Теория и интенсификация тепловых процессов доклад

Обновлено: 07.07.2024

Для интенсификации или увеличения количества теплоты Q, переда­ваемой от горячей жидкости к холодной через стенки, необходимо увели­чивать коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур АТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Термическое сопротивление теплопроводности стенки R = S/Л стремится к нулю, так как у труб теплообменников толщина S мала, а коэффициент теплопроводности Я материалов (металлов) велик.

Следовательно, коэффициент теплопередачи k будет зависеть в ос­новном от коэффициентов теплоотдачи a1 и a2, а именно:

Аналитическое исследование предельного значения коэффициента теплопередачи показывает следующие закономерности:

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше любого из коэффици­ентов теплоотдачи: k

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше меньшего коэффици­ента теплоотдачи;

• быстрый рост коэффициента теплопередачи k наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи;

• при увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост ко­эффициента теплопередачи k вначале замедляется, а затем и вовсе пре­кращается.

На основании этих выводов формулируются правила интенсификации теплопередачи.

1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого: a1 > a2, то интенсифицировать теплопередачу не­обходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов теплоотдачи.

2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны: a1 & a2, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения обоих коэффициентов теплоотдачи.

3. Интенсификацию теплопередачи путем увеличения большего из коэффициентов теплоотдачи нельзя классифицировать как грамотное инженерное решение - оно всегда экономически невыгодно.

4. Если по физической природе или конструктивным особенностям нельзя увеличить меньший из коэффициентов теплоотдачи, то на поверх­ности теплопередающей системы со стороны этого меньшего коэффициен­та теплоотдачи устанавливают ребра (оребряют) и тем самым компенсиру­ют увеличение теплоотдачи более развитой поверхностью нагрева. На по­верхность плоской или цилиндрической системы можно плотно насадить (наклепать или приварить) прямоугольные или круглые пластины - ребра, а также цилиндрические или конические шипы. Коэффициент оребрения системы ф - отношение площади поверхности системы с ребрами к глад­кой поверхности.

Так, если коэффициент теплоотдачи жидкости a1 = 1000 Вт/(м2-К), ок­ружающей среды a2 = 10 Вт/(м2-К), то оребрение с коэффициентом ф = 25 со стороны меньшего a2 увеличивает к примерно в 20 раз.

5. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидкостей (масло, вода) может осуществляться также за счет снижения толщины пограничного ламинарного слоя и перехода движения жидкости к турбу­лентному режиму, что может достигаться путем увеличения скорости движения жидкости или принятия конструктивных решений (например, применить волнистые поверхности, шипы). Однако это приводит к допол­нительным гидравлическим сопротивлениям.

Для снижения коэффициента теплопередачи через конструкции необ­ходимо увеличить термическое сопротивление системы, что достигается путем нанесения на стенку слоя тепловой изоляции.

При этом возможны три крайних случая: 1); 2); 3). В первом случае процесс теплопередачи определяется условиями теплообмена между средой и внешней поверхностью стенки. Во втором и третьем случае, соответственно термическим сопротивлением стенки и теплоотдачей на внутренней поверхности стенки. Если термическое сопротивление стенки мало, то выражение для коэффициента теплопередачи упрощается… Читать ещё >

Пути интенсификации процесса теплопередачи ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

• Введение
• 1. Интенсификация теплопередачи путем повышения коэффициентов теплоотдачи
• 2. Методы увеличения коэффициента теплоотдачи
• 3. Интенсификация теплопередачи путем создания дискретной турбулизации потока в приграничной зоне
• 4. Применение ребристых поверхностей для интенсификации теплопередачи
  • 4. 1. Теплопроводность стержня постоянного поперечного сечения
  • 4. 2. Передача тепла через ребра

  При решении практических задач теплопередачи в одних случаях требуется интенсифицировать процесс, в других, наоборот, всячески тормозить. Возможности осуществления этих требований вытекают из закономерностей протекания основных методов передачи теплоты.

  Термическое сопротивление стенки можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала; теплоотдача соприкосновения может быть интенсифицирована путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения; при тепловом излучении путем повышения степени черноты и температуры излучающей поверхности.

  Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный. Правильное его решение может быть получено лишь на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

  1 Интенсификация теплопередачи путем повышения коэффициентов теплоотдачи

  Рассмотрим уравнение теплопередачи в общем виде:

  Из этого уравнения вытекает, что при заданной поверхности теплообмена, постоянной разности температур ускорить теплопередачу можно за счет увеличения коэффициента теплопередачи .

  Запишем выражение для коэффициента теплопередачи для плоской стенки:

  где — частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя; - частное термическое сопротивление теплопроводности (стенки); - частное термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя [3, стр. 212−214] [14, "https://referat.bookap.info"].

