 |
Тепломассообмен. Курс лекций. 13. 03. 01 – теплоэнергетика и теплотехника. Введение. 1. Общие сведения
|
|
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Белгородский государственный технологический университет
им. В. Г. Шухова
Тихомирова Т. И.
ТЕПЛОМАССООБМЕН
Курс лекций
направление подготовки
13. 03. 01 – Теплоэнергетика и теплотехника
Белгород 2019
ВВЕДЕНИЕ
Значение тепломассообмена в современных теплотехнологиях, включающих тысячи технологий, трудно переоценить. Достижение высокой эффективности и экологической чистоты любой технологии, связанной с тепло- и массообменными процессами требует глубокого изучения и понимания законов переноса тепловой энергии и массы вещества.
Дисциплина «Тепломассообмен» является базовой при подготовке инженеров-теплоэнергетиков. Цель изучения дисциплины – подготовка студентов к усвоению вопросов тепломассообмена в спецкурсах и к использованию полученных знаний и навыков на стадии дипломного проектирования и в профессиональной деятельности.
Задача изучения дисциплины – овладение закономерностями основ-ных процессов переноса теплоты и массы, в частности процессов тепло- и массообмена, протекающих совместно, усвоение основных резуль-татов теоретических и экспериментальных исследований и ознаком-ление с путями решения современных проблем тепломассообмена, приобретение умений и навыков в проведении тепловых расчетов и решении практических задач, связанных с тепломассообменом в элементах энергетических установок.
Для изучения курса тепломассообмена необходимо иметь соответ-ствующую подготовку по высшей математике, физике, гидрогазодина-мике и технической термодинамике.
При изучении материала курса по данному пособию и (или) по рекомендуемым учебникам, приведенным в библиографическом списке, нужно прежде всего уяснить существо каждого излагаемого там вопроса. Главное – это понять изложенное в пособии или учебнике, а не «заучить».
|
|
|
Изучать материал рекомендуется по темам или по главам (параграфам) пособия или учебника. Сначала следует прочитать весь материал темы (параграфа), особенно не задерживаясь на том, что показалось не совсем понятным; часто это становится понятным из последующего. Затем надо вернуться к местам, вызвавшим затруднения, и внимательно разобраться в том, что было неясно. Особое внимание при повторном чтении обратите на формулировки соответствующих определений и т. п.; в точных формулировках, как правило, бывает существенно каждое слово и очень полезно понять, почему данное положение сформулировано именно так. Однако не следует стараться заучивать формулировки; важно понять их смысл и уметь изложить результат своими словами.
Закончив изучение темы, полезно составить краткий конспект, по возможности не заглядывая в данное пособие или учебник. Кроме того, нужно проверить, можете ли вы дать ответ на все контрольные вопросы, приведенные в конце каждого раздела (темы), то есть осуществить самопроверку.
Следует иметь в виду, что в различных учебниках материал может излагаться в разной последовательности. Поэтому ответ на какой-нибудь вопрос данной темы может оказаться в другой главе учебника, но на изучение курса в целом это, конечно, никак не скажется.
Методические указания по выполнению расчетно-графического задания приводятся ниже после изложения теоретического материала. Их надо прочитать обязательно и ими руководствоваться. В конце методических указаний приводится пример выполнения расчетно-графического задания.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
|
|
|
Теплообмен или теплоперенос – самопроизвольный необратимый процесс распространения теплоты в пространстве, обусловленный разностью температур. В теории теплообмена под процессом переноса теплоты понимается процесс обмена внутренней энергией между элементами системы в форме теплоты, так как наряду с работой количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии системы. Наблюдения за процессами распространения теплоты показали, что теплообмен – сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых. Теплота может передаваться тремя простейшими принципиально отличными друг от друга способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Т еплопроводность - перенос теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, электронами – в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах – диэлектриках – перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов, поток которых можно уподобить одноатомному идеальному газу. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, его геометрических размеров, а также разности температур между различными частями тела. Теплообмен теплопроводностью характерен для твердых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа., омывающих твердую стенку
Примером теплопроводности может служить распространение теплоты в металлическом стержне. Например, если нагревать один конец этого стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится.
Конвекция – перенос теплоты в жидкостях или газах, обуслов-ленный пространственным перемещением вещества. В теплотехно-логиях текучие среды, применяемые для передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, называются теплоносителями. Наиболее распространенные теплоносители: топочные (дымовые) газы, воздух и другие газы, вода, водяной пар, фреоны и т. д. Теплоносители могут в процессе передачи теплоты изменять свое агрегатное состояние (кипящие жидкости, конденсирующиеся пары) или сохранять его неизменным (перегретые пары, неконденсирующиеся газы). В первом случае температура теплоносителей остается неизменной, так как передается лишь теплота фазового перехода. Во втором случае температура теплоносителей изменяется (понижается или повышается).
|
|
|
Конвективный перенос тепла, как правило, сопровождается теплопроводностью. Процесс обмена теплотой между твердой поверх-ностью и жидкостью (газом) путем и теплопроводности, и конвекции одновременно называется конвективным теплообменом или теплоот-дачей. Таким образом, в случае конвективного теплообмена распро-странение тепла в пространстве осуществляется за счет переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счет теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. При ламинарном течении теплоносителя (движение слоями без перемешивания) значительную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет теплопроводность. При турбулентном течении основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей. Участие теп-лопроводности в процессах конвективного теплообмена приводит к тому, что на эти процессы оказывают существенное влияние теплофи-зические свойства среды: коэффициент теплопроводности, теплоем-кость, плотность.
Конвективный перенос тепла может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения жидкости или газа. Свободное движение возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих веществ, находящихся в поле сил тяжести. Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества. Направление силы, а следовательно, и перемещение нагретых объемов вещества противоположно направлению силы тяжести. Такой теплообмен называют свободным или естественным конвективным теплооб-меном. Например, отопительная батарея в помещении подогревает соприкасающийся с ней воздух путем теплопроводности. Вес, а следовательно, и давление столба подогретого воздуха меньше, чем холодного. Под разностью этих давлений холодный воздух будет перемещаться в зону подогрева, вытесняя подогревшийся воздух. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от батареи в другие части помещения.
|
|
|
Вынужденное движение происходит под действием внешних поверхностных сил. Если разность давлений, под действием которой перемещается жидкость или газ, создается искусственно, например с помощью насоса, компрессора, вентилятора, эжектора, мешалки и других устройств, то такой конвективный теплообмен называют вынужденным.
Тепловое излучение – перенос теплоты (обмен внутренней энергией), осуществляемый в результате процессов превращения части внутренней энергии тела (вещества) в энергию электромагнитного излучения, переноса ее в пространстве между телами и поглощения ее другими телами (веществами) и таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела. Лучистый теплообмен играет значительную роль в процессах теплообмена, происходящих при температурах около 10000С и выше. Поэтому он характерен для топок и камер сгорания, а также для некоторых печей.
На практике теплообмен обычно осуществляется всеми тремя вида-ми сразу. Если при этом вклад хотя бы двух из них существенен, то говорят о сложном теплообмене. Так теплообмен между стенкой и окружающей средой происходит одновременно путем соприкосновения (теплоотдачи) и излучения. Это явление называется радиационно-конвективным теплообменом. Оно включает все три элементарных способа переноса теплоты. Явление радиационно-конвективного теплообмена наблюдается, например, в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ), где горячие газы – продукты сгорания - передают теплоту поверхности камеры сгорания одновременно путем соприкосновения и излучения.
Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопередачей. Перенос теплоты от теплоносителя к стенке и от стенки к теплоносителю может иметь характер теплоотдачи (совмест-ное действие конвекции и теплопроводности) или радиационно-конвек-тивного теплообмена (совместное действие конвекции, теплопровод-ности и теплового излучения). Перенос теплоты через стенку осущест-вляется теплопроводностью.
|
|
|
Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому – один из наиболее важных и часто используемых в технике процессов в системах теплоснабжения, отопления и вентиляции, в технологических тепловых (различные теплообменники) и других устройствах. Напри-мер, получение пара или горячей воды в теплообменниках-котлоагре-гатах основано на теплообмене между продуктами сгорания органичес-кого топлива и водой или паром.
Во множестве задач перенос теплоты через выделенную поверхность сопровождается и переносом вещества, массы (теплообмен при сушке, при испарительном охлаждении, при диффузии, при фазо-вых превращениях, при химических реакциях и многие другие). Такие процессы одновременного переноса теплоты и вещества принято назы-вать совместным тепломассообменом.
Контрольные вопросы
- Назовите основные случаи теплообмена.
- Опишите подробно все виды теплообмена.
- Что называется теплопроводностью?
- Что называется конвективным теплообменом?
- Какие вещества относят к теплоносителям?
- Какова природа лучистой энергии и как передается теплота излучением?
- Что называется сложным теплообменом?
- Что называется радиационно-конвективным теплообменом?
9. Что называется теплопередачей?
10. Что называется совместным тепломассообменом?
|
|
|
