Тепломассообмен. Сложный теплообмен -2 презентация

План
1. Теплопередача.
2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода.
3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода.
4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода.
5. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода.
6. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода.

1. Теплопередача
Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через однослойную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей.
Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверхностью тела (или стенкой) и обтекающей эту поверхность жидкой или газообразной средой.

Примеры теплопередачи
Передача теплоты от горячей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных батарей центрального отопления.
Передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных туб в паровых котлах.
Передача теплоты от конденсирующего пара к воде через стенки труб конденсатора.

Примеры теплопередачи
Передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материалов с высокой теплопроводностью.
Когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка должна быть изолятором и изготавливается из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.

Стенки бывают самой разнообразной формы:
в виде плоских или ребристых листов;
в виде пучка цилиндрических, ребристых или игольчатых труб;
в виде шаровых поверхностей и т. п.

Теплопередача – это очень сложный процесс, в котором теплота передается всеми способами:
теплопроводностью;
конвекцией;
излучением.

При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Первое звено – перенос теплоты конвекцией от горячего теплоносителя к стенке. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и часто – излучением.

При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Второе звено – перенос теплоты теплопроводностью через стенку. При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах.

При наличии стенки процесс теплопередачи складывается из трех звеньев.
Третье звено – перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопроводностью и часто излучением.

Теплоотдача от газов к поверхности нагрева (конвекцией и излучением)
Теплопроводность стенки
Теплоотдача от стенки к кипящей воде (конвекцией)
Схема процесса теплообмена

2. Передача теплоты через однослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода

Тепловой поток, переданной горячим теплоносителем стенке путем конвективного теплообмена, определяется по уравнению Ньютона – Рихмана:
где α1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя с постоянной температурой tж1 к поверхности стенки, учитывающий все виды теплообмена;
F – площадь поверхности плоской стенки.

Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется уравнением:

Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю, определяется по формуле конвективного теплообмена Ньютона – Рихмана:
где α2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю с постоянной температурой tж2.

Во всех уравнениях тепловой поток Q одинаковый.
Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном режиме, столько же она и отдает.

Коэффициент теплопередачи.
Термическое сопротивление

Решая три уравнения переноса теплоты относительно разности температур, имеем:

Складывая полученные равенства, для теплового потока получим

Для плотности теплового потока
Величина
называется коэффициентом теплопередачи.

Числовое значение коэффициента теплопередачи выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.
тепловой поток
Удельный тепловой поток

Уравнение
называют уравнением теплопередачи.
Для определения коэффициента теплопередачи κ требуется предварительное определение коэффициентов теплоотдачи α1 и α2, которые в большинстве случаев являются величинами сложными.

Коэффициенты теплоотдачи учитывают передачи теплоты конвекцией и излучением:
Значение коэффициента теплопередачи κ всегда меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи α.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением R.

Общее термическое сопротивление через однослойную стенку определяется по формуле:
и – внешние термические сопротивления.
– внутреннее термическое сопротивление стенки.

3. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III–го рода

В случае передачи теплоты через многослойную плоскую стенку в знаменателе нужно учитывать сумму всех термических сопротивлений слоев:

Коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку
Общее термическое сопротивление через многослойную стенку

Температуры на поверхностях плоской стенки определяем по формулам:

При известных коэффициентах теплоотдачи и теплопередачи температуры поверхностей плоской стенки можно найти из следующих формул:

4. Передача теплоты через однослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода
Через цилиндрическую однородную стенку переносится теплота при стационарном режиме от горячего теплоносителя с постоянной температурой tж1 и коэффициентом теплоотдачи α1 к холодному теплоносителю с постоянной температурой tж2 и коэффициентом теплоотдачи α2.

Запишем уравнения для теплового потока:

Линейный коэффициент теплопередачи
Решая эти уравнения относительно разности температур и складывая их, получим:

где
называется линейным коэффициентом теплопередачи.
Числовое значение линейного коэффициента теплопередачи цилиндрической стенки выражает количество теплоты, проходящей через 1 м трубы в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.

Плотность теплового потока, проходящего через цилиндрическую стенку,
Для теплового потока можно записать уравнение в следующем виде:

5. Передача теплоты через многослойную цилиндрическую стенку при граничных условиях III–го рода

Тепловой поток при переносе теплоты через многослойную цилиндрическую стенку, имеющую n слоев определяется по формуле:

Плотность теплового потока, отнесенная к внутренней или наружной поверхности, определяется по следующим уравнениям:

Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи называется общим линейным термическим сопротивлением R через цилиндрическую стенку.
Общее линейное термическое сопротивление через многослойную цилиндрическую стенку определяем по формуле:

и – внешние термические
сопротивления.
– внутреннее термическое
сопротивление стенки.

Температуру внутренней поверхности в градусах Цельсия определяем по формуле:
Температуру наружной поверхности в градусах Цельсия определяем по формуле:

6. Передача теплоты через шаровую стенку при граничных условиях III–го рода

При граничных условиях третьего рода для полого шара известны:
внутренний d1 и внешний d2 диаметры;
температура горячего теплоносителя внутри шара t1 и температура холодного теплоносителя t2;
коэффициент теплоотдачи от горячей жидкости к внутренней поверхности шара α1 и коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности шара к окружающей среде α2.

При стационарном режиме для всех изотермических поверхностей тепловой поток постоянный:

Решая три уравнения относительно разности температур и складывая их, находим тепловой поток:
или

Из уравнения для теплового потока определяем коэффициент теплопередачи для шаровой стенки: