Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена

ГЛАВА ПЯТАЯ

ПОДОБИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конвективный теплообмен описывается системой дифференциальных уравнений и условиями однозначности с большим количеством перемен­ных. Попытки аналитического решения полной системы уравнений натал­киваются на серьезные трудности. Поэтому большое значение приобретает экспериментальный путь исследования. С помощью эксперимента для определенных значений аргументов можно получить числовые значения искомых переменных и затем подобрать уравнения, описывающие резуль­таты опытов. Однако при изучении столь сложного процесса, как конвек­тивный теплообмен, не всегда легко проводить и опытное исследование.

Для исследования влияния на процесс какой-либо одной величины остальные нужно сохранять неизменными, что не всегда возможно или затруднительно из-за большого количества переменных. Кроме того, при этом нужно быть уверенным, что результаты, получаемые с помощью какой-либо конкретной установки (модели), можно перенести и на другие ана­логичные процессы (образец.) Эти трудности помогает разрешить теория подобия. С помощью теории подобия размерные физические величины можно объединить в безразмерные комплексы, причем так, что число ком­плексов будет меньше числа величин, из которых составлены эти ком­плексы. Полученные безразмерные комплексы можно рассматривать как новые переменные.

При введении в уравнения безразмерных комплексов число величин под знаком искомой функции формально сокращается, что упрощает иссле­дование физических процессов. Кроме того, новые безразмерные перемен­ные отражают влияние не только отдельных факторов, но и их совокуп­ности, что позволяет легче определить физические связи в исследуемом процессе.

Теория подобия устанавливает также условия, при которых резуль­таты лабораторных исследований можно распространить на другие явле­ния, подобные рассматриваемому. Ввиду этого теория подобия прежде всего является теоретической базой эксперимента, а также важным под­спорьем теоретических исследований. Хотя методами теории подобия вид искомой функции не может быть определен, эта теория облегчает в ряде случаев анализ процесса и описание полученных результатов.

Теория подобия развивалась в основном благодаря трудам советских ученых , , Л. С Эйген-сона, , Б. С Петухова и др. [37, 38, 77, 78, 79, 152, 220].

Для практического использования выводов теории подобия необходимо уметь приводить к безразмерному виду математические описания изучае­мых процессов.

Имеется несколько методов выполнения этой операции. Мы восполь­зуемся одним из них — методом масштабных преобразований.

5.2. ПРИВЕДЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФОРМУЛИРОВКИ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ К ЗАПИСИ В БЕЗРАЗМЕРНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ

Пусть поверхность твердого тела омывается несжимаемой жидкостью, температура и скорость которой вдали от тела постоянны и равны соот­ветственно t0 и w0. Размер тела l0 задан. Температура поверхности тела равна tc. Для определенности примем, что tc > t0. Будем полагать, что физические параметры жидкости постоянны (учтем только подъемную силу, возникающую в результате зависимости плотности от температуры).

б и др.

129

т >

Однако в такой задаче применительно к течению в тру­бе отсутствует заданная характерная скорость ш0 и во­прос о масштабе скорости решается по-другому.

Если теплообмен жидкости, текущей по трубе, проис­ходит при граничных условиях II рода (задана плот­ность теплового потока на стенке), то искомой величи­ной является температура жидкости на выходе из тру­бы. Безразмерная температура на выходе из трубы оди­накова для подобных процессов:

* = idem,

при этом отсчет температуры можно производить от на­чальной температуры жидкости (на входе), а в качест­ве масштаба избыточной температуры использовать ве­личину qro/K, К.

Поля температуры, скорости и давления получены в результате решения системы уравнений конвективного теплообмена при определенных условиях однозначности. Поскольку поля безразмерных величин для подобных процессов тождественны, то должны быть тождественны и системы безразмерных уравнений, из которых получе­ны указанные поля. Следовательно, класс подобных яв­лений определяется одной и той же системой безразмер­ных уравнений. Коэффициенты уравнений имеют одно и го же значение для всех подобных процессов. Если огра­ничиться случаем вынужденного движения жидкости без учета сил тяжести в потоке, то для подобных процес­сов имеем:

Ре = idem; Re = idem,

так как именно эти числа фигурируют в качестве коэф­фициентов безразмерных дифференциальных уравнений энергии и движения.

Условия (14.27) — (14.32) представляют собой сово­купность следствий {Bi} (необходимых условий), выте­кающих из факта подобия. Вопрос о следствиях В,- рас­смотрен здесь на простом частном случае. При общем подходе эти положения формулируются в виде первой и второй теорем подобия.

Первая теорема подобия: если физические процессы подобны между собой, то одноименные числа подобия попарно имеют одинаковые значения.

336

Числом подобия называют безразмерный комплекс, составленный из величин, существенных для данного процесса. Конкретные числовые значения координаты, скорости, температуры, безразмерные числа в условиях (14.27) — (14.32) —все это числа подобия; вместе с тем координаты, скорость и температура в безразмерном ви­де, безразмерное давление (число Эйлера) одновремен­но являются безразмерными переменными (аргумента­ми и функциями).

Вторая теорема подобия: решения дифференциальных уравнений, описывающих физический процесс, можно представить в виде зависимости между числами подобия.

Такое безразмерное решение [см., например, выраже­ния (14.12'), (14.14), (14.16) и (14.19)] называют урав­нением подобия. В уравнении подобия различают опре­деляющие числа подобия, содержащие независимую пе­ременную (например, безразмерные координаты, безраз­мерное время в нестационарных процессах), и определя­емое число подобия, содержащее зависимую переменную (искомую величину); определяемые числа подобия — Nu, Eu и т. д.

Наконец, перейдем к третьему положению — рас­смотрим совокупность достаточных условий {С,-}, выпол­нение которых влечет за собой подобие процессов [см. формулу (14.23)].

Проведенный в § 49 анализ задачи конвективного теплообмена методом подобия показывает, что безраз­мерная система дифференциальных уравнений включает следующие величины: координаты X, Y; искомые функ­ции 6, W и Ей; постоянные коэффициенты уравнений Ре и Re (Re и Pr).

Пусть имеются два процесса конвективного теплооб­мена, о которых заранее неизвестно, подобны они или нет. Система уравнений для первого процесса дает ре­шение:

^е^Х, Y, Re,, Pr,).

Система уравнений для второго процесса дает свое

решение:

е2=92(Х, У, Re2, Pr

Чтобы процессы были подобными, их поля безраз­мерной температуры должны быть идентичными, т. е.

12 Зак. 506

ГЛАВА 14. ОСНОВЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

§ 48. Исходные положения "

Конвективный теплообмен обусловлен совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты. В каждой точке движущейся среды можно рас­сматривать вектор плотности теплового потока, равный в соответствии с двумя указанными видами переноса сумме двух векторов:

где дТп = —Я grad t — вектор плотности молекулярного переноса (теплопроводность), обусловленный неоднородностью поля темпе-

-*• -»■

ратуры в рассматриваемой точке пространства; qK=pwh — вектор плотности конвективного (молярного) переноса, обусловленный су­ществованием движения среды. В первом случае носителями явля­ются микрочастицы, во втором — макрочастицы (моли); микрочас­тицы осуществляют хаотическое тепловое движение; движение мо­лей — «видимое» движение жидкости (т. е. доступное визуальному наблюдению).

Во многих случаях поток среды частично или пол­ностью ограничен поверхностями твердых тел (стенка­ми). Чаще всего передачу теплоты от горячего теплоно­сителя к холодному нельзя осуществлять путем их не­посредственного контакта (смешения), поэтому прихо­дится разделять теплоносители стенкой. Наличие разде­ляющей теплоносители стенки вносит дополнительное термическое сопротивление, которое зависит от механиз­ма теплового и динамического взаимодействия среды со стенкой. Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой назы­вают теплоотдачей. Именно процесс теплоотдачи и яв­ляется предметом изучения в данной главе.

