Теплопередача

ТЕРМОДИНАМИКА,ТЕПЛОПЕРЕДАЧА,

ГИДРАВЛИКА

В.С.ЗВОНОВ

Санкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

Предмет: термодинамика, теплопередача, гидравлика

10 апреля, 20232014 г.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.

В.С.ЗВОНОВ


Предмет: термодинамика, теплопередача, гидравлика

10 апреля, 20232014 г.

Вопросы передачи теплоты, или теплового обмена, являются основными вопросами отопительной техники. Необходимым условием теплообмена между телами или веществами является наличие разности температур. Чем больше эта разность, тем интенсивнее происходит теплообмен.

Различают три вида передачи теплоты: а) теплопроводностью, или кондукцией; б) конвекцией, или переносом теплоты движущимися

частицами вещества; в) лучеиспусканием, или радиацией.В большинстве случаев в различных тепловых процессах

имеют место одновременно все три вида теплопередачи с преобладанием какого-либо из них.

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

Передача теплоты теплопроводностью.

Такая передача осуществляется при непосредственном соприкосновении каких-либо двух тел или веществ. Теплопередача происходит внутри самого тела или вещества, которое проводит теплоту. В отопительной технике теплопередача теплопроводностью играет большую роль.

Теплопроводность обусловлена различием температур отдельных частей тела, поэтому можно считать, что распространение теплоты неразрывно связано с распределением температуры. Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называют неустановившимся, или нестационарным. Если же температурное поле не меняется, его называют установившимся, или стационарным.

Передача теплоты теплопроводностью.

Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие о тепловом потоке.

Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность в направлении нормали к ней:

Тепловой поток измеряют в ваттах (Вт).

Если количество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени т, то получим величину

которую называют плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, и измеряют в Вт/м2.

Стационарный процесс распространения теплоты

через однородную плоскую однослойную стенку Из закона распространения теплоты путем

теплопроводности (закона Фурье) следует:

,где

W - количество переданной теплоты, Дж; λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); tсl - температура одной поверхности стенки, К; tсll - температура другой поверхности стенки, К; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м2;

τ - время, с.

Передача теплоты через плоскую стенку: а - однослойную; б - многослойную

Отсюда

т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м2) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.

Если обе части уравнения разделить на Ft, to получим

или

где δ/λ - термическое сопротивление теплопроводности.

Таким образом, плотность теплового потока q прямо пропорциональна разности температур на поверхностях стенки и обратно пропорциональна термическому сопротивлению теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения λ выбирают по соответствующим справочным таблицам.

Процесс передачи теплоты через многослойную стенку.

На рис. изображена плоская стенка, состоящая из трех слоев, указаны промежуточные температуры на границах этих слоев, а также толщина слоев и значения коэффициентов теплопроводности для каждого слоя. При стационарном режиме тепловой поток, проходящий через каждый отдельный слой, будет один и тот же. Тогда для каждого слоя в соответствии с формулой (6) можно записать:

Сложив правые и левые части этих уравнений, получим:

Следовательно, плотность теплового потока многослойной стенки

Процесс передачи теплоты через многослойную стенку.

Из записанных уравнений для трех разностей температур можно получить формулы для вычисления промежуточных температур. Например:

и

Тепловая изоляция

Теплоизоляционными называются материалы,Теплоизоляционными называются материалы, теплопроводность которых не превышает величины 0,25 Вт/(мК). ● ● Естественная изоляция (природная):Естественная изоляция (природная): асбест, слюда, пробка. ● ● Предварительно обработанная:Предварительно обработанная: асбослюда, шлаковата, стекловата, пенопласт, пеношлакобетон. Теплоизоляционные свойстваТеплоизоляционные свойства последним из перечисленных материалов придает наличие в них мелких воздушных пузырь- ков или прослоек воздуха. В них из-за малости размеров, конвекция отсутствует и теплота передается только теплопро- проводностью, порядок которой для воздуха при атмосферных условиях порядка 0,025 Вт/(мК), то есть на порядок ниже величины, приведенной выше для теплоизоляции.

