Основные законы тепломассообмена реферат

Обновлено: 08.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Министерство образования и науки Украины

Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова

Тепломассообмен при испарении и горении капель жидких топлив

зав. кафедры теплофизики

студента IV курса физического факультета

Карабаджака Н.П.

профессор Калинчак В.В.

Определение скорости испарения (горения) капли

Влияние влажности на горение капли углеводородных топлив

Критическое условие воспламенения капли

Анализ зависимости критического условия

гистерезис горения. срыв пламени

Горение в потоке воздуха

Управление процессом горения диспергированных жидких топлив в потоке путём изменения физико-химических характеристик потока представляет одно из перспективных направлений в теплоэнергетике. Такое управление с одной стороны позволяет регулировать скорость в критические условия горения капель жидких топлив с учётом особенностей камер сгорания и условий их эксплуатации. С другой стороны – увеличить тепловыделение за счёт догорания угарного газа СО до углекислого СО₂, что в свою очередь позволяет решать очень актуальные задачи охраны окружающей среды. Задача интесификации процесса горения жидкого топлива, а, следовательно, получения максимального К.П.Д. решается двумя путями. Первый путь – изменение качественного состава топлива, достигается введением в жидкость различных добавок; второй связан с возможностью увеличения К.П.Д. благодаря увеличению процесса смесеобразования и изменению качественного состава газовой среды, в которой происходит горение жидкого топлива. Из литературы известно, что наличие паров воды в газовой фазе ускоряет протекание химических реакций углеводородов.

Задание величин скорости горения, скорости срыва пламени с капель жидких топлив и константы горения взависимости от относительного содержания кислорода и водяного пара в потоке, представляет несомненный интерес для решения вопросов об интесификации процесса горения жидкого топлива и следовательно получения максимального К.П.Д.

Определение скорости испарения (горения) капли.

1.1 Обзор литературы

Аналитическое рассмотрение процесса горения капли жидкого топлива основывается на учёте взаимного влияния факторов, определяющих химическую кинетику, тепломассообмен, испарение и другие явления, сопровождающие горение и обусловленные им. Очевидно, построение полной теоретической схемы процесса горения связано с преодолением чрезвычайно больших трудностей. Поэтому в теоретических работах рассматриваются идеализированные схемы с использованием ряда упрощающих предпосылок. Теория диффузионного горения одиночной капли топлива была впервые создана Г.А.Варшавским в 1945 году. Теории горения капли, созданные за рубежом, Сполдингом, Голдсмитом иПиннером[1,2], основаны на более упрощённых предпосылках, например, не учитывают зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры. В последнее время появилось большое число работ, в которых учитывается конечность скорости химической реакции.

1.2 Кинетика горения

Основу диффузионной теории составляют следующие предпосылки:

1. Процесс рассматривается как квазистационарный,. Это значит, что не учитывается изменение полей температур и концентраций компонент газовой среды по мере выгорания капли.

2. Предполагается, что кинетическое сопротивление горению ничтожно по сравнению с диффузионным, т.е. скорость химического превращения намного больше скорости подвода компонентов реакции к зоне горения.

3. Поля температур и концентраций симметричны. Из этого следует, что горение происходит в очень узком слое, практически на поверхности. Состав смеси на этой поверхности должен соответствовать стехиометрии. Для чисто диффузного процесса концентрация кислорода и паров топлива должны быть нулевыми.

После попадания капли в нагретый поток окислителя происходит её прогрев, испарение, диффузия паров и химическая реакция. Оценка времени прогрева до равновесной температуры показывает, что эта величина значительно меньше полного времени испарения капли. Через это время концентрация паров на поверхности капли, и её температура устанавливаются и далее не меняются. Поэтому для теоретического описания явления испарения (горения) воспользуемся квазистационарной (равновесной) моделью испарения в приближении пленки, на границе которой температура равна температуре среды, значительно большей, чем равновесная температура капли. Следует учесть, при высоких температурах окислительной среды перенос тепла и массы стефановским потоком, скорость которого

- молярная масса соответственно паров и окислителя.

В уравнениях (1.2) – (1.5) приняты следующие обозначения:

- относительная массовая концентрации окислителя и паров; - скорость реакции, определяемая изменением массовой концентрации окислителя и паров, - коэффициент теплопроводности газа.

