Кинетика теплопередачи.
Процессы бывают:
· Стационарные (установившиеся);
· Нестационарные.
Применительно к тепловым процессам для стационарного режима, температура остается неизменной во времени:
Стационарный режим определяет непрерывную работу теплообменного аппарата, в этом случае тепловой поток будет выражаться количеством тепла в единицу времени [ ]=[Дж/сек]=[Вт]
Неустановившийся режим определяет его периодическую работу, в этом случае температура изменяется во времени:
Тепловая нагрузка аппарата будет определяться на одну технологическую операцию.
Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая взаимосвязь между тепловыми потоками и поверхностью теплообмена названа основным уравнением теплопредачи
В случае установившегося теплового процесса:
В случае установившегося теплового процесса:
где к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К), характеризующий
скорость теплопереноса;
Физический смысл к:
Определяет среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена.
; [к]=[Дж/с·м2·К]=[Вт/м2·К]
Этот коэффициент показывает, какое количество тепла в Дж переходит за 1 секунду от более нагретого к мене нагретому теплоносителю, через поверхность 1 м2 при средней разности температур между теплоносителями в 10.
F- поверхность теплопередачи(является определяемой величиной при расчете аппарата), м2;
∆tср – средняя разность температур, между теплоносителями, которая определяет среднюю движущую силу процесса теплопередачи(температурный напор),К.
Температурный напор зависит от характера изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.
Способы передачи тепла.
1. Теплопроводность – передача тепла внутри твердого тела. Это перенос тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц(колебание молекул и атомов в кристаллической решетке твердого тела или движение свободных электронов).
2. Конвекция – перенос тепла вследствие движения или перемещения макроскопических объемов газа или жидкости под действием какой- либо движущей силы.
Различают 2 вида конвекции:
а) Естественная(свободная) конвекция – в этом случае перемещение обусловлено разностью плотностей газа или жидкости в различных точках объема, которая возникает вследствие разности температур в этих точках.
б) Вынужденная конвекция – происходит при принужденном движении всего объема газа или жидкости.
3. Излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.
На практике передача тепла осуществляется комбинированно.
Теплоотдача – передача тепла при теплообмене от горячей жидкой среды к стенке.
l- коэффициент теплопроводности;
[l]=[Вт/м·К]
α - коэффициент теплоотдачи
Передача тепла теплопроводностью.
Совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек, рассматриваемой среды, называется температурным полем.
grad t – вектор, направление которого совпадает с увеличением температуры. Значение grad t определяет наибольшую скорость изменения температуры данной точки температурного поля.
Поток тепла, за счет теплопроводности может возникнуть только при условии, что grad t ¹ 0.
Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье: «Количество тепла dQ, проходящее за время dτ через поверхность dF нормальную к направлению передачи тепла, пропорционально grad t.»
- закон Фурье для нестационарных процессов.
В случае стационарного процесса, когда :
- закон Фурье для стационарных процессов.
Обычно в расчетах принимают: ,
где q – плотность теплового потока.
- коэффициент теплопроводности,
[ ]=[Вт/м·К],
определяет скорость передачи тепла за счет теплопроводности, то есть количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности при толщине стенки 1 м и разности температур 10С.
Таблица – Коэффициент теплопроводности для различных веществ.
Вещество | ,Вт/м·К |
1.Металлы: Сталь углеродная Алюминий Медь | |
2.Неметаллы: Стекло Резина | 0,6-1 0,4 |
3.Жидкость Вода | 0,6 |
4.Газы: Воздух СО2 | 0,022 0,014 |
Для металлов увеличивается с увеличением температуры. Для большинства жидкостей уменьшается с увеличением температуры.
Теплопроводность плоской стенки.
Запишем уравнение Фурье для стационарного режима теплопередачи(в этом случае величина теплового потока постоянна).
Разделим переменные и проинтегрируем
- уравнение теплопроводности для одиночной плоской стенки при установившемся режиме.
При практических расчетах теплообменных аппаратов для снижения потерь тепла используют теплоизоляторы: асбест, шамот, кирпич, динас, пенопласт, стекловату, керамзит, опилки.