  При этом возможны три крайних случая: 1); 2); 3). В первом случае процесс теплопередачи определяется условиями теплообмена между средой и внешней поверхностью стенки. Во втором и третьем случае, соответственно термическим сопротивлением стенки и теплоотдачей на внутренней поверхности стенки. Если термическое сопротивление стенки мало,, то выражение для коэффициента теплопередачи упрощается:

  Из уравнения (2) вытекает, что коэффициент теплопередачи всегда меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи. Действительно, если, то приближается к и наоборот. Итак, для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи. То есть, если, то для повышения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать. Эффективность теплопередачи в случае повышения коэффициента теплоотдачи будет иметь место пока будет выполняться условие. Если коэффициенты теплоотдачи имеют один и тот же порядок величин, то для усиления теплопередачи необходимо увеличивать какой-либо коэффициент теплоотдачи (или) либо оба.

  На рисунке 1 показана зависимость согласно формулы (2).

  Рисунок 1 График зависимости

  2 Методы увеличения коэффициента теплоотдачи

  В общем случае коэффициент конвективной теплоотдачи определяется главным образом следующими параметрами:

  1. Геометрическими, а именно, геометрической формой и размерами пространства, в котором протекает теплоотдача;

  2. Физическими, к которым относятся теплофизические свойства среды, в частности, коэффициенты теплопроводности, температуропровод-ности и кинематической вязкости, теплоемкость, плотность и т. п. ;

  3. Гидродинамическими, к которым можно отнести скорость, режим движения среды и прочие.

  Кроме приведенных параметров, на величину теплоотдачи существенно влияет и температура среды. Особенно это касается капельной жидкости, для которой характерно сильное влияние температуры на ее теплофизические свойства. Зависимость коэффициента теплоотачи от параметров в неявной форме можно представить так:

  В уравнении (3) параметры представляют геометрические условия, — физические и — гидродинамические.

  Для регулирования процесса конвективного переноса тепла следует отметить, что инженер ограничен в выборе геометрических и физических условий. Как правило, конструкция теплообменного аппарата уже известна: стоит задача повышения его тепловой производительности. Существуют определенные ограничения при выборе теплоносителей, которые связаны с технологическими и экономическими требованиями. В теплогенераторных устройствах, системах теплоснабжения и горячего водоснабжения самое большое распространение, как теплоносители, добились вода, воздух, водяной пар и дымовые газы [2, стр. 169−171].

  Тепловые процессы – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность тепловых процессов зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

  Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

  Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах ее можно наблюдать визуально.

  Тепловое излучение – электромагнитное излучение со сплошным спектром, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, возникающей за счёт внешних источников энергии).

  Конвекция (от лат. convectio – принесение, доставка) – явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества (неважно, вынужденно или самопроизвольно). Существует т. н. естественная конвекция , которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

  Конкретная задача нагревания или охлаждения продукта может быть решена с помощью различных теплообменников.

  Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта; это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процесса, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

  Вторым требованием является высокая эффективность (производительность) и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении следующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение рабочих сред (обычно лучше противоток); обеспечение оптимальных условий для отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве); достижение соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки поверхности нагрева; предотвращение возможности загрязнения и легкая чистка поверхности нагрева, микробиологическая чистота и др.

  Существенными требованиями являются также компактность, малая масса, простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки зрения оказывают влияние следующие факторы; конфигурация поверхности нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и тип перегородок, уплотнений; устройство камер, коробок, днищ; габаритные размеры аппарата и др.

  Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных деформаций, прочность и плотность разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

  Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

  Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения. Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству – трубчатый теплообменник жесткой конструкции (к подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без подвижных трубных решеток.

  Ребристые аппараты следует применять, если условия теплоотдачи между рабочими средами и стенкой с обеих сторон поверхности нагрева существенно отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.

  Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях:

  а) уменьшение толщины гидродинамического пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого вида воздействия; это достигается, например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок;

  б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом обогреве;

  в) создание благоприятных условий для обтекания рабочими телами поверхности нагрева, при которых вся поверхность активно участвует в теплообмене;

  г) обеспечение оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур, дополнительных термических сопротивлении и т. д.

  Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплообмена в зависимости от типа теплообменника и характера рабочих тел. Так, например, в жидкостных теплообменниках поперечные перегородки имеет смысл устанавливать только при нескольких ходах в трубном пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; поперечные перегородки будут мешать стеканию конденсата.

  При теплообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка перегородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно загрязненных жидкостей, при которых вследствие нарастания слоя загрязнений на трубках решающее влияние на коэффициент теплопередачи оказывает коэффициент теплопроводности.

  Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппаратуры пищевых производств. При этом широко используются положительные эффекты в интенсификации теплообмена, обнаруженные и исследованные в других областях химической техники и энергетики. За последние годы выполнен ряд работ по промышленному испытанию активных "режимных" методов интенсификации теплообмена в аппаратах химических и пищевых производств (И. М. Федоткин, КТИПП). К ним относятся изменение режимных характеристик течения, дополнительная турбулизация потока за счет пульсации, вдувания воздуха и др. Намечены пути комплексной интенсификации теплообмена, достигаемой при совместном воздействии различных эффектов. Ведется ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева компактных теплообменников, эффективность которых оценивается промышленными данными о связи теплоотдачи с гидродинамическим сопротивлением. Найдены способы передачи значительных тепловых потоков между рабочими средами с помощью тепловых труб, аналогичных по способу действия греющим трубкам хлебопекарных печей (трубкам Перкинса).

  Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой, конструктивный, гидравлический, прочностный и технико-экономический расчеты, которые обычно выполняются в нескольких вариантах. Оценка выбранного варианта производится по одному из признаков оптимальности: коэффициенту полезного действия, технико-экономическому критерию оптимальности и др.

  Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения теплопередачи для конкретных условий работы теплообменника: данных рабочих сред, конструктивных размеров элементов теплопередающей поверхности, заданных пределов изменения температур и схеме относительного движения теплоносителей. Решением является совокупность правил (алгоритм), однозначно приводящих от исходных данных к результату – значению площади поверхности теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на выходе из аппарата при проверочном расчете.

  Вследствие влияния многочисленных факторов и различия в исходных данных общее решение, пригодное для любого теплообменника, отсутствует. Однако существует несколько простых методов приближенного расчета, отличающихся различными допущениями, легко реализуемых при ручном и машинном счете, среди них наиболее доступны методы расчета Грасгофа, Колбэрна, А. П. Клименко и Г. Е. Каневца (Институт газа АН Украины).

  1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроения, 2000.

  2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 2003.

  3. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М: Высшая школа, 2001.

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

  
  

  Слайд 1
  

  ФГБУ ВПО ,,АГТУ,, Каф. ,,Теплоэнергетика,, Лекция №5 ‹‹Интенсификация теплопередачи›› по дисциплине ,,Тепломассобмен,,

  
  

  Слайд 2
  

  Интенсификация теплопередачи путем увеличения коэффициентов теплоотдачи Из уравнения теплопередачи: Q=kF∆t следует, что при заданных размера стенки и температурах жидкостей, величиной, определяющей теплопередачу, является коэффициент k. Так как теплопередача – явление сложное, то правильное решение можно найти только на основе анализа частных составляющих, характеризующих процесс. Так, например, для плоской стенки: то при δ/λ →0 (например, для тонких стенок с большим λ) : (1) Из (1) => ,что k’ не может быть больше самого малого α. При α2 →∞, k’ стремится к своему предельному значению α1. При α1 →∞; k’→α2 .

  
  

  Слайд 3
  

  Примеры: №1 α1 = 40 , α2 = 5000 Вт/м2 ∙К => k1’ = 37,7 Вт/м2∙К №2 α1 = 40 , α2 = 10000 Вт/м2∙К => k2’ = 39,8 Вт/м2∙К Вывод: при повышении и так большого α2 => k’ = const. => надо увеличить коэффициент α1 а не α2! №3 α1 = 80 , α2 = 5000 Вт/м2 ∙К => k3’ = 78,8 Вт/м2∙К №4 α1 = 200 , α2 = 5000 Вт/м2 ∙К => k4’ = 192 Вт/м2∙К Из рассмотренных примеров видно, что при α1

  
  

  Слайд 4
  

  Интенсификация теплопередачи путем оребрения стенок Если увеличить наименьший α не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего α. Рассмотрим плоскую стенку толщиной δ с ребрами на одной стороне. Стенка и ребра выполнены из одного материала с коэф. λ . F1 – площадь гладкой поверхности F2 − площадь поверхности ребер и поверхности стенки между ребер При установившемся тепловом режиме передаваемый тепловой поток можно выразить тремя

  
  

  Слайд 5
  

  
  

  Слайд 6
  

  Теплопроводность круглого ребра постоянной толщины Ребра , имеющие переменное поперечное сечение по высоте, рассчитываются значительно сложнее, чем прямые ребра постоянного сечения. Рассмотрим расчет теплопроводности круглого ребра постоянно толщины, которые применяют при оребрении цилиндрических поверхностей (труб). Заданы: внутренний радиус ребра r1 наружный радиус ребра r2 толщина ребра S, и коэф. λ температура среды tж = const Избыточная температура ребра

  
  

  Слайд 7
  

  
  

  Слайд 8
  

  
  

  Слайд 9
  

  
  

  Слайд 10
  

  Читайте также:

    
  • Диспозиционная теория личности доклад
    
  • Доклад электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования
    
  • Предельная норма технологического замещения доклад
    
  • Русский язык в российской федерации доклад
    
  • История на карте доклад 2 класс