Уравнения (1.2) и (1.3) дополним граничными условиями. На поверхности капли г=г_к; Т(г=г_к)= Т_к; концентрация паров является насыщенной и зависит от Т_к по формуле Клаузиуса-Клапейрона

- молярная масса воздуха (газа); ок На поверхности приведенной пленки r=r_пл; T(r=r_пл)= _г. Поток энтальпии на поверхности капли расходуется на ее парообразование. То есть граничное условие, позволяющее определить массовую скорость испарения, имеет вид

Принимая, что концентрация окислителя на поверхности капли , (1.13)

позволяющие оценить J и

порядка 10 -4 м 2 /сек (того же порядка, что и для керосина). Константы испарения для изооктана приведены в табл. 1.

Константы испарения для различных топлив при горении в

1.3 Влияние влажности на горение капли углеводородных топлив

Большое количество работ посвящено исследованию горения водоэмульсионных топлив. Основной задачей является уменьшение токсичности отработанных газов и уменьшение загрязнения окружающей среды.

Теоретическими расчётами и экспериментально установлено, что эффективность использования воды для снижения концентрации загрязнений в выхлопных газах двигателей зависит от способа введения воды и от типа двигателя. В частности спрыск в камеру сгорания эмульсии вода - жидкое топливо, приводит к снижению на 95% концентрации NO_x и выхлопных газов, существенному снижению количества выбрасываемой сажи и снижению температуры выхлопных газов, что позволяет повысить мощность двигателя на 20%. Найденная оптимальная концентрация воды в водно-топливных эмульсиях составляет 10-20%.

Экспериментально исследовано влияние дисперсности воды на процесс горения капель эмульсий. Показано различие в закономерностях горения капель и влияние дисперсности воды на время сгорания капель.

Влияние воды имеет физическую, а не химическую природу: вода приводит к вторичному дроблению капель горючего в камере сгорания, способствуя значительному увеличению размера капель горючего и увеличению полноты сгорания. Обсуждался кинетический механизм воздействия воды и возможные пути улучшения смесеобразования и сгорания при использовании водно-топливных эмульсий.

Гораздо меньше работ посвящено исследованию горения углеводо-родных топлив во влажном окислителе. Разработана числовая модель для изучения переходного состояния процессов физического испарения капли, воспламенения и диффузионного горения. Считается, что капля состоит из водного ядра, окружённого жидкой топливной оболочкой. На стадиях физического испарения и диффузионного горения возможно рассмотрение квазистационарного процесса. На стадии диффузионного горения рассмотрены случаи, когда температура водного ядра превышает температуру кипения до тех пор, пока полностью не испарится топливо.

Изучено воздействие водяного пара на температуру пламени, скорость сгорания. Установлено, что введение водяного пара приводит к некоторому снижению температуры пламени и скорости сгорания топлив. Введение водяного пара приводит к значительному ингибированию образования C и CO при одновременном повышении тепловыделения, что связано с тем, что подача воды увеличивает концентрацию OH-радикалов, которые реагируют с CO и C, образуя CO₂ и H₂.

Изучен процесс сгорания тяжёлого нефтяного топлива с использованием впрыска в камеру сгорания водного пара. В зависимости от температуры и характера насыщения смеси водяным паром, определяющих соотношения влаги и воздуха в смеси, подаваемой в зону горения, рассмотрены 3 типа сгорания топлива: нормальное влажное, неполное влажное и переувлажнённое. Подчёркнуто, что для обеспечения максимальной эффективности от впрыска воды необходимо правильно устанавливать соотношение между водой и воздухом в смеси, поскольку от него зависит количество воздуха, необходимого для полного выжигания пористых коксовых остатков у зоны горения.

Как видно из обзора литературы, экспериментаторы в основном исследовали влияние воды на характеристики горения, непосредственно смешивая топливо с водой. Но существует и другой способ введения воды в зону химической реакции – горение топлива во влажном окислителе. Для построения модели горения совокупности капель в камере сгорания, необходимо горение одиночной капли.

Критическое условие воспламенения капли.

2.1 Метод Зельдовича

Для вывода критического воспламенения воспользуемся методом Зельдовича Я.Б. Разделим область r_к 2,3 критерий воспламенения капли представляется в виде

При этом физический смысл const не расшифровывается.

Полагая, что r_к/r_в ? r_к/r_пл и используя (2.8), (2.9), (2.10), критическое условие воспламенения капли представим в виде, аналогичном условию зажигания газовой смеси накаленным телом

2.2 Анализ зависимости критического условия

В отличие от (2.14) в (2.15) содержится информация об испарении. Для жидкости, у которой величина L/c_п больше, температура воспламенения должна быть при постоянных других свойствах. Наиболее чувствительна температура воспламенения к энергии активации. Так у ацетона энергия активации больше (Е_ац/Е_сп=1.31) а величина L/c_п меньше чем у этилового спирта (L/c_п)_ац/(L/c_п)_сп = 0.72. В итоге температура воспламенения у ацетона выше, чем у этилового спирта, так как величина L/c_п входит под знак логарифма. С увеличением скорости потока температура воспламенения увеличивается , а с ростом радиуса капли уменьшается. Это объясняется тем, что рост скорости потока приводит к увеличению теплоотвода из зоны химической реакции. Увеличение же размеров капли в результате приводит к увеличению мощности тепловыделения. Поэтому воспламенение капли большего диаметра происходит при меньшей температуре газа.

гистерезис горения. срыв пламени

3.1. Горение в потоке воздуха.

Горение жидкой поверхности в движущемся воздушном потоке обстоятельно изучалось Сполдингом[2]. Опыты проводились на горелках с рециркуляцией, в которых топливо (в большинстве случаев керосин) омывало поверхность горелки и снова собиралось. Использовались горелки с вертикальной плоской пластинкой и сферические горелки (последние воспроизводили каплю жидкого топлива). Изменение расхода топлива позволяло изменять количество тепла, поглощаемого топливом. Размеры горелок были таковы, что приходилось учитывать влияние естественной конвекции. Сполдинг [2] проводил также опыты по горению на шарике при вынужденной конвекции.

Не приводя окончательного вывода, Сполдинг [2] предлагает следующее уравнение, выраженное через безразмерные параметры, для горения на вертикальной плоской пластинке при ламинарной естественной

равна примерно 0,769 ln(1 + , (3.3)

где Н — коэффициент теплопередачи, определяемый экспериментальным путем в отсутствие горения или диффузии.

Уравнение (3.3) напоминает уравнение (8а), которое, будучи написано для скорости горения на единицу поверхности, принимает вид

ГОСТ

Теоретические положения современной теории тепломассообмена были сформулированы еще много лет назад Ломоносовым и Ползуновым.

Тепломассообмен в зданиях и сооружениях

Вопросы теплообмена в зданиях, в помещениях с постоянным или временным пребыванием людей очень важны, поскольку напрямую связаны с микроклиматом и комфортом. Движущей силой тепломассообмена будет являться разница температур между внутренним и наружным воздухом, более и менее нагретой средой.

В связи с этим необходимо разобраться в следующих понятиях:

энергия — это основное рассматриваемое в тепломассообмене понятие, это количественная мера движения. измеряемая в джоулях. Она делится на внешнюю (количественная мера, зависящая от системы координат) и внутреннюю (количественная мера движений, измеряемая внутри тела),
температура в данном случае — это статический параметр, который может применяться для систем, состоящих из большого, но конечного числа частиц, пропорциональной средней кинетической энергии частиц, находящихся в хаотическом движении. Энергия зависит от температуры;
теплота — это форма энергообмена, при которой энергия передается за счет разницы в температуре;
тепловое излучение, которое понимается как процесс распространения энергии путем электромагнитных волн, и подразумевает двойное превращение энергии (из тепловой в лучистую, а затем из лучистой а тепловую.

Рисунок 1. Основные понятия тепломассообмена. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Перенос энергии, массы или заряда может осуществляться за счет макроскопического переноса субстанции или микроскопического переноса субстанции, при этом под субстанцией понимается совокупность частиц и элементов, к которым могут быть применимы законы сохранения. Примером микроскопического переноса является теплопроводность. Примером макроскопического переноса называется конвекция, при которой теплота некоторого объем жидкости или газа из одной области с одной температурой переносится при перемещении этого объема в другую область. Конвекция может быть свободной, вынужденной или естественной.

Теплообмен – это обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами.

Готовые работы на аналогичную тему

Также стоит подробнее остановится на категории теплопередача, которая понимается как процесс переноса теплоты между теплоносителями через разделяющую их стену. Под температурным полем понимается совокупность значений температур во всех точках пространства, которое изучается. Температурное поле может быть стационарным или нестационарным, одномерным, двухмерным и трехмерным.

