ОСНОВЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Тульский государственный университет
Кафедра «СТС»
МАРКОВА Т.А.
Канд. техн. наук, доцент
ОСНОВЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА
Конспект лекций
Направление подготовки: 270100 – «Строительство»
Специальность: 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Формы обучения – очная, очно-заочная, заочная
Тула –2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.. 2
ВВЕДЕНИЕ.. 4
Тема 1. Основные понятия теплообмена.. 7
1.1 Температурное поле. Изотермическая поверхность. 7
1.2. Градиент температуры.. 8
1.3. Количество теплоты. Тепловой поток.Удельные тепловые потоки. 9
1.4.Элементарные способы передачи теплоты (виды процессов теплообмена) 10
1.5. Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача. 11
Тема 2. Теплопроводность.. 14
2.1. Основной закон теории теплопроводности. Закон (гипотеза) Фурье. 14
2.2. Энергетическая форма записи закона Фурье. Коэффициент температуропроводности. 15
2.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности (дифференциальное уравнение Фурье) 16
2.4. Условия однозначности, необходимые для решения уравнения Фурье. 18
2.5. Начальные условия (НУ) 18
2.6. Граничные условия (ГУ) 18
2.7. Методы решения краевой задачи в теории теплопроводности. 20
Тема 3. Нестационарная теплопроводность в телах простейшей формы 22
3.1. Математическая формулировка задачи. 22
Тема 4. Стационарная теплопроводность.. 26
4.1 Стационарная теплопроводность в плоской и цилиндрической стенках. 26
Тема 5. Теплопередача.. 31
5.1. Теплопередача через плоскую стенку. 31
5.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку. 34
5.3. Алгоритм расчета теплопередачи через непроницаемые стенки. 37
5.4. Единая формула теплопередачи через стенки классической формы.. 38
5.5. Интенсификация теплопередачи. 39
5.6.Тепловая изоляция. 41
Тема 6. Конвективный теплообмен в однофазных средах.. 43
6.1. Основные понятия и определения. 43
6.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. 44
6.3. Основные положения теории подобия. 47
6.4. Основные критериальные уравнения. 55
6.4.1. Конвективная теплоотдача при свободном движении текучей среды.. 55
6.4.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении текучей среды в трубах и каналах 57
6.4.3. Конвективная теплоотдача при вынужденном внешнем обтекании тел. 60
6.5. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачипо критериальным уравнениям.. 64
Тема 7. теплообмен при фазовых превращениях.. 66
7.1. Теплоотдача при конденсации паров. 67
7.2. Теплоотдача при кипении жидкостей. 74
Тема 8. Теплообмен излучением... 83
8.1. Основные понятия и определения. 83
8.2. Тепловое излучение твердых тел. 88
8.3. Основные законы излучения абсолютно черного тела (АЧТ) 92
8.4. Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа. 94
8.4. Особенности излучения газов. 97
8.5. Расчет результирующего лучистогопотока тепла между телами. Экраны.. 101
Тема 9. основы теории МАССООБМЕНа.. 104
9.1. Диффузионный пограничный слой. 106
9.2. Массопроводность, массоотдача, массопередача. 107
9.3 Критериальные уравнения массоотдачи. 109
10. Теплообменные аппараты... 112
10.1 Общие сведения о теплообменных аппаратах. 112
10.1.1. Рекуперативные теплообменники. 114
10.1.2. Регенеративные теплообменные аппараты.. 123
10.1.3. Аппараты смешивающего типа. 124
10.2 Расчет теплообменных аппаратов. 125
10.2.1. Уравнение теплового баланса. Уравнение баланса массы. 125
10.2.2 Средний температурный напор. 126
10.2.3 Уравнение теплопередачи. 128
10.2.4 Проверочный расчет теплообменного аппарата. Сравнение прямотока с противотоком. 129
10.2.5 Гидравлический расчет аппаратов. 131
10.2.6 Тепловой расчет регенеративных теплообменников. 133
10.3 Методики расчет теплообменных аппаратов. 134
10.3.1. Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата и алгоритм его поверочного расчета по методу N-E. 134
10.3.2. Основные закономерности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях 137
10.3.3. Деаэрация воды.. 140
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.. 145
ЛИТЕРАТУРА.. 147
ВВЕДЕНИЕ
Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты и массы в пространстве в переменном поле температур и переменном поле концентраций.
Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс передачи теплоты и массы направлен в сторону уменьшения температуры и концентрации данного компонента смеси.
В отличие от термодинамики ТМО рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. В результате расчета процессов тепломассообмена находят распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы как функции координат и времени.
В нашем кратком курсе будем рассматривать только процессы теплообмена в данном теле или системе тел, поэтому наша задача научиться рассчитывать температурные поля и тепловые потоки и их развитие в пространстве и времени.
Характеристика теплоносителей Выбор теплоносителей определяется назначением теплообменного аппарата (ТА), условиями его эксплуатации, теплофизическими свойствами теплоносителей, их доступностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации.
В процессе теплообмена теплоносители могут изменять свое фазовое состояние т.е. конденсироваться или испаряться. «Однофазные» теплоносители, т.е. не меняющие фазовое состояние, могут быть упругими (газы) или капельными жидкостями. В физике эти среды носят название жидкостей и по методике расчета теплоотдачи от обеих жидкостей принципиального различия между ними нет.
Из теплофизических свойств теплоносителей существенными для расчета ТА являются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи и величину гидравлического сопротивления в каналах ТА.
Плотность и теплоемкость позволяет при небольших перепадах температур передать большие тепловые потоки. С этой точки зрения вода имеет значительные преимущества по сравнению с любыми газами.
Теплопроводность способствует повышению теплоотдачи от среды к границе раздела.
Вязкость существенно влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением понижается.
Температура кипения теплоносителя должна быть сравнительно высокой это позволит предотвратить вскипание при невысоких давлениях.
Теплоносители должны отвечать следующим требованиям:
- быть химически стабильными, не вступать в реакцию с материалом теплообменника, т.е. не оказывать коррозионного воздействия, и не образовывать агрессивных и взрывоопасных смесей при смешении с другими теплоносителями;
- обладать высокой теплоемкостью и малой вязкостью;
- иметь достаточную теплостойкость;
- быть доступным и иметь невысокую стоимость;
- иметь высокие температуры кипения и воспламенения;
- быть удобными в транспортировании и хранении.
Применяемые теплоносители не отвечают всем требованиям одновременно.
В качестве охлаждающих теплоносителей в области положительных температур наиболее часто используют воду и воздух, при отрицательных температурах – растворы солей (NaCl, CaCl2 и др.), хладагенты, антифризы и др.
В качестве греющих теплоносителей чаще всего применяют водяной пар, воду, дымовые газы, органические высококипящие жидкости, масла.
Рассмотрим кратко основные применяемые в системах ТГВ теплоносители.
Вода как теплоноситель имеет много преимуществ: высокие плотность и теплоемкость обуславливают возможность высокой теплоотдачи; малая коррозионнная активность, низкая стоимость, доступность и безвредность. Эти преимущества обеспечили широкое применение воды как теплоносителя в стационарных и транспортных установках.
Теплофизические свойства воды на линии насыщения в диапазоне температур 10-100 °С могут быть описаны уравнениями:
плотность 
, кг/м3;
теплоемкость 
теплопроводность 
кинематическая вязкость 
Воздух также широко используется как охлаждающая среда.
Однако он имеет небольшую теплоемкость и характеризуется низкими коэффициентами теплоотдачи.
В диапазоне температур 10 – 150о С и давлениях 98-980 кПа можно определить теплофизические характеристики по формулам:
, кг/м3,
Ср = 1,005 + 1,19× 10-4 – t 
,
,
при t = 0 ¸ 140 коэффициент кинематической вязкости :
ν = 10-6 (13,7 + 0,101t) м2/с,
при t = 140 ¸ 400о С:
ν = 10-6 (6,7 + 0,145t) м2/с,
Водяной пар в системах ТГВ используется обычно при t = 150 – 200о С. Пар имеет большую теплоту парообразования, удобен для транспортировки по трубопроводам.
Дымовые газы образуются при сгорании топлива в котлах, печах, сушильных установках. В состав дымовых газов входят СО2, N2 , Н2О, избыточный воздух, СО, NО – в небольших количествах.
Дымовые газы мало агрессивны, имеют небольшую теплоемкость и низкий коэффициент теплоотдачи.
Высокотемпературные органические теплоносители. Они нашли широкое применение в технологических процессах химической технологии для нагрева до t > 150о С. ВОТ можно разделить на три группы:
- однокомпонентные; (дифенил, глицерин)
- многокомпонентные; (дифенильная смесь, гидротерфенилы)
- минеральные масла (масло АМТ – 300).
Минеральные масла относятся к наиболее распространенным и изученным ВОТ.
При длительной работе t > 200о С наблюдается частичное разложение масла, что приводит к частичному осмолению поверхности.
Тема 1. Основные понятия теплообмена