Альфолевая изоляция

Воздух Стенка

АлюминиеваяАлюминиевая Пенопласт Пенопласт

фольгафольга

(альфоль)(альфоль) Стенка

Q

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ КОНВЕКЦИЕЙ.

Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, этот процесс называют конвективным теплообменом.

Теплоотдача конвекцией зависит от большого числа различных факторов:характера конвекции - конвекции свободной, происходящей под действием внутренних

сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил - ветра, насоса, вентилятора;

режима течения жидкости - течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без перемешивания (ламинарный режим) или течения при больших скоростях (течение неупорядоченное, вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, перемещающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим);

скорости движения теплоносителя;направления теплового потока (нагревание или охлаждение);физических свойств теплоносителя - коэффициента теплопроводности,

теплоемкости, плотности, вязкости, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;

площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;формы стенки, ее размеров и других факторов.

Конвективный теплообмен в однородной среде

Конвективный теплообмен – это совместный перенос теплотыКонвективный теплообмен – это совместный перенос теплоты

теплопроводностью и конвекцией.теплопроводностью и конвекцией. Конвекция может иметь место в жидкостях, газах и расплавленных металлах. Плотность конвективного теплового потока определяется

по уравнению Ньютона–Рихмана, Вт/мпо уравнению Ньютона–Рихмана, Вт/м22:: (1)

где - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м2К; - температуры стенки и жидкости, С; - разность температур между стенкой и жидкостью, К.

Различают свободную (естественную) конвекцию – движение Различают свободную (естественную) конвекцию – движение

жидкости из-за разности плотностей ее нагретых и холодных жидкости из-за разности плотностей ее нагретых и холодных

слоевслоев и вынужденную – под воздействием внешних сил (насоса - вынужденную – под воздействием внешних сил (насоса -

для жидкостей, вентилятора или компрессора – для газов.для жидкостей, вентилятора или компрессора – для газов.

( ) ,c ж c

q t t

,

с жt t

c

Cвободная (естественная) и вынужденная конвекции

Насос Насос

жидкость жидкость

Венти- Венти-

ляторлятор газ газ

( )ж f

t t

( )c w

t tQ

Q

Q

жw

жw

Расчет процесса конвективного теплообмена

На основе закона Ньютона :

где W - количество переданной теплоты, Дж; α - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2·К); F - площадь поверхности теплообмена, м2; t и tcl - температуры соответственно жидкости (газа) и стенки, К; т - время, с.

Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.

Разделив обе части уравнения на Ft, получим выражение для плотности теплового потока при теплоотдаче:

или

где 1/α - термическое сопротивление теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи а определяют опытным или аналитическим методом. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ ИЗЛУЧЕНИЕМ.

Все тела излучают электромагнитные волны. Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называют тепловым.

Лучистый поток - это энергия излучения, Дж, проходящая в единицу времени (1 с) через поверхность площадью F, м2, во всех направлениях пространства.

Излучение зависит от температуры тела: чем выше температура тела, тем интенсивнее испускание тепловых лучей.

Лучистый теплообмен

Процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн.

Все тела обладают способностью излучать энергию, поглощать энергию и превращать ее в тепловую.

Тепловое излучение имеет одинаковую природу со световым.

В однородном пространстве распространяется прямолинейно;

Попадая на тело частично поглощается, частично отражается, частично проходит сквозь тело без изменений:

Qл =Qпогл +Qотр +Qпр

Модель абсолютно черного тела

Сфера Отверстие в шаре

Нефтяная Лучистая сажа энергия

на входе

Согласно закону Стефана-Больцмана полное количество энергии, излучаемой единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени

где С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м2 ·К4); Т - абсолютная температура поверхности тела, К.

Из этого уравнения следует, что энергия излучения пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени.