Основные положения тепломассообмена

Рассматривая вопросы создания комфортных и оптимальных гигиенический условий в помещении конструкции и материалы оцениваются с точки зрения теплопроводности. К примеру, в самом простом из вариантов рассматривается однослойная плоская стена, для которой заданы температуры на наружной и внутренней поверхностях. В рассматриваемом случае стена из однородного заданного материала работает как решето, пропуская определённый тепловой потом и можно вычислить, чем равен общий поток через заданную площадь и количество теплоты за промежуток времени. Задача может усложниться за счет оценки многослойных конструкций. В таком случае температура в пределах каждого слоя также будет изменяться линейно, но целом температурное поле будет показано как ломанная линия.

Рисунок 2. Теплообмен в однослойной конструкции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Опираясь на теорию тепломассообмена могут решаться также следующие задачи:

теплопроводность через однослойную конструкцию, стену или перекрытие;
теплопроводность через многослойную конструкцию;
уравнение конвективного теплообмена;
стационарная теплопередача через оребренную стенку;
теплопоступления в помещение;
расчет теплопотерь.

Из закона сохранения энергии следует, что кинетическая энергия при определенных условиях переходит в энергию потенциальную.

Основные положения тепломассообмена используются в проектировании для расчет ограждающих конструкций и выбора оптимальных решений, позволяющих создать комфортный микроклимат внутри помещений, избегая огромных теплопотерь. Эта тема заиграла новыми краска в ракурсе устойчивого развития, точные расчеты позволяют выбрать оптимальные решения, которые сократят потери энергии и позволять зданию работать более эффективно.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 09 12 2021

Сергей Васильевич Карпенко

Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.

Изучение процессов тепломассообмена является одним из основных направлений современных инженерных исследований. Повышенный интерес к данной теме обусловлен тем, что практически все процессы в той или иной степени связаны с изменением температурного состояния и переносом теплоты, что является одной из важнейших технических задач. Теплопередача является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены еще М. В. Ломоносовым в середине XVIII в., создавшим механическую теорию теплоты и основы сохранения и превращения материи и энергии. Окончательное учение о теплоте – теория тепломассообмена сформировалось в самостоятельную научную дисциплину лишь в начале XX в.

При наличии в некоторой среде неоднородного поля температур в ней происходит процесс переноса тепла. В соответствии со вторым началом термодинамики этот перенос осуществляется (из области с большей температурой в область с меньшей). Точно так же при наличии в среде неоднородного поля концентраций некоторого i-го компонента смеси происходит процесс переноса массы этой примеси. Этот перенос также происходит в направлении равномерного распределения концентрации. Процессы переноса тепла и массы (тепло- и массообмен) могут осуществляться за счет различных механизмов. За счет хаотического теплового движения или тепловых колебаний микрочастиц (кондуктивный механизм) осуществляется молекулярный (микроскопический) перенос тепла (теплопроводность) или массы представляющей собой молекулярную диффузию (конвективный механизм).[6]

Тепломассообмен, в отличие от термодинамики для которой характерны стационарные задачи, рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. Расчёт процессов тепломассообмена позволяет определить распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы среды как функции координат и времени.

Процессы тепло и массообмена встречаются во многих технических системах: в помещениях, в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в котельных установках, тепловых сетях, различном теплообменном оборудовании электростанций и т. д. Эти процессы могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении агрегатного состояния рабочих сред и без него. В зависимости от этого процессы тепло- и массообмена протекают по-разному и описываются различными уравнениями. [10]

Целью исследования данной темы является изучение истории теории развития тепломассобмена для получения и углубления знаний в данной области и создание фундаментальных основ для углубленного усвоения и изучения теории тепломассобмена.

История развития теории темпломассообмена.

Теплота используется во всех областях деятельности человека с древних времен. Первое техническое использование силы пары приписывается Архимеду, который, по словам Леонардо да Винчи изобрел паровую пушку.

1. Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде.

2. Теплопроводность: температурное поле; гипотеза Био-Фурье; краевая задача и условия однозначности; частные случаи теплопроводности; стационарный теплообмен.

3. Стационарная теплопроводность многослойной плоской стенки (граничные условия первого рода). Термическое сопротивление.

4. Стационарная теплопроводность многослойной цилиндрической стенки (граничные условия первого рода). Термическое сопротивление.

5. Стационарная теплопередача через многослойную плоскую стенку (граничные условия третьего рода). Термическое сопротивление.

6. Методы интенсификации теплопередачи. Оребрение поверхностей: степень эффективности, приведенный коэффициент теплоотдачи и термическое сопротивление.

7. Задачи и методы теории подобия. Числа подобия и критериальные уравнения. Инженерный расчет теплоотдачи.

8. Особенности теплообмена при течении в каналах. Стабилизированная теплоотдача для различных режимов течения.

9. Теплоотдача и сопротивление при поперечном обтекании пучка гладких (оребренных) труб.

10. Теплообменные аппараты: модели теплообмена при рекуперации и смешивании. Конструктивный расчет рекуператоров.

1. Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде.

Тепломассообмен (теплопередача) – наука, которая изучает самопроизвольные неравновесные (необратимые) процессы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде (пространстве), которые сопровождаются диссипацией энергии, с неоднородным полем температуры.

Теплота – форма обмена энергией при наличии разности температур между телами.

Импульс (количество движения) – форма механической энергии (по всему потоку происходит вырождение скоростей).

Вещество – компонент или фаза с определенными свойствами за счет молекулярной диффузии.

Теплоноситель – движущаяся среда, используемая для переноса теплоты.

Причиной переноса всегда является разность потенциалов (разность температур, скоростей, концентраций).

В соответствии с термодинамикой любая система стремится к равновесию (к выравниванию параметров). Этот процесс релаксации сопровождается диссипацией энергии (рассеивание, обесценивание). Чем больше разность потенциалов, тем больше диссипация.

Диссипация энергии – это необратимое преобразование кинетической энергии в теплоту, обусловленное работой сил вязкого трения.

Теплообмен – процесс переноса (распространения) тепла (энергии) за счёт теплового движения микрочастиц или вещества в целом, который возникает лишь при наличии разности температур. Тепловые процессы необратимы (самопроизвольны).

Основной задачей теории теплообмена является установление взаимосвязи между полем температуры и тепловым потоком.

Различают следующие виды (механизмы) теплообмена (переноса энергии в форме тепла):

–Теплопроводность (кондукция) – процесс переноса тепла в сплошной среде (в газах, неподвижных жидкостях, твёрдых телах) при неравномерном распределении температуры в них за счёт непосредственного соприкосновения отдельных частиц (или их ансамблей), имеющих различные температуры (молекулярный перенос тепла), что приводит к обмену энергией между этими частицами.

– Конвекция–процесс переноса тепла при перемещении объёмов газов или жидкостей в неизотермическом пространстве, возможна только в текущей среде.

Естественная (тепловая гравитационная) конвекция – теплообмен от нагретого тела в окружающую среду.

Теплообмен между движущейся жидкостью или газом и обтекаемой поверхностью твёрдого тела, называется конвективным теплообменом.

Теплопередача – процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку.

Контактный теплообмен – теплообмен между двумя соприкасающимися твёрдыми телами.

– Тепловое излучение (тепловая радиация) – процесс распространения тепла фотонным механизмом или путём электромагнитных волн (поля).

– комбинированный теплообмен – одновременно принимают участие несколько механизмов переноса тепла (радиационно-кондуктивный, радиационно-конвективный, конвективный + естественная конвекция).

В чистом виде эти три механизма могут встречаться нечасто, чаще они протекают совместно, причем вклад каждого механизма будет разным.

В чистом виде, например, перенос теплоты через твердое тело происходит только за счет теплопроводности (область температур до ). Тепловое излучение в области умеренных температур проходит только через газовый слой или через слой вакуума.

Через капельную жидкость тепловое излучение, как правило, не проходит.

Теплопроводность (кондукция) – процесс переноса тепла в сплошной среде (в газах, неподвижных жидкостях, твёрдых телах) при неравномерном распределении температуры в них за счёт непосредственного соприкосновения отдельных частиц (или их ансамблей), имеющих различные температуры (молекулярный перенос тепла), что приводит к обмену энергией между этими частицами.

В чистом виде, например, перенос теплоты через твердое тело происходит только за счет теплопроводности (область температур до ).

Совокупность значений некоторой величины во всех точках рассматриваемого пространства называется полем рассматриваемого пространства. В соответствии с этим существуют поля температур, скорости, плотности и т. д.

Температура в теле может изменяться в направлении трёх осей координат Таким образом, существуют одно-, дво- и трёхмерные поля температур.

В каждой точке среды существует определенное значение температуры, скорости, давления, концентрации и т. д.:

Это значит, что необходимо применить гипотезу локального термодинамического равновесия.

Если температурное поле изменяется во времени, то оно называется нестационарным (неустановившимся), а если же температурное поле не изменяется во времени

то оно называется стационарным (установившимся).

Теплопроводность более точно описывается гипотезой Био-Фурье.

Если температурное поле стационарно, то семейство изотермических линий или поверхностей остаётся стабильным (не зависит от времени).

Читайте также: