О.
Поглощательная способность газовой смеси рассчитывается по формуле

Конвективный теплообмен (рис. 158)(3.3)

гдеКонвективный теплообмен (рис. 159), Конвективный теплообмен (рис. 160).
Поскольку значение поглощательной способности зависит от температуры стенки, то значения Конвективный теплообмен (рис. 161) и Конвективный теплообмен (рис. 162) в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры стенки и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.
2)При помощи аналитических формул.
Степень черноты может быть найдена по следующей формуле

Конвективный теплообмен (рис. 163),(3.4)

где Конвективный теплообмен (рис. 164), атм;
kўе - суммарный коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

Конвективный теплообмен (рис. 165) .(3.5)

Для нахождения степени черноты в предыдущую формулу для определения коэффициента ослабления подставляется значение абсолютной температуры газа.
Поглощательная способность может быть найдена по следующей формуле

Конвективный теплообмен (рис. 166),

где Конвективный теплообмен (рис. 167) - суммарный коэффициент ослабления;
для нахождения поглощательной способности используется значение абсолютной температуры стенки.

3.2 Пример расчета

Вычислить плотность теплового потока, обусловленного излучением от дымовых газов к поверхности газохода сечением А х В = 500 х 1000 мм. Состав газа: содержание СО2=10%; содержание Н2О=5%; общее давление газа Р = 98,1 кПа (1 атм). Средняя температура газа в газоходе tг = 6500С. Средняя температура поверхности газохода Конвективный теплообмен (рис. 168) = 4000С. Газоход изготовлен из латуни.
1.Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием номограмм.

Конвективный теплообмен (рис. 169),

где Конвективный теплообмен (рис. 170) - коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Степень черноты латуни по справочным данным Конвективный теплообмен (рис. 171);
Приведённая степень черноты поверхности газохода; Конвективный теплообмен (рис. 172);
Эффективная толщина излучающего слоя

Конвективный теплообмен (рис. 173) - Конвективный теплообмен (рис. 174); (60 см).

Парциальные давления компонентов

Конвективный теплообмен (рис. 175);
Конвективный теплообмен (рис. 176);

Конвективный теплообмен (рис. 177)- объёмная доля Н2О и СО2 в газе;
РСО2.i = 0,1 . 60 = 6 см .атм.
РН2О.i = 0,05 . 60 = 3 см .атм.
Конвективный теплообмен (рис. 178) - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение поведения водяного пара закону Бугера-Бэра;
из графика Конвективный теплообмен (рис. 179).
По номограммам и температуре tг = 6500С

Конвективный теплообмен (рис. 180),Конвективный теплообмен (рис. 181),
Конвективный теплообмен (рис. 182); Конвективный теплообмен (рис. 183)Конвективный теплообмен (рис. 184);Конвективный теплообмен (рис. 185)

Степень черноты газа

Конвективный теплообмен (рис. 186); Конвективный теплообмен (рис. 187).
По номограммам и температуре tс = 400 0С

Конвективный теплообмен (рис. 188), Конвективный теплообмен (рис. 189),
Конвективный теплообмен (рис. 190) ; Конвективный теплообмен (рис. 191).

Поглощательная способность газа

Конвективный теплообмен (рис. 192);Конвективный теплообмен (рис. 193).

Результирующий тепловой поток

Конвективный теплообмен (рис. 194).

2.Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием формул.
Суммарное содержание излучающих компонентов

Конвективный теплообмен (рис. 195)

Суммарные коэффициенты ослабления

Конвективный теплообмен (рис. 196)и
Конвективный теплообмен (рис. 197)
Степень черноты газа

Конвективный теплообмен (рис. 198);Конвективный теплообмен (рис. 199).

Поглощательная способность газа

Конвективный теплообмен (рис. 200);Конвективный теплообмен (рис. 201).