Интенсивность процесса теплоотдачи принято харак­теризовать коэффициентом теплоотдачи, который равен

a = ql(tm—tB), (14.1)

где q — плотность теплового потока на стенке; tm — температура жидкости (например, температура среды вдали от стенки, где ис­чезает тепловое возмущение, обусловленное поверхностью тепло­обмена); tc—температура стенки.

Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре 1 К, его единица измерения Вт/(м2-К).

314

Исторически понятие коэффициента теплоотдачи свя­зано с законом Ньютона — Рихмана, выражением кото­рого является равенство (14.1). Однако следует иметь в виду, что выражение (14.1) не является простой фи­зической закономерностью, выражающей сущность про­цесса теплоотдачи. Роль коэффициента теплоотдачи а отнюдь не аналогична роли, например, теплопроводнос­ти Я, в законе Фурье. В то время как величина К есть теплофизический параметр среды (вещества), который может быть взят из справочных таблиц, коэффициент теплоотдачи а представляет собой сложную функцию тепловых и динамических процессов, развивающихся в среде в непосредственной близости от поверхности теп­лообмена.

Коэффициент теплоотдачи а определяют три группы факторов. Во-первых, геометрические факторы, связан­ные с конфигурацией системы конвективного теплообме­на: течение жидкости вдоль плоской поверхности, поток в трубе (или в продольных межтрубных каналах), по­перечное обтекание труб и трубных пучков и т. д. Во-вторых, гидродинамические факторы, обусловленные прежде всего наличием двух режимов течения — лами­нарного (при малых значениях числа Re) и турбулент­ного (при больших значениях числа Re). Механизм теп­лообмена в двух этих случаях существенно различен. Кроме того, в пределах каждого режима течения имеет­ся связь коэффициента теплоотдачи а со скоростью по­тока, качественно одинаковая для обоих режимов — при возрастании скорости потока коэффициент а увеличи­вается. Однако количественные характеристики для ла­минарного и турбулентного режимов различны.

Наконец, третью группу факторов составляют тепло-физические свойства среды — плотность, изобарная теп­лоемкость, вязкость и теплопроводность. Они сложным образом влияют на коэффициент теплоотдачи. При про­чих равных условиях для среды с более высокой тепло­проводностью характерны более высокие значения коэф­фициента теплоотдачи. Вязкость оказывает косвенное влияние на интенсивность теплоотдачи: при меньшей вязкости в потоке формируется более благоприятный для повышения теплоотдачи профиль скорости.

Особый случай представляет собой так называемая гравитационная свободная конвекция, которая происхо­дит под действием сил тяжести в среде с неоднородным

315

i I

распределением плотности жидкости. Неоднородность плотности может явиться следствием неоднородности температурного поля. В данном случае проявляется су­щественное влияние теплообмена на поле скорости в жидкости. Обычно поле скорости формируется под вли­янием внешних причин, вызывающих движение сре­ды, — работа насоса, вентилятора и т. п. В таких случа­ях происходит вынужденная конвекция. Как правило, при прочих равных условиях интенсивность теплоотда­чи при вынужденной конвекции выше, чем при свобод­ной.

Численные значения коэффициента теплоотдачи а,

Вт/(м2-К), изменяются в широких пределах: при сво­бодной конвекции воздуха — 5—25, воды — 20—100; при вынужденной конвекции воздуха — 10—200, воды — 50—10 000; для кипящей воды —3000—; для кон­денсирующего водяного пара — 5000—

Процессы конвективного теплообмена весьма часто встречаются в технике, как составная часть они входят также в природные процессы, происходящие в результа­те воздействия технических устройств на окружающую среду. Поэтому задача определения коэффициента теп-, лоотдачи очень важна. Особенности движения вязкой жидкости в непосредственной близости от стенки позво­ляют установить связь коэффициента теплоотдачи с тем­пературным полем в жидкости, которое, как было по казано в гл. 12, может быть найдено в результате ре­шения уравнения энергии и уравнений гидромеханики. На рис. 14.1 показано температурное поле вблизи холодной стенки, вдоль которой течет нагретая жид­кость. Благодаря выполнению условия прилипания час­тицы жидкости, находящиеся в непосредственной бли­зости к твердой поверхности тела, образуют тонкий неподвижный слой. В неподвижной среде, как известно, перенос теплоты осуществляется только путем теплопро­водности, поэтому можно записать: q=—X{dtldn)n^

ние

которое устанавливает связь между коэффициентом теп­лоотдачи и температурным полем в жидкости.

Уравнение (14.2) сводит задачу нахождения коэф­фициента теплоотдачи к основной задаче теории тепло­обмена — определению температурного поля.

§ 49. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена. Безразмерные переменные

Рассмотрим задачу конвективного теплообмена для простых геометрических условий: поток жидкости дви­жется в направлении оси Ох вдоль плоской поверхности (рис. 14.2). Заданы скорость w0 и температура гж не­возмущенного потока, температура стенки tc на участке Длиной /0, а также теплофизические свойства жидко­сти — р, ср, К а ц.

В результате теплового и динамического взаимодей­ствия стенки с потоком температура и скорость послед­него в пристенной области меняются. Формируются по-

317

Формула (15.49) не учитывает волновой ха­рактер движения пленки, приводящий к увеличе­нию теплоотдачи; это увеличение можно учесть

умножением Nu = l/ на Re0,04.

Конденсация пара на наружной поверхности го­ризонтальной трубы отли­чается от рассмотренного

случая тем, что направления силы тяжести и вектора скорости для пленки не совпадают. Расчет средней теп­лоотдачи можно производить по формуле (15.49), заме­нив коэффициент на 0,728 и взяв диаметр трубы в ка­честве определяющего размера. Кипение представляет собой процесс образования па - ра внутри жидкости, нагретой выше температуры насы - щения. Обычно необходимая для кипения теплота посту - пает в жидкость от поверхности нагрева, температура которой tc>tн. В этом случае на поверхности нагрева идет непрерывно возобновляемое образование паровых пузырей или паровой пленки.

На рис. 15.8 схематично представлена зависимость коэффициента теплоотдачи а на поверхности нагрева от температурного напора t=tc—tн. Участок АВ соответ­ствует области свободного движения жидкости, при ко­тором возникновение пузырей возможно, но происходит весьма вяло. Для воды при атмосферном давлении па­раметры точки В примерно равны: а = 1000 Вт/(м2К), t = 5 К. Участок ВК соответствует развитому пузырько­вому режиму кипения, при котором интенсивно образую­щиеся пузыри разрушают вязкий подслой на стенке и обеспечивают высокие значения коэффициента теплоот­дачи. Аналогичные приведенным выше параметры точки К равны: кр=50 000 Вт/(м2К), tкр = 25 К. В точке К интенсивность образования пара становится больше воз­можной скорости его отвода от поверхности нагрева. Происходит кризис теплоотдачи при кипении, сопровож­дающийся резким ухудшением теплоотдачи (величина а в точках С, С1 и D примерно такая же, как в точке В). Если тепловой поток на поверхности нагрева при перехо­де через точку К не изменяется, то осуществляется скач

кообразный переход по линии КС1, при этом температур­ный напор возрастает до значения 103 К и происходит разрушение поверхностей нагрева (например, труб паро­генератора в топке). Ухудшение теплоотдачи объясня­ется возникновением низкотеплопроводной паровой про­слойки между поверхностью нагрева и жидкостью, на­пример, при 100 °С теплопроводность водяного пара при­мерно в 29 раз меньше теплопроводности воды. Участок CD соответствует пленочному режиму кипения, а линия СК\ — обратному переходу от пленочного режима к пу­зырьковому. Участку КС отвечает так называемый пе­реходный режим, при котором на поверхности реализу­ются в различных местах оба режима.

С практической точки зрения важно организовать ки­пение в области пузырькового режима с высокими зна­чениями а, причем так, чтобы не допустить возникнове­ния кризиса.

Теоретический анализ показывает, что пузырьки па­ра образуются в микроскопических углублениях на по­верхности нагрева, которая чаще всего является метал­лической. Основными факторами, от которых зависит теплоотдача при кипении, являются критический радиус пузыря и частота отрыва пузырей от поверхности нагре­ва. Критический радиус Rкр определяется условиями тер­модинамического равновесия фаз, которые представлены, например, выражениями (4.37) — (4.39). В данном случае необходимо учесть кривизну поверхности пузыря и свя­занное с этим дополнительное давление p = 2R, где R—радиус пузыря, а о — поверхностное натяжение. Ус­ловие (4.39) поэтому примет вид р"=р'+ 2/Rкр, откуда

Rкр=2(p"—p'). (15.50)

Внутри пузыря находится насыщенный пар, поэтому t" = tn{p")- Согласно условию термического равновесия фаз (4.38) должно быть t" — t', поэтому жидкость вокруг пузыря находится в перегретом состоянии, т. е. t'> >tн(р'). Отметим, что давление р' определяется внеш­ними условиями, это — атмосферное давление, давление в парогенераторе и т. п.

Жизнеспособные пузыри возникают только в углуб­лениях с радиусом R>Rкр. В этом случае рпара<р", со­ответственно tпара<t", поэтому происходит испарение и рост пузыря. Пузырь, который из-за случайной флуктуа­ции параметров начал образовываться во впадине с

ГЛАВА 16. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

§ 58. Основные понятия и определения

Теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, переносом этой энергии и поглощением ее другими телами.
называется теплообменом и излучением.

Для объяснения теплового излучения используется как волновая, так и корпускулярная теория. Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, с частотой v и длиной волны X. Произведение частоты и длины волны есть скорость распространения, равная скорости света c=v=3*108 м/с. Согласно корпускулярной теории, энергия излучения пере

дается в виде порций энергий — фотонов. Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением: e=hv, где h — по­стоянная Планка, h=6,63*10-34 Дж*с.

Тепловое излучение сосредоточено между длинами волн от 10-3 до 0,7*10-6 м. Большинство твердых и жид­ких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излуче­ния, т. е. излучает энергию всех длин волн от 0 до бесконечности. Газы и пары характеризуются селективным (прерывис­тым) спектром излучения.

Количество лучистой энергии, испускаемой с едини­цы площади поверхности тела в единицу времени, назы­вается поверхностной плотностью излучения:

E=dQ/dF

и измеряется в Вт/м2. Лучистый поток с площади по­верхности F определяется выражением:

Q= !!!!EdF.

В общем случае плотность потока излучения может неравномерно распределяться по поверхности тела. Она может изменяться по определенным направлениям излу­чения. Поэтому вводится понятие интенсивности излу­чения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, излучаемое в определенном направле­нии элементарной площадкой, расположенной перпенди­кулярно направлению излучения, в единице телесного угла за единицу времени. Для пояснения этого понятия выделим на поверхности излучающего тела элементар­ную площадку dF и рассмотрим излучение по направле­нию s, составляющему угол j с нормалью п к площадке в элементарном телесном угле d (рис. 16.1). Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадки dF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения,

равна dF cos

По определению интенсивность излучения может

быть представлена отношением:

Is=d'Q/dF cos d.

Эту величину иногда называют яркостью излучения и измеряют в Вт/(м2*ср).

§ 57. Теплоотдача

при конденсации и кипении

В теплообменных устройствах наиболее распростра­нена пленочная конденсация пара, при которой на сма­чиваемой поверхности твердого тела образуется сплош­ная пленка конденсата. На несмачиваемой поверхности идет капельная конденсация с образованием отдельных капель конденсата; она встречается реже и здесь не рас­сматривается. Теория теплоотдачи при пленочной кон­денсации неподвижного пара была разработана Нуссельтом.

Вертикальная поверхность с температурой tc нахо­дится в контакте с сухим насыщенным паром, имеющим температуру насыщения tН. При конденсации на поверх­ности образуется стекающая вниз ламинарная пленка конденсата, толщина которой х увеличивается в направ­лении оси Ох (рис. 15.7). Под действием температурно­го напора t = ta—tc в стенку отводится тепловой поток, который будем считать неизменным по толщине плен­ки вдоль оси Оу; такое предположение соответствует пренебрежению конвективным переносом теплоты дви­жущейся пленкой и прямолинейному профилю темпера­туры поперек пленки. Для сечения, расположенного на расстоянии х от верхней кромки qx=t/x, с другой стороны, по уравнению Ньютона-Рихмана qx = axt; отсюда получаем

ax=l/dx. (15.46)

Выражение (15.46) показывает, что по мере роста толщины пленки конденсата местный коэффициент теп­лоотдачи х, зависящий также от теплопроводности кон­денсата , убывает (см. рис. 15.7).

Для пленки шириной 1 м массовый расход конденса­та Gx определяется выражением Gx=wOxx, в котором w0x — средняя скорость в поперечном сечении пленки. Расход Gx обеспечивается конденсацией пара на площа­ди х*1 м, на которую поступает пар в количестве qx/r, при этом q — осредненный вдоль Ох тепловой поток, а r — теплота фазового перехода. В результате имеем сле­дующее условие баланса массы:

rw0xdx=qx/r=aDtx/r=lDtx/dr. (15.47)

В выражении (15.47), кроме толщины пленки x не­известной является скорость w0x, которая может быть

найдена по профилю скорос­ти wx = wx(y). Профиль ско­рости можно получить интег­рированием уравнений гид­родинамики, однако здесь ограничимся приближенной оценкой. Для процесса дви­жения пленки существенны две силы: сила тяжести rgdx3 и сила вязкого трения m(w0x/dx)d2x, силой инерции можно пренебречь. Прирав­нивая выражения двух ука­занных сил, имеем w0х= =g2x. Подставляя это выражение в уравнение (15.47) и пренебрегая раз­личием между 3x и 4x, имеем

dx=(mlDtx/r2gr)0,25 Точное решение выражается формулой:

dx=(4mlDtx/r2gr)0,26 (15.48)

Подставляя выражение (15.48) в уравнение (15.46), получаем формулу для расчета местного коэффициента теплоотдачи х. Основной интерес представляет средний коэффициент теплоотдачи а, выражение для которого можно получить неоднократно использовавшимся ранее способом: а=1,33аx= l, где длина участка осреднения принята равной l. Используя числа подобия Ga = = 2gl3/2, K=r/cpt и Рr, а также поправку на неизотермичность (PrH/Prc)0,25, получаем следующее расчетное выражение для средней теплоотдачи:

Nu=0,943(Gа*К*Рг)0,25 (15.49)

Все физические свойства конденсата в уравнении (15.49) берутся при температуре tн. Число фазового пре­вращения К отражает соотношение между теплотой фа­зового превращения и теплотой переохлаждения конден­сата cpt.

Формула (15.49) справедлива для ламинарной плен­ки конденсата, т. е. при Re=w0 = tl/rReкр= = 400. Расчетные формулы для турбулентной пленки можно найти в более полных курсах теплопередачи.

§ 59. Законы теплового излучения

Тепловое излучение подчиняется общим для электро­магнитных волн законам. Однако существуют специфи­ческие для теплового излучения законы, которые полу­чены применительно к абсолютно черному телу, находя­щемуся в термодинамическом равновесии.

Термодинамическим равновесием называют состоя­ние, при котором все тела, входящие в данную излучаю­щую систему, имеют одинаковую температуру, а интен­сивность излучения в любой точке объема не зависит от направления и имеет одну и ту же величину.

Планк установил закон распределения энергии по длинам поля во всей облас­ти спектра теплового излу­чения абсолютно черного те­ла. Он показал, что энергия излучения с длиной волны l, испускаемого черным те­лом с температурой Т, равна:

где E,0— плотность потока моно­хроматического (спектрального) излучения черного тела, Вт/м4; С1=3,7413*10-16 Вт*м2 — первая постоянная излучения; С2= = 1,4388*10-2 м*К —вторая по­стоянная излучения.

На рис. 16.3 дано графическое представление урав­нения (16.3), выражающего закон Планка. Видно, что энергия излучения, испускаемого черным телом, возрас­тает с температурой. Кривые имеют максимум с резким спадом в сторону коротких волн и более пологим спадом в сторону длинных волн. При  -> 0 и -> ¥ плот­ность потока излучения стремится к нулю.

Закон Планка имеет два предельных случая. Первый предельный случай относится к области больших длин волн при высоких значениях температур. В этом случае

Условие (16.4) позволяет ограничиться двумя члена­ми этого ряда. Подставляя эти члены в формулу (16.3) вместо экспоненциальной функции, получим:

Зависимость (16.5) выражает закон Релея — Джинса, являющийся частным случаем закона Планка.

Второй предельный случай закона Планка соответст­вует коротковолновой области спектра при высоких тем­пературах, где С2.

Тогда в уравнении (16.3) можно пренебречь едини­цей по сравнению с членом С2/Т и получить следую­щую приближенную формулу:

Зависимость (16.6) известна как закон Вина

Положения максимумов излучения (см. рис. 16.3) можно получить из. выражения (16.3), исследуя функ­цию на экстремум. Приравнивая производную нулю и находя значение = mах, при котором E достигает экстремального значения,получаем:_

где max — длина волны, м, которой соответствует максимальная плотность излучения.

Зависимость (16.7) выражает закон смещения Вина для абсолютно черного тела. Согласно этому закону максимальное значение спектральной плотности потока излучения с повышением температуры сдвигается в сто­рону более коротких волн.

Закон Стефана — Больцмана устанавливает зависи­мость плотности интегрального полусферического излу­чения * от температуры абсолютно черного тела и может быть получен из формулы Планка. Интегрируя выраже­ние (16.3) во всем интервале длин волн, получим:

где =5,67*10-8 Вт/(м2*К4)—постоянная Стефана — Больцмана. Согласно уравнению (16.8), плотность интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела зависит только от температуры и изменяется пропорцио­нально четвертой степени абсолютной температуры. При высоких температурах величина Г4 достигает больших значений, поэтому для удобства практических расчетов формулу (16.8) записывают в виде:

где С0=*108=5,67 Вт/(м2*К4)—коэффициент излучения абсолют­но черного тела.

* Интегрального — значит в диапазоне изменения длины волны от нуля до бесконечности, полусферического — по всем направле­ниям внутри полусферы над точкой поверхности тела.

Зависимость (16.9) впервые экспериментально была установлена Стефаном задолго до появления квантовой теории Планка, позднее Больцман получил эту зависи­мость теоретически, исходя из первого и второго законов термодинамики.

Закон Стефана — Больцмана позволяет определить суммарное излучение поверхности тела по всем направ­лениям в пределах полусферы.

Энергия излучения, испускаемая телом по отдельным направлениям, устанавливается законом Ламберта. Согласно закону Ламберта, поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении пропорционален по­току излучения в направлении нормали к поверхности и косинусу угла между ними. Для интенсивности излу­чения закон Ламбертаимеет вид:

где I и In — интенсивности интегрального излучения в направле­нии, определяемом углом < (см. рис. 16.1), и в направлении нор­мали к поверхности.

Закон Ламберта строго справедлив для абсолютно черного тела. Для шероховатых поверхностей этот закон подтверждается опытом лишь для =0...60°; резкое от­клонение от закона Ламберта наблюдается для полиро­ванных металлических поверхностей.

Все реальные тела имеют поглощательную способ­ность, меньшую единицы, - и называются нечерными те­лами. Для количественной характеристики реальных тел введено понятие степени черноты тела. Степенью черно­ты тела называется отношение энергии излучения дан­ного тела к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре:

Значение  изменяется от нуля до единицы. Степень черноты характеризует излучательную способность реального тела по сравнению с абсолютно черным те-, лом. Степень черноты может зависеть от длины волны излучения. Различают спектральную (, Т)=(Т) и интегральную г(Т) степень черноты. Спектральная сте­пень черноты для длины волны  и температуры Т опре­деляется отношением интенсивности излучения реально­го тела I (Т) к интенсивности излучения I (Т) абсо­лютно черного тела при той же температуре. Твердые диэлектрики, имеющие шероховатую поверхность, обла-

дают небольшой степенью селективности. Спектр их из-лучения является сплошным и по своему характеру ма­ло отличается от спектра излучения абсолютно черного тела.

Если тело обладает непрерывным спектром излуче­ния, а кривые зависимости интенсивности излучения Iот длины волны реального и абсолютно черного тел по­добны, то такое тело называют серым. Для серых тел степени черноты и коэффициенты поглощения неизмен­ны во всем спектре излучения:  =  и Аl =А.

Строго говоря, серых тел, так же, как и абсолютно черных, в природе не существует. Однако с некоторым приближением многие тела (диэлектрики, окиси метал­лов с шероховатыми поверхностями и др.) могут быть отнесены к серым, при этом чем уже рассматриваемый интервал длин волн, тем с большей степенью точности тело может считаться серым.

Для решения практических задач лучистого теплооб­мена преимущественно используют интегральную сте­пень черноты. При известной г(Т) плотность интеграль­ного излучения E(T) при температуре поверхности Т мо­жет быть найдена из уравнений (16.9) и (16.11):

Из-за сложности теоретического анализа надежные значения интегральной степени черноты могут быть по­лучены лишь опытным путем.

Закон Кирхгофа устанавливает связь между излуча-тельной и поглощательной способностями тела. Отноше­ние излучательной способности к поглощательной для всех тел (1, 2, 3, ...) одинаково, равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же темпе­ратуре и зависит только от температуры:

Изравенства (16.13) следует, что при любой тем­пературе излучательная способность абсолютно черного тела является максимальной: чем больше излучательная способность тел, тем больше их поглощательная способ­ность.

Для спектрального излучения закон Кирхгофа фор­мулируется следующим образом: отношение излучатель­ной способности при определенной длине волны к погло­щательной способности при той же длине волны для

всех тел одно и то же и является функцией длины волны и температуры,т. е.

Из определения степени черноты и закона Кирхгофа следует:

для всех тел:

для серых тел:

Закон Кирхгофа базируется на втором законе термо­динамики и является одним из основных законов теории теплового излучения.

Закон Бугера описывает поглощение энергии про­зрачными средами. Пусть поверхностью некоторой среды поглощается лучистый поток, спектральная интенсив­ность которого I0. При прохождении его через среду интенсивность уменьшается и на расстоянии х от по­верхности составляет I. Как следует из закона Бу­гера, между I0 и I справедлива зависимость:

где k —коэффициент ослабления луча при данной длине волны. Коэффициент ослабления k зависит от физических свойств среды и температуры. Введем обозначение:

и перепишем закон Бугера в виде:

Поглощательная способность вещества в слое толщи­ной l:

Полная поглощательная способность среды опреде­ляется суммой значений Аli отдельных участков i спектра:

§ 60. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

При анализе лучистого теплообмена между твердыми телами принимаются определенные допущения. Собст­венное и отраженное излучение всех тел, между которы­ми происходит лучистый теплообмен, подчиняется зако­ну Ламберта. Тела непрозрачны, внешние поверхности — изотермические, среда между телами прозрачна для из­лучения. Коэффициенты поглощения и черноты не зави­сят от температуры.

Рассмотрим теплообмен между неограниченными плоскопараллельными плоскостями. Физические пара­метры, относящиеся к первой и второй плоскостям, бу­дем снабжать индексами 1 и 2 и примем, что T1>T2. Обе плоскости излучают в пространство энергию, кото­рая частично поглощается и отражается самими плос­костями, при этом процессы поглощения и отражения многократно повторяются. Воспользовавшись понятиями эффективного потока, запишем для результирующей плотности, полусферического излучения Eрез от первого тела ко второму:

Согласно зависимости (16.1), эффективную излуча-тельную способность Eэф1 и Eэф2 каждой плоскости мож­но представитьв виде:

При составлении зависимостей (16.16) предполага­лось, что Eпад1=Eэф2; Eпад2=Eэф1. Решим систему урав-

нений (16.16)относительно Eэф1 и Eэф2:

Подставив значения Eэф1и Eэф2 в уравнение (16.15), получим:

(16.17)

Тепловой поток q, переносимый излучением от первой плоскости ко второй, найдем из уравнений (16.12), (16.14) и (16.17)

(16.18)

где пр — приведенная степень черноты системы, определяемая формулой

(16.19)

Из формулы (16.19) следует, что если одна из плос­костей обладает значительной степенью черноты по сравнению с другой: 1>>2, то пр определяется величи­ной меньшей степени черноты: пр=2. Для тел с боль­шой степенью черноты (1 и 2 не менее 0,8) пр прибли­женно может быть принята равной 12.

Рассмотрим теплообмен между телом и его оболоч­кой. На рис. 16.4,а, б представлены следующие системы двух тел: тело 1 находится в замкнутой полости тела 2, тело 2 охватывает плоское или выпуклое тело 1.

Пусть тело 1 имеет более высокую температуру, тог­да теплообмен излучением между телами 1 и 2 приведет к переносу тепловой энергии от тела 1 к телу .2. Резуль­тирующая плотность полусферического излучения в рас­сматриваемом случае может быть найдена изложенным выше методом. Однако в отличие от предыдущей зада­чи необходимо учесть, что не весь лучистый поток с те­ла 1 попадает на тело 2 (см. рис. 16.4).

Введем понятие угловых коэффициентов излучения j1,2 и 2,1 Они показывают, какая часть лучистого по­тока, испускаемого одним телом, падает на другое тело, находящееся в лучистом теплообмене с первым, т. е.

ч

Результирующий тепловой поток Q1,2 может быть представлен в следующем виде:

Для случаев, изображенных на рис. 16.4, 2,1<1, а

j1,2 = 1-

Используя зависимости (16.1), (16.12) и (16.14), '• можно привести выражение (16.21) для Q1,2 к виду, удобному для практических расчетов:

где F1 и F2 — площади поверхностей тел 1 и 2.

Рассмотрим теплообмен излучением в замкнутой си­стеме из двух вогнутых серых тел. Пусть два серых во­гнутых тела 1 и 2 с температурами Т1 и Т2 и степенями черноты 1 и 2 образуют замкнутую систему (рис. 16.4,в). Результирующий тепловой поток в такой системе тел можно найтииз выражения:

Следовательно, для расчетов по формуле (16.23) не­обходимо предварительно установить значения угловых коэффициентов 1,2 и 2,1 для данной системы тел.

Рассмотрим теплообмен излучением между двумя произвольно расположенными в пространстве серыми поверхностями с высокой степенью черноты. Имеем два серых тела с выпуклыми или плоскими поверхностями конечных размеров F1 и F2, температуры поверхностей Т1 и Т2, а их степени черноты 1 и 2, при этом i>=0,8. Требуется определить результирующий тепловой поток.

Выделим на каждом из рассматриваемых тел элемен­тарные площадки dF1 и dF2, бесконечно малые по сравне­нию с расстоянием r между ними; введем углы 1 и 2 между линией, соединяющей середины элементарных площадок, и нормалями n1 и п2 к площадкам (рис. 16.5). Вычисления приводят к следующему выражению для Q1,2 •!•

Интеграл

имеет единицу площади и называется взаимной поверх­ностью излучения тел 1 и 2.

 

Можно показать, что величина Н1,2 связана с угло­выми коэффициентами излучения 1,2 и 2,1 простыми

соотношениями: Н1,2 = 1,2F1; Н2,1 = 2,1F2; Н1,2 = H2,1 .

Следовательно, задача вычисления результирующего теплового потока Q1,2 между двумя произвольно распо­ложенными в пространстве поверхностями конечных раз­меров сводится к определению коэффициента 1,2.

Угловые коэффициенты излучения характеризуют геометрические свойства различных систем тел, в кото­рых рассматривается теплообмен излучением. При рас­четах коэффициентов излучения ij или взаимных по­верхностей излучения Hij часто используют метод лу­чистой (поточной) алгебры, базирующийся на некото­рых общих свойствах лучистых потоков.

Рассмотрим теплообмен излучением при наличии эк­ранов. Экраны уменьшают теплообмен излучением меж­ду телами, они устанавливаются ортогонально к направ­лению потока излучения и выполняются из тонких ме­таллических листов.

Рассмотрим теплообмен излучением между двумя па­раллельными стенками, между которыми расположен экран (рис. 16.6). Тепловой поток можно определить из выражения (16.18). Примем C1 = C2=Cэ=C. Если экра­на нет, то

(16.24)

При наличии экрана тепловой поток между первой стенкой и экраном выразится формулой

(16.25)

От экрана ко второй стенке передается теплота

При одинаковыхкоэффициентах излучения стенок и экрана приведенные коэффициенты излучения всех си­стем также будут одинаковы: C1,2=C1э=Cэ2=Cпp= = 1/(2/С-1/Со).

Из условия стационарности q1э=q2э=qэ. Приравни­вая правые части равенств (16.25) и (16.26), определим. (Tэ/100)4=l/2[(T1/100)4+(T2/100)4].

Подставив (Tэ/100)4 в уравнение (16.25) или (16.26),

получим

Сопоставление формулы (16.27) с формулой (16.24), в которой C1,2=Cпр, показывает, что постановка экрана с таким же коэффициентом излучения, как у стенок, при­водит к уменьшению теплового потока в 2 раза. Анало­гично можно показать, что при п экранах тепловой по­ток уменьшится в n+1 раз. Таким образом, при одина­ковых коэффициентахизлучения

Если коэффициенты излучения экрана и стенок не­одинаковы (С1 С2 Сэ), то при одном экране

Здесь С1э С2э С1,2. Эти коэффициенты определяют­ся по формуле приведенного коэффициента излучения. С помощью формулы (16.29) легко показать, что при уменьшении Сэ повышается эффективность экрана. Так, при Сэ=0,3 и С1 = С2 = 5,25 один экран уменьшает по­ток теплоты в 30 раз.

Повышение эффективности экрана при уменьшении коэффициента излучения обусловлено повышением его отражательной способности (так как С=АС0, a A+R = = 1). Но уменьшение потока теплоты обусловлено не только отражением экрана, но и тем, что благодаря эк­рану уменьшается перепад температур, определяющий тепловой поток. В самом деле,

Поэтому даже при С1 = С2=Сэ=С0, т. е. когда экран ничего не отражает, благодаря условию (16.29') всегда qэ<q.

 

§ 61. Особенности излучения газов и паров. Сложный теплообмен

Одноатомные и двухатомные газы не обладают за­метной излучательной способностью и являются практи­чески прозрачными (диатермичными) для излучения. Трехатомные газы (Н2О, СО2 и др.) обладают значи­тельной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный харак­тер. В отличие от твердых и жидких тел излучение га - зов носит объемный характер.

Количество поглощаемой газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (или излучающих) молекул. Концентрацию молекул удобно оценить парциальным давлением газа р. Так как толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, то степень черноты газа и его поглощательную способность можно выбирать в зависимости от параметра pl, где l — сред­няя длина луча в пределах газового слоя, которая может быть определена из формулы l=3,6V/F (здесь V — га­зовый объем; F — площадь поверхности оболочки).

Наиболее хорошо изучен теплообмен излучением для Н2О и СО2, которые содержатся в продуктах сгорания органических топлив. Плотность их собственного ин­тегрального излучения по экспериментальным данным определяетсяиз выражений:

Из уравнений (16.30)ч и (16.31) видно, что парциаль­ное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н2О, чем на излучение СО2. По­этому при малых толщинах слоя преобладает излучение СО2 а при больших — излучение Н2О.

Выражения (16.30) и (16.31) показывают, что излу­чение газов не подчиняется закону Стефана — Больц-мана. Плотность теплового потока, передаваемая газом, содержащим СО2 и Н2О, определяется из эмпирической формулы:

где эф — эффективнаястепень черноты стенки; Аг — поглощатель-ная способность газа при температуре стенки; Тс — температура стенки; T ж—температура газов.

Степень черноты газа при температуре газа Tж под-считывается по формуле.

Значения степени черноты CO2, и H2O в зависимости от температуры и параметра pl приведены на рис. 16.7 и 16.8. Поправочный коэффициент  определяют по гра­фику на рис. 16.9.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В слож­ном теплообмене излучение является важной составной

частью. Сложный теплообмен можно разбить на тр_и разновидности: теплообмен излучением между потоком излучающего газ и стенками канала, радиационно-кон-дуктивный теплообмен и радиационно-конвективный теплообмен.

При темплообмене излучением между потоком излу­чающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение темпе­ратуры газа по сечению канала и его длине, возникаю­щее из-за теплообмена. Оказывается, что теплота, пере­данная излучением, не растет монотонно с ростом степе­ни черноты газового объема, а имеет максимальное зна­чение при некотором ее значении. Уменьшение количест­ва передаваемой теплоты при большой поглощательной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиационно-кондуктивном теплообмене проис­ходит перенос теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопровод­ности. В случае нерассеивающей среды этот вид тепло­обмена характеризуется оптической толщиной слоя сре­ды kl, степенью черноты тепловоспринимающих поверх­ностей сг1; сг2, относительной температурой поверхно­сти, имеющей низкую температуру  = T2/T1, и парамет­ром N=1/Кi=k/40T13, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением. Если N->¥, то теплота переносится только теплопроводностью, N ->0 — только излучением. Радиа-ционно-кондуктивный: теплообмен является весьма слож-

ным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задачи получаются лишь для некоторых частных слу­чаев.

При оптически тонком слое (kl = 0) излучение не по­глощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае диатермичной среды. Полный теп­ловой поток определяется простым суммированием лу­чистого и кондуктивного потоков

При оптически толстом слое (kl->¥) влияние радиа­ционных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (16.33), ра­диационный поток несколько видоизменен:

Радиационно-конвективный теплообмен весьма сло­жен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти два обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с чем за­дача его инженерного расчета еще далека от своего ре­шения. Для практических расчетов обычно используют принцип независимости конвективного и лучистого пото­ков, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого. Так, для учета тепло­отдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвек­цией, подсчитанному обычным образом, т. е. без учета влияния радиационного теплообмена на профили скоро­сти и температуры, рекомендуется прибавлять условный коэффициент теплоотдачи излучением л, поэтому сум­марный коэффициент теплоотдачи равен  = к+л.

Для сложных процессов теплообмена используют ряд чисел подобия, в частности числа Больцмана — Во и Кирпичева — Ki, имеющие вид:

Число Больцмана Во характеризует радиационно-конвективный теплообмен: чем оно меньше, тем боль­шую роль играет лучистый теплообмен в среде по

сравнению с конвективным. Число Кирпичева Ki харак­теризует радиационно-кондуктивный теплообмен. Число Бугера Вu=kl0 характеризует оптическую плотность среды, т. е. прохождение через нее лучистой энергии.

ГЛАВА 17. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

§ 62. Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой при осуществлении различных тепловых процессов (например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации). Жидкие среды, воспринимающие или отдающие теплоту, именуют горя­чими или холодными теплоносителями.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяются на поверхностные (рекуперативные и ре­генеративные), в которых тепловой перенос осуществ­ляется с использованием разделяющих поверхностей и твердых тел, и смесительные, процессы нагревания и охлаждения в которых происходят при непосредствен­ном контакте теплоносителей.

В рекуперативных теплообменниках горячий и хо­лодный теплоносители перемещаются одновременно, а теплота непрерывно передается через разделяющую их стенку.

Регенеративными (регенераторами) называются теп­лообменные аппараты, в которых теплоносители по­переменно соприкасаются с поверхностью так называе­мой насадки, аккумулирующей теплоту от горячего теплоносителя и отдающей ее холодному теплоносите­лю. Таким образом, для регенераторов характерен не­стационарный теплообмен.

В зависимости от агрегатного состояния теплоноси­телей рекуперативные теплообменники классифициру­ются на газогазовые, газожидкостные, парогазовые, па-рожидкостные и жидкостножидкостные. В основу клас­сификации рекуперативных теплообменников может быть также положен способ компоновки теплопередаю-щей поверхности или ее конфигурация: теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубчатые, с прямыми трубками, змеевиковые, пластинчатые, ребристые.

По относительному движению потоков теплоносите­лей теплообменники делят на прямоточные, противоточ-ные и со смешанным током.

В особую группу выделяют теплообменные аппара­ты с внутренними источниками теплоты, отвод которой осуществляется одним теплоносителем. Примером та­ких теплообменников могут служить электронагревате­ли, ядерные реакторы и др.

В связи с широким использованием теплообменни­ков в различных областях техники возросло число их наименований, определяемых спецификой работы этих устройств. Так, встречаются парогенераторы, экономай­зеры, воздушные калориферы, конвекторы, холодильни­ки, конденсаторы, градирни, испарители, скрубберы, охладители выпара и т. д. Но несмотря на различное функциональное назначение этих аппаратов, методика теплового расчета является для них общей.

§ 63. Тепловой расчет рекуперативных теплообменников

При проектировании новых теплообменных аппара­тов необходимо выполнить конструкторский тепловой расчет, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, обеспечивающей передачу заданного количества теплоты от одного теплоносителя к другому. Для выявления возможности использования имеющихся аппаратов в тех или иных целях производят поверочный тепловой расчет, определяя конечные тем­пературы теплоносителей t"г и t"x и количество пере­данной теплоты.

Основными расчетными уравнениями, записанными в дифференциальной форме, являются уравнение тепло­передачи для элемента площади поверхности теплооб­мена dF:

и уравнение теплового баланса:

где Мг, Мх — массовые расходы горячего и холодного теплоноси­телей, кг/с; hг, hx — энтальпии теплоносителей, кДж/кг; dQпот — потери в окружающую среду, кВт.

В общем случае температуры теплоносителей в теп­лообменнике изменяются, изменяется и температурный

напор t = tг— tx. В расчетах используется среднее по всей площади поверхности теплообмена значение тем­пературного напора tcp. В этом случае уравнение теп­лопередачи (17.1) записывается в виде (k=const):

Удельные изобарные теплоемкости ср теплоносите­лей зависят от температуры. Если использовать среднее значение изобарной теплоемкости в интервале темпера­тур от t' (вход) до t" (выход) и пренебречь потерями теплоты в окружающую среду Qпот, то уравнение (17.2) преобразуетсятак:

Произведение Mcp является полной теплоемкостью массового расхода теплоносителя в единицу времени и измеряется в Вт/К. Эта величина часто называется водяным эквивалентом.

Уравнение (17.4) при введении в него полных теп-лоемкостей W примет вид:

или

Соотношение (17.6) может быть записано для эле­мента площади поверхности теплообмена dF: Wx/Wг= =dtг/dtx.

Таким образом, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению полных теплоёмкостей массовых расходов. На харак­тер изменения температур теплоносителей вдоль по-верхности теплообмена, а значит и на температурный напор, значительное влияние оказывает схема движе-ния (рис. 17.1). При прямоточной схеме теплоносители движутся параллельно и в одном направлении (рис. 17.1,а). При параллельном, но противоположном направлении движения теплоносителей схема называ­ется противотоком (рис: 17.1,6). Если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, то схема их движения называется перекрестным током (рис. 17.1,в). На практике приходится осуществлять и более сложные схемы движений: многократный пере­крестный ток, одновременный прямоток и противоток

(рис. 17.1,г) и т. д. При этом один или оба потока мо­гут перемешиваться по своему сечению или же проте­кать по изолированным каналам.

На рис. 17.2 изображены характерные кривые изме­нения температуры вдоль поверхности теплообмена F для прямотока и противотока в зависимости от соотно­шений полных теплоемкостей Wг и Wx. На графиках, как следует из уравнения (17.6), меньшее изменение температуры получается для того теплоносителя, у ко­торого полная теплоемкость массового расхода больше.

В случаях, когда один из теплоносителей имеет по­стоянную температуру (кипение жидкости или конден­сация пара), прямоток и противоток равнозначны и среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков.

Рассмотрим теплообменный аппарат, работающий по противоточной схеме. Характер изменения темпера-

тур теплоносителей в этом теплообменнике показан на рис. 17.3.

При передаче теплоты dQ через элемент площади поверхности dF температура горячего теплоносителя сни­жаетсяна величину

а холодного возрастает на величину

Так какиз уравнения (17.5) следует, что Wг= = Q/(t'г—t"г) и Wx=Q/(t''х— t'x), то подставляя эти значения в уравнения (17.7а) и (17.76) и решая их совместно с уравнением (17.1), получаем

Считая коэффициент теплопередачи k постоянным вдоль всей поверхности нагрева, интегрируем уравне­ние(17.7в):

или и

Если сравнить уравнение (17.8) с уравнением (17.3), то получаемформулу

Обычно при расчете теплообменников формула (17.9) используется в виде

где tб и tм — наибольшая и наименьшая разности температур для данного теплообменного аппарата.

В формулу (17.10) введена поправка t учиты­вающая снижение среднего температурного напора для

теплообменников с перекрестным и смешанным токами по сравнению с теплообменниками с противотоком. Ве­личина t зависит от значений вспомогательных ха­рактеристик P=(t"x—t'x)/(t'г-t''г) и R=(t'г—

На рис. 17.4 представлены кривые, позволяющие оп­ределить поправку t для теплообменника, у кото­рого схема движения теплоносителей более сложна, чем противоток и прямоток.

Рассчитанная по формуле (17.10) средняя разность температур называется среднелогарифмическим темпе­ратурным напором и применяется для различных схем аппаратов при постоянстве массовых расходов теплоно­сителей.

Вместо среднелогарифмического температурного на­пора в расчетах может быть использован среднеариф­метический напор

если tб/tм<1,7, что обеспечивает погрешность в сто­рону увеличения tср не более чем на 3 %.

Определение коэффициента теплопередачи k для теплообменных аппаратов является важным и ответст­венным моментом расчета. При осреднении величины k по поверхности теплообмена требуется тщательный учет изменения температур теплоносителей и геометри­ческой конфигурации поверхности теплообмена.

Наиболее распространенными в теплообменниках являются трубные цилиндрические поверхности. Фор­мулы для расчета коэффициента теплопередачи в этом случае несколько громоздки. Если стенка трубы не очень толста (dнар/dвн<1,5), то с достаточной точ­ностью используются формулы, полученные для плос­кой стенки.

В процессе эксплуатации поверхность нагрева по­крывается слоями накипи, сажи, золы и т. д., что со­здает дополнительные термические сопротивления теп­лопроводности, уменьшающие тепловой поток от горя­чего теплоносителя к холодному. Естественно, что при этом возрастает и гидравлическое сопротивление тепло-обменного аппарата.

Если для простоты расчета пренебречь влиянием слоев загрязнений, то полное термическое сопротивле­ние теплопередаче можно записать в следующем виде:

при отнесении теплового потока к единице площади полной поверхности теплообмена Fг на стороне горяче­го теплоносителя

при отнесении теплового потока к единице площади полной поверхности теплообмена Fx на стороне холод­ного теплоносителя

Под площадью полной поверхности подразумевает­ся площадь тепловоспринимающей или теплоотдающей поверхности, омываемая горячим или холодным тепло­носителем и включающая в себя площади ребер и лю­бой другой развитой поверхности. Площадь поверхно-

сти F соответствует средней площади основной или так называемой первичной поверхности, которая является базой для устройства на ней ребер, турбулизаторов и т. д., используемых для интенсификации теплоотдачи.

Если дополнительная развитая поверхность отсутст­
вует и теплообменник изготовлен, например, из гладко-
стенных труб, то F=(Fг+Fx)/2 и в этом случае коэф­
фициенты эффективности полных поверхностей теплооб­
мена ог и ох равны 1, .

Если же поверхность теплообмена дополнительно развита, например оребрена, то из-за снижения темпе­ратуры поверхности ребер по сравнению с температу­рой основной поверхности коэффициент эффективности развитой поверхности снижается.

Эффективность полной поверхности теплообмена можно рассчитать так:

где p — эффективностьребра (см. § 47).

Коэффициенты теплопередачи г и х рассчитывают­ся по формулам, приведенным в гл. 15, а также в § 61.

§ 64. Расчет конечных температур теплоносителей

Для уже спроектированного или находящегося в эксплуатации теплообменного аппарата целью теплово­го расчета является определение конечных температур теплоносителей, т. е. температур рабочих жидкостей t"г и t''х на выходе из теплообменного аппарата, а так­же количество переданной теплоты. При таком повероч­ном расчете известны площадь поверхности теплообме­на F, температуры теплоносителей на входе t'г и t'x, коэффициент теплопередачи k и полные теплоемкости Wг и Wх теплоносителей.

Если температура вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (tб/tм<1,7) и ее распре­деление может быть принято линейным, то конечные температуры теплоносителей определяются из уравне­ния (17.5) следующимобразом:

При линейном изменении температур вдоль поверх­ности теплообмена допускается использование средне­арифметическоготемпературного напора

Подстановка уравнений (17.12) и (17.13) в уравне­ние теплопередачи (17.3) приводит к следующему вы­ражению:

Решение этогоуравнения относительно Q дает фор­мулу для расчета количества переданной теплоты

Далее по формулам (17.12) вычисляются темпера­туры теплоносителей на выходе из теплообменного ап­парата.

В большинстве практических случаев характер из­менения температур нелинеен и зависит от схемы дви­жения теплоносителей, соотношения между их полными теплоемкостями и площади поверхности теплообмена.

Простые преобразования выражения (17.7г) с ис­пользованием формул (17.7а) и (17.76) позволяют по­лучить следующее уравнение для противоточной схемы (см. рис. 17.3):

или

Из уравнения (17.17) следует, что вдоль поверхно­сти теплообмена температурный напор t изменяется по экспоненциальному закону. При этом в прямоточных теплообменниках температурный напор непрерывно уменьшается в направлении движения теплоносителей. При противотоке характер изменения температурного напора зависит от соотношения полных теплоемкостей массовых расходов теплоносителей. В случае когда Wг<Wx, температурный напор уменьшается в направ­лении движения горячей жидкости; при Wг>Wx вели­чина At возрастает в том же направлении.

Для расчета конечных температур теплоносителей припротивотоке используются следующие формулы-

Для прямотока применимы такие формулы: и

Выражения

зависят только от заданных величин, т. е. от kF/Wг и Wг/Wx. Они могут быть затабулированы, что значитель­но облегчает решение поставленной задачи.

Рассмотрим частные случаи для противоточного теплообменника. Если Wг=Wх=W, т. е. полные тепло­емкости массовых расходов теплоносителей численно равны, то уравнения (17.20) и (17.21) для прямотока трансформируютсяк следующему виду:

Для противотокапои Wг=Wх=W имеем:

В случаях, когда температура одного из теплоноси­телей остается постоянной вдоль поверхности теплооб­мена, т. е. прямоточная и противоточная схемы равно­ценны, получаем:

при Wг -> ¥

(17.23)

при Wx -> ¥

(17.24)

§ 65. Сравнение прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей

Анализ рис. 17.2 позволяет выявить одно важное преимущество противоточной схемы: конечная темпера­тура холодного теплоносителя t"x может быть более высокой, чем температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника. Такая ситуация невозмож­на в прямоточном теплообменнике, где всегда t"г>t"х-Лишь при бесконечно большой площади поверхности теплообмена на выходе из идеализированного прямо­точного теплообменника можно получить равные тем­пературы теплоносителей.

Вторым важным достоинством противоточной схемы является то, что средний температурный напор полу­чается большим, чем для тех же температур при пря­моточной схеме. Это значит, что при противоточном движении теплоносителей можно уменьшить площадь поверхности теплообмена [см. уравнение (17.3)].

Сравнение двух схем движения теплоносителей мо­жет быть., проведено путем сопоставления количества теплоты Qп, передаваемой при прямоточной схеме, и количества теплоты Qпр, передаваемой при противоточ­ной схеме, при равенстве прочих условий.

На рис. 17.5 показана зависимость отношения Qп/Qпр от двух безразмерных характеристик Wг/Wx и kF/Wг. Равноценность двух схем наблюдается в случае, когда полная теплоемкость одного из тепдоносителей значительно больше полной теплоемкости другого (Wг/Wx>15 или Wг/Wx<0,03). Одинаковый эффект может быть достигнут для - двух схем и в случае, когда значение параметра kF/Wг мало. Это условие выполня­ется, если средний температурный напор значительно превышает изменение температуры горячего теплоно­сителя.

Таким образом, при равной площади поверхности теплообмена и одинаковых значениях температур теп

лоносителей на входе и вы­ходе при противотоке пере­дается теплоты больше, чем при прямотоке. В то же вре­мя при противотоке темпе­ратурные условия работы металла, из которого изго­товлена поверхность тепло­обмена, более тяжелые, осо­бенно в зоне входа горячего теплоносителя, где другая сторона стенки омывается

холодным теплоносителем с наибольшей его температу­рой. Этот фактор учитывается при конструировании теплообменных аппаратов, работающих с высокотемпе­ратурными теплоносителями, например, пароперегрева­телей котельных агрегатов, некоторых типов воздухопо­догревателей и т. д.

Как уже отмечалось, противоточные и прямоточные схемы равнозначны, если один из теплоносителей в про­цессе теплообмена имеет неизменную температуру (кон­денсация насыщенных паров или кипение жидкости).

§ 66. Основы теплового расчета

регенеративных и смесительных теплообменников

Поверхность теплообмена регенераторов поочередно омывается горячим и холодным теплоносителями, вос­принимая и аккумулируя теплоту в первом случае и отдавая ее во втором. Таким образом, процесс тепло­передачи не стационарен и температура поверхности насадки (кирпич, металлические листы) изменяется в периоды нагревания и охлаждения; изменяются и тем­пературы теплоносителей. В связи с этим тепловой рас­чет регенераторов весьма сложен.

Время, за которое происходит нагрев г и охлажде­ние х насадки, называется полным циклом или перио­дом:

Если использовать средние температуры теплоноси­телей tг и tx и поверхностей tс. г и tc. x за цикл, то рас­чет можно упростить с достаточной для практики точ­ностью и свести его к решению уравнений, аналогич-

432

ных используемым при расчете рекуператоров. В этом случае уравнение теплопередачипринимает вид:

Особенностью является то, что количество передан­ной теплоты рассчитывается за цикл и измеряется в

кДж.

Коэффициент теплопередачи kц определяется по

формуле

Поправочный коэффициент k позволяет учесть не­равенство средних температур поверхности насадки за периоды охлаждения и нагревания:-

Обычно k = 0,8. Вычисление коэффициентов тепло­отдачи г и x проводится по формулам для стационар­ных процессов переноса теплоты конвекцией и излуче­нием с использованием усредненных значений темпера­тур теплоносителей и поверхности.

Процесс теплообмена в регенераторах зависит от многих факторов, в частности, от формы и толщины насадки, ее теплофизических свойств, температур теп-лоносителей, длительности цикла, полноты омывания поверхности нагрева, засорения зольными отложениями

и т. д.

Смесительные теплообменные аппараты характери­зуются непосредственным контактом холодного и горя­чего теплоносителей. Эти аппараты находят, в частно­сти, широкое применение в системах кондиционирова­ния воздуха.

Естественно, что чем больше площадь поверхности соприкосновения теплоносителей, тем активнее протека­ют процессы тепло - и массообмена. С этой целью жид­кости обычно разбрызгиваются на отдельные капли, размеры которых определяют скорость их движения, и выбираются исходя из конкретных условий.

При расчете смесительных аппаратов обычно поль­зуются нормами допустимой тепловой нагрузки едини­цы объема смесительного аппарата, установленными практикой. Именно равномерное распределение потоков теплоносителей по сечению с целью увеличения степе­ни использования объема позволяет повысить произво­дительность аппарата и уменьшить его размеры.

 

§ 67. Использование безразмерных характеристик для расчета теплообменных аппаратов

Переменные величины, входящие в уравнения тепло­вого баланса и теплопередачи (температуры горячего и холодного теплоносителей, их полные теплоемкости массового расхода, коэффициент теплопередачи) могут быть сгруппированы в безразмерные параметры (ха­рактеристики), обладающие определенным физическим смыслом. Некоторые из этих характеристик уже встре­чались при изучении теплового расчета теплообменни­ков, основанного на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи.

Эффективность (КПД) теплообменника определяет­ся выражением:

где Wmin — наименьшая из величин Wг и Wx.

Эффективность  выражает соотношение между фактически переданным количеством теплоты

и максимально возможным количеством теплоты Qmaх, переданным в идеальном противоточном теплообменнике с бесконечно большой площадью поверхности теплооб­мена;

при Wх<Wг:

при Wг<Wx:

При заданных рабочих параметрах t'г, t'x, Wг, Wx величина  полностью определяет условия теплообмена между теплоносителями. Так, если Wг=Wmin, то величи­на = (t'г—t"г)l(t'г—t'x) может трактоваться как темпе­ратурный КПД процесса охлаждения горячей жидкости, а при Wх— Wmin величина =(t"x—t'x)/(t'г—t'x) харак­теризует эффективность процесса нагревания холодной жидкости.

Следующий безразмерный параметр — число единиц переноса теплоты N определяется по формуле

Величина N характеризует возможность передачи теплоты от одного теплоносителя другому в данном теп-лообменном аппарате.

Физический смысл величины N, а также ее взаимо­связь с эффективностью  характеризуются кривыми, по­казанными на рис. 17.6. Очевидно, что для заданного со­отношения полных теплоемкостей при малых N низка и эффективность  теплообменника. При увеличении пара­метра N эффективность  повышается и приближается к пределу, определяемому схемой движения теплоносите­лей. Зная величину N, включающую в себя площадь по­верхности теплообмена F и коэффициент теплопередачи k [см. формулу (17.29)], моожно оценить степень повы­шения величины  с учетом капитальных затрат, массы и объема аппарата для заданной площади поверхности теплообмена, а также затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления при повышении коэффи­циента теплопередачи.

Если пренебречь термическим сопротивлением стенки, то формула (17.11а), определяющая полное термическое сопротивление теплопередаче, может быть преобразова­на в следующее выражение:

где L — рабочаядлина поверхности нагрева; rг — гидравлический

радиус, определяемый с учетом площади свободного сечения fc по формуле rг=fсL/F; Stг и Stx — числа Стентона, рассчитываемые по определяющим температурам холодного и горячего теплоносите­лей.

Третья безразмерная характеристика Wmin/Wmax— отношение полных теплоемкостей массовых расходов теплоносителей. Перечисленные безразмерные парамет­ры могут быть связаны в единое уравнение для каждой из возможных схем движения потоков теплоносите­лей, т. е.

Рассмотрим противоточный теплообменник, темпера­турные условия в котором схематически представлены на рис. 17.3. Предположим, что для него Wг/Wх<1, т. е. Wг= Wmin. Исходя из теплового баланса, получаем:

или

Очевидно, что можно построить так называемую «ра­бочую» линию, выражающую зависимость tг от tx для случая Wx/Wг= const. Эта «рабочая» линия нанесена на рис. 17.7. Ее наклон определяется отношением dtг/dtx— =Wх/Wг=m0=const>1. При tг = tx существует равно­весие между двумя потоками теплоносителей; линия, вы­ражающая это равновесие, также представлена на рис. 17.7, она проходит через начало координат.

Из определенияэффективности и из рис. 17.7 следует:

Решая совместно уравнения (17.33) и (17.1), полу­чаем

Интегрирование этого