Закон КирхгофаСогласно закону Кирхгофа, учитывающему способность различных тел к

лучеиспусканию и лучепоглощению, коэффициент лучеиспускания любого тела при определенной температуре и определенной длине волны излучения пропорционален поглощательной способности данного тела при той же температуре и той же длине волны.

При данной температуре тело излучает тем больше теплоты, чем больше оно поглощает лучей, т.е. чем оно чернее. Идеальное абсолютно черное тело поглощает все падающие на него лучи, поэтому абсолютно черное тело и излучает наибольшее количество тепловых лучей.

При термодинамическом равновесии отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел функцией температуры и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е0 при той же температуре:

Отношение излучательной способности данного тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре называют степенью черноты тела

Следовательно, излучательную способность тела можно представить как степень его черноты, умноженную на излучательную способность абсолютно черного тела: Е = εЕ0

Степень черноты различных тел меняется от нуля до единицы и зависит от состояния поверхности, материала, температуры и других факторов.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

Рассмотренные выше явления передачи теплоты протекают обычно одновременно. Например, когда тело (поверхность нагрева) омывается газом, то наряду с конвективным теплообменом имеется теплообмен излучением (радиацией).

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку (рис. а).

В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t1 стенке с температурой tcl.

Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой tcll и,

наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t2.

Тогда плотность теплового потока для однослойной стенки будет

где α1 - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой (см. рис. а) поверхности стенки; δ - толщина стенки; λ - коэффициент теплопроводности разделительной стенки; α2 - коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

Если дробь обозначить буквой k, то формула для подсчета

количества теплоты, передаваемой через площадь F за время τ, примет следующий вид:

.

Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м2·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи R0 = 1/k = 1/α1 + δ/λ + 1/α2.Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рис. б), то плотность теплового потока будет

а коэффициент теплопередачи

В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Устройство, в котором происходит процесс нагревания или охлаждения, т. е. осуществляется переход теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплообменным аппаратом.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные, смешивающего типа и с внутренним тепловыделением.

В рекуперативных аппаратах (подогревателях) передача теплоты от греющего (горячего) к нагреваемому (холодному) теплоносителю происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примером такого аппарата может служить водоводяной подогреватель (рис.), в котором нагреваемая вода движется внутри трубок 6, закрепленных в трубных досках 3, а в пространство между трубками, ограниченное кожухом 4, поступает горячая вода. Она передает через стенки труб теплоту холодной воде.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность омывается попеременно, то греющим, то нагреваемым теплоносителем (например, в насадках доменной печи). Так как в рекуперативных и регенеративных подогревателях процесс передачи теплоты всегда связан с поверхностью нагрева, то эти аппараты называют также поверхностными.

Процесс теплоотдачи в аппаратах смешивающего типа происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Эти аппараты применяют, например, для охлаждения или нагревания воды в потоке воздуха или газа. К ним относятся башенные охладители (градирни), деаэраторы, скрубберы и др.

В теплообменных аппаратах с внутренним тепловыделением не два, как обычно, а один теплоноситель, при этом теплота выделяется в самом аппарате. По этому принципу работают электронагреватели, ядерные реакторы и другие установки, действие которых связано с выделением теплоты.

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Схема движения и график изменения температур теплоносителей: а - противоток; б - прямоток

В теплообменных аппаратах противоток более выгоден, чем прямоток, так как в противоточном теплообменнике можно сильнее нагреть холодный теплоноситель и охладить горячий.

Расчёт печи в загородном доме

Вид и мощность отопительной печи выбирают так, чтобы средняя часовая отдача печи равнялась теплопотерям отапливаемых помещений.Общая площадь наружных стен за вычетом окон и дверей Sстен= 6х4х3-4,8-2=65,2м2,

два окна 1,6х1=1,6м2, одно окно 1,6х2=3,2м, Sокон=3,2+1,6=4,8м2

деревянные утеплённые полы, Sпола=6х6=36м2,деревянные двери, Sдвери=1х2=2м2,сверху чердачное перекрытие, Sперекр=6х6=36м2,Расчётная температура -30 и +20.

Площадь внутренних перегородок в расчете не участвует, так как через них тепло не уходит – ведь по обе стороны перегородки температура одинакова. Тоже относится и к внутренней двери.

Теплоотдачу отопительной печи рассчитывают, исходя из теплопотерь всех отапливаемых печью помещений с учетом теплопотерь каждого вида строительных конструкций


Теперь вычислим теплопотери каждой из поверхностей:

Qстен = 65,2 х 60 = 3912ккал/ч, Qокон = 4,8 х 116 = 557ккал/ч, Qдверей = 2 х 202 = 404ккал/ч, Qпола = 36 х 22 = 792ккал/ч, Qпотолк= 36 х 30 = 1080ккал/ч. Суммарные теплопотери комнаты составят:

Qобщ = 6745 ккал/ч.

Требуемая мощность печи должна быть не менее 6745ккал/ч. Зеркало печи можно определить как в первом способе расчёта, в донном случае возможно устройство двух печей.

Расчёт печи в загородном домеПриближенный способ расчета требуемой тепловой отдачи печи заключается в

том, что теплопотери отапливаемого помещения (или нескольких помещения) рассчитывают исходя из того, что тепловые потери 1м3 помещения составляют около 40 ккал/ч . При расчётной внутренней температуре 18 оС .

Имеется одноэтажный рублёный дом 6х6 м (внутренний размер) из брёвен 25см, деревянными перегородками и высотой потолков 3м. В доме прихожая, кухня и комната. Общий объём 6х6х3=108м3. Определяем теплоотдачу печи 108х40=4320ккал/ч.

После расчета требуемой теплоотдачи необходимо определить площадь зеркала (нагреваемой поверхности) печи. Для определения площади нагрева, величину тепловой отдачи печи делят на 450 ккал/ч (средняя теплоотдача 1 м2зеркала). Итак, 4320/450=9,6м2.

Чтобы найти размеры печи, следует имеющуюся площадь зеркал печи разделить на активную высоту печи, т. е. ту высоту, которая нагревается. В данном случае она равняется 2,2 м. После деления площади зеркала печи на ее высоту получаем периметр печи 9,6/2,2=4,4 м. Полученный результат делим на два и получаем сумму длины и ширины печи 4,4/2=2,2м. Этому значению будет соответствовать печь с размерами в плане 114х114см и высотой 2,2м.


On-line calculator

Печь голландка

Голландские печи имеют характерные отличительные особенности:топливник этой печи может вместить большое количество топливарасположение каналов в такой последовательности, при которой прогревается равномерно весь массив печипрогрев значительного обьёма тела печи, как следствие, долго прогревает помещении. Средняя температура печи составляет около 60 градусовпростая и удобная в эксплуатации конструкция печи

Расчет теплоотдачи печи

Расчетная теплоотдача печи должна быть достаточной для отопления жилья при всех возможных теплопотерях.

Известны удельные теплопотери строительных конструкций. Например, в одноэтажном доме при температуре воздуха снаружи 25°C стена из кирпичей (1 кв.м. площади) толщиной 2 кирпича теряет 78 ккал/ч, толщиной 3,5 кирпича — 53 ккал/ч; стена из бревен толщиной 20см — 67 ккал/ч, а толщиной 25см — 52 ккал/ч. Двери на балкон с двойным остеклением (и окна подобного типа) выпустят на улицу 100 ккал/ч, а деревянные двери — 175 ккал/ч. Выходит тепло из дома и через пол, потолок — к примеру, пол из дерева теряет 19 ккал/ч. Теплопотери учитывают и объем отапливаемого помещения (всего жилья и отдельных комнат).

Чтобы нагреть 1 куб.м. до 18°C, расходуется примерно 21 ккал/ч.

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

[email protected]

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

Профессор Звонов Валерий Степанович


«Теплопередача »

Профессор Звонов Валерий СтепановичСанкт-Петербургский пожарно-спасательный колледж

ВОПРОСЫ ?

Теплопередача

Education