Теплопередача, или теплообмен

1. Теплопередача или теплообмен

Необратимые процессы распространения
теплоты в пространстве
Три вида теплообмена:
теплопроводность – молекулярный перенос
теплоты в телах, обусловленный разностью
температур
конвекция – процесс переноса теплоты при
перемещении жидкости или газа
тепловое излучение – процесс распространения
теплоты с помощью электромагнитных волн

2.

Теплообмен между потоком вещества и
поверхностью твердой стенки называют
теплоотдачей
Теплообмен между потоками вещества,
разделенными твердой поверхностью теплопередачей

3. Гипотеза Фурье

Количество теплоты, проходящее через
единицу изотермической поверхности в
единицу времени пропорционально
температурному градиенту
dt
dQ
dFdt
dn

4. Коэффициент теплопроводности

Количество тепла, проходящее через единицу
изотермической поверхности в единицу
времени при температурном градиенте,
равном единице. Измеряется в Вт/(м*К).
Металлы – 10 – 500
Неметаллы (диэлектрики) - <1
Жидкости – 0,07 – 0,7
Газы – 0,006 – 0,6

5. Коэффициент температуропроводности

Характеризует скорость изменения
температуры в телах.
a
c
Измеряется м2/с.

6. Дифференциальное уравнение теплопроводности в твердом теле (уравнение Фурье)

t t t
dt
2
a 2 2 2 a t
d
y
z
x
2
2
2
оператор Лапласа («набла»)

7.

Условия однозначности
• Дифференциальное уравнение теплопроводности
описывает целый класс явлений теплопроводности
• Чтобы выделить конкретный рассматриваемый процесс
и дать его полное математическое описание к
дифференциальному уравнению необходимо
присоединить математическое описание всех частных
особенностей рассматриваемого процесса
• Эти частные особенности, которые совместно с
дифференциальным уравнением дают полное
математическое описание конкретного процесса
теплопроводности, называются условиями
однозначности или краевыми условиями

8.

Условия:
Характеризующие
Геометрические Форму, размеры тела
Физические
Физические свойства среды и тела
Временные
(начальные)
Распространение температур в теле в
начальный момент времени
Граничные
Взаимодействие рассматриваемого тела с
окружающей средой

9.

Граничные условия:
задается
Распределение температуры на поверхности тела для
I
tс f x, y, z,
рода каждого момента времени
Значения теплового потока для каждой точки поверхности
II
рода тела и любого момента времени qп f x, y, z ,
Температура окружающей среды tж и закон теплообмена
III
рода между поверхностью тела и окружающей средой (закон
q tс t ж
Ньютона-Рихмана)
Характер теплообмена системы соприкасающихся тел –
IV
рода отношение тангенсов угла наклона касательных к
температурным кривым в точке соприкосновения тел
t1
t2
1 2
n c
n c
tg 1 2
const
tg 2 1

10.

q
Дж Вт
= 2
2
tс t ж с м К м К
• Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность
теплообмена между поверхностью тела и окружающей
средой.
• Численно равен количеству теплоты, отдаваемому (или
воспринимаемому) единицей поверхности в единицу
времени при разности температур между поверхностью
тела и окружающей средой равной одному градусу

11. Передача тепла через плоскую стенку

t
Передача тепла через плоскую
стенку
tw1
tw2
Q
x
d 2t
0
2
dx
граничные условия:
• при х = 0 t = tw1,
• при x = t = tw2,
t w1 t w2
t t w1
x
q t w1 t w 2

12. Передача тепла через цилиндрическую стенку

t
tw1
tw1
tw2
tw2
Q
Q
d1
d2
r
граничные условия:
• при r = r1 t = tw1,
• при r = r2 t = tw2,
ln d d1
t t w1 t w1 t w2
ln d 2 d1
2 L t w1 t w 2
Q
d1
ln
d2

13. Граничные условия третьего рода

2
Q
k
1
d1 D1
1
1
1
d1
D
d
ln 1 1
2 T d1 2 D1
1
k
1
δ
1
α1 λ T 2

14. Теплообменники

Теплотехнические устройства, в которых осуществляется
теплообмен между двумя или несколькими средами.
Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой,
называют теплоносителями или рабочими телами.
В зависимости от назначения теплообменные аппараты
называют подогревателями, испарителями,
пароперегревателями, конденсаторами,
холодильниками, радиаторами и т.д.
По принципу действия различают поверхностные и
контактные аппараты.
Поверхностные теплообменные аппараты делят на
рекуперативные и регенеративные.