Результирующий тепловой поток
Конвективный теплообмен (рис. 202).
Примечание: результаты расчетов степени черноты и поглощательной способности газа двумя методами должны быть близки между собой.
Конвективный теплообмен (рис. 203)
Рис. 3.1.Степень черноты в зависимости от температуры для CO2

Конвективный теплообмен (рис. 204)
Рис. 3.2. Степень черноты в зависимости от температуры для Н2О

Конвективный теплообмен (рис. 205)
Рис. 3.3. Значения поправки β, учитывающей влияние парциального давления Н2О на степень черноты
Тепловой расчёт экономайзера (пример расчета)

N вар.Расход, кг/сТемпература, оССкорость движения, м / сλ стенки Вт/(м гр)Диаметр труб d2 / d1, ммРасполо-жение трубОтноси-тельный шагТолщина слоя, ммФамилия
Ды-мо-вые газы G1Во-да G2газывода
t1’t1 ”t2’t2”ω1ω2Са-жи δсНа-кипи δн
S1/d2S2/d2
110560800-160300120,55051 / 44коридор.2,22,01,00,8Алибаева

Змеевиковый экономайзер парового котла предназначен для подогрева питательной воды в количестве G2 от температуры t2' до t2''. Вода движется вверх по трубам диаметром d2/d1. Коэффициент теплопроводности материала стенки λ. Средняя скорость движения воды ω2.
Дымовые газы (13% СО2 и 11% Н2О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка ω1. Расход газов G1. Температура газов на входе в экономайзер t1', на выходе t1''. Задано расположение труб в пучке и относительные шаги: поперечный σ1 = S1/d2 и продольный σ2 = S2/d2. Со стороны газов поверхность труб покрыта слоем сажи толщиной δс, со стороны воды - слоем накипи толщиной δн. Коэффициенты теплопроводности принять: для сажи λс = 0,07 - 0,12 Вт/м·град, для накипи λн = 0,7 - 2,3 Вт/м·град.

Газы: Конвективный теплообмен (рис. 206)
Вода:
Конвективный теплообмен (рис. 207)
t2' = 1000С
t2'' = 1900СКоэффициент теплопроводности стенки:
Конвективный теплообмен (рис. 208)
Диаметры труб:
Конвективный теплообмен (рис. 209)
Расположение труб:
коридорноеПоперечный относит. шаг:
Конвективный теплообмен (рис. 210)
Продольный относит. шаг:
Конвективный теплообмен (рис. 211)
Слой сажи:
Конвективный теплообмен (рис. 212)
Слой накипи:

1. Определяем диаметр трубы с учётом загрязнения её накипью с внутренней стороны и сажей с наружной стороны:

Конвективный теплообмен (рис. 213)
Конвективный теплообмен (рис. 214)

. Уравнение теплового баланса
Считая, что потери теплоты по длине экономайзера равны 0, запишем уравнение теплового баланса:

Конвективный теплообмен (рис. 215)

Средняя температура воды:

Конвективный теплообмен (рис. 216)

При этой температуре определяем теплоемкость воды → Cр2= 4,3 кДж/кг·гр
Определяем тепловую нагрузку теплообменного аппарата (по теплоносителю, для которого заданы две температуры)
Конвективный теплообмен (рис. 217)
Принимаем приближенно теплоёмкость дымовых газов Ср1 и рассчитываем температуру газов на выходе

Конвективный теплообмен (рис. 218)
Средняя температура дымовых газов:

Конвективный теплообмен (рис. 219)

3.Определение среднего температурного напора
Разности температур:

Конвективный теплообмен (рис. 220)

Примечание: в случае, если Dtб ¤ Dtм < 1,5 - определяется среднеарифметическое значение температурного напора.
4. Вычисление коэффициента теплоотдачи от стенки к воде Теплофизические параметры воды при температуре

Конвективный теплообмен (рис. 221) следующие:
Конвективный теплообмен (рис. 222)

Число Рейнольдса для воды:

Конвективный теплообмен (рис. 223)
Конвективный теплообмен (рис. 224) - режим течения турбулентный
Число Нуссельта:

Конвективный теплообмен (рис. 225)

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении принимаем Конвективный теплообмен (рис. 226)
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Конвективный теплообмен (рис. 227)

5. Вычисление коэффициента теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке
Теплофизические параметры дымовых газов при температуре Конвективный теплообмен (рис. 228):

Конвективный теплообмен (рис. 229)

Число Рейнольдса для дымовых газов:

Конвективный теплообмен (рис. 230)
Конвективный теплообмен (рис. 231)- смешанный режим движения.

Определяем число Нуссельта я при коридорном расположении труб в пучке

Конвективный теплообмен (рис. 232),

где Конвективный теплообмен (рис. 233)
Конвективный теплообмен (рис. 234)- для газа не учитывается
Примечание: в случае шахматного расположения труб в пучке следует применить другие расчетные формулы для определения числа Нуссельта.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией на стороне дымовых газов

Конвективный теплообмен (рис. 235)

6. Линейный коэффициент теплопередачи (приближенное значение):

Конвективный теплообмен (рис. 236)

Уточняем значения температуры стенки
Со стороны воды

Конвективный теплообмен (рис. 237)

со стороны газов
Конвективный теплообмен (рис. 238)

При температуре 1490С для воды Prc(tc2) = 1,17, а поправка Конвективный теплообмен (рис. 239) ,
то заново пересчитать число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи для воды не нужно:

Конвективный теплообмен (рис. 240)

. Определение коэффициента теплоотдачи излучением
Так как стенка омывается высокотемпературным трехатомным потоком газа, то необходимо учесть теплоту, передаваемую излучением
Средняя длина пути луча:

Конвективный теплообмен (рис. 241)

Произведения средней длины луча на парциальные давления двуокиси углерода и водяных паров:

Конвективный теплообмен (рис. 242)

По графикам определяем степени черноты двуокиси углерода и водяного пара:
по температуре газов 3170С
Конвективный теплообмен (рис. 243)

по температуре стенки 1790С

Конвективный теплообмен (рис. 244)

По графику определяем поправочный коэффициент Конвективный теплообмен (рис. 245) на парциальное давление для водяного пара:

Конвективный теплообмен (рис. 246)

Суммарная степень черноты газовой смеси:

Конвективный теплообмен (рис. 247)

Поглощательная способность газовой смеси:

Конвективный теплообмен (рис. 248)

Приведённая степень черноты поверхности:

Конвективный теплообмен (рис. 249)

где, Конвективный теплообмен (рис. 250) - степень черноты поверхности (значение берется из таблиц).
Тепловой поток, обусловленный излучением дымовых газов к стенке:
Конвективный теплообмен (рис. 251)

Коэффициент теплоотдачи излучением:

Конвективный теплообмен (рис. 252)

Суммарный коэффициент теплоотдачи для дымовых газов

Конвективный теплообмен (рис. 253)

Вычисление уточненного значения коэффициента теплопередачи для единицы длины трубы

Конвективный теплообмен (рис. 254)

. Определение конструктивных характеристик теплообменного аппарата
Плотность воды:

Конвективный теплообмен (рис. 255)

Количество параллельно включенных труб:
Конвективный теплообмен (рис. 256)

Живое сечение потока:

Конвективный теплообмен (рис. 257)

Общая длина труб определяется из уравнения теплопередачи

Конвективный теплообмен (рис. 258)

Длина одной трубы (змеевика):

Конвективный теплообмен (рис. 259)

Поверхность теплообмена (используется значение наружного диаметра, т.к. со стороны дымовых газов меньшее значение коэффициента теплоотдачи)

Конвективный теплообмен (рис. 260)
Библиографический список

Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача./ Учебник для вузов. - 4-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
Краснощеков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980 г. 298с.
Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975.

Комментарии:

Вы не можете оставлять комментарии. Пожалуйста, зарегистрируйтесь.