15.

Рекуперативные теплообменники
подразделяются на кожухотрубчатые,
змеевиковые, типа «труба в трубе»,
секционные, спиральные, пластинчатые и др.
б
а
в
Змеевиковые и секционные рекуперативные теплообменные аппараты
а – с витой трубчатой поверхностью нагрева; б – секционный; в – "труба в трубе"

16.

I
I
2
8
1
3
II
7
6
4
9
5
а
4
б
в
II
Типы кожухотрубчатых теплообменников
г
9
а – с жестким креплением труб в трубных решетках; б – с линзовым температурным
компенсатором на кожухе; в - с U-образными трубами; г – с плавающей головкой; 1 – корпус
(кожух); 2 – трубная решетка (доска); 3 – трубы; 4 – патрубок (штуцер); 5 – днище (крышка); 6 –
опорная лапа; 7 – линзовый компенсатор; 8 – штуцер для отвода неконденсирующихся газов; 9 –
штуцер для опорожнения межтрубного пространства

17.

Спиральный теплообменник

18.

• Расчет теплообменника производится в
двух вариантах:
1 – проектный и 2 – поверочный
• В первом случае рассчитывается
поверхность теплообменного аппарата;
• Во втором - интенсивность теплообмена
или количество передаваемой теплоты
через известную поверхность теплообмена.
Расчет проводится методом
последовательных приближений
Q kF T

19.

Интенсификация теплопередачи
Q kF t
1
1
k
k
1 1 при / 0
1
1
1 2
1 2

20.

Трубчато-ребристая поверхность теплообмена
Оребренные трубы:
а - с приварными «корытообразными»
ребрами; б - с завальцованными ребрами; в
– с винтовыми накатанными ребрами; г - с
выдавленными ребрами; д - с приварными
шиловидными ребрами.
4
2
1
2
3
1
а
б
в
Рис. Ребристые трубы
а – труба с индивидуальными поперечными ребрами; б –труба с индивидуальными
продольными ребрами; в – биметаллические накатные ребристые трубы;
1 – гладкая труба; 2 – индивидуальное ребро; 3 – сердечник; 4 – рубашка с выдавленным
на ней оребрением

21.

Теплообменные трубы с турбулизаторами:
а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые
трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными
канавками; д - проволочные турбулизаторы; е - турбулизирующие вставки.

22.

Виды движения теплоносителей в
теплообменных аппаратах:
1 – прямого тока; 2 – противоточные; 3 –
перекрестного тока; 4 – со сложным
направлением движения теплоносителей
(смешанного тока)
1
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
а
б
в
г
2
д
Схемы движения теплоносителей в теплообменниках
а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный; г – смешанная схема;
д - многократный перекрестный ток

23. Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи

Вид теплообмена
От газа к газу (при невысоких давлениях)
От газа к жидкости (газовые холодильники)
От
конденсирующегося
пара
к
газу
(воздухоподогреватели)
От жидкости к жидкости (вода)
От жидкости к жидкости (углеводороды, масла)
От конденсирующегося пара к воде
(конденсаторы, подогреватели)
От конденсирующегося пара к органическим
жидкостям
От конденсирующегося пара органических
веществ к воде
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости
(испарители)
Вт/(м2*К)
10 – 40
10 – 60
10 – 60
800 – 1700
120 – 270
800 – 3500
120 – 340
300 – 800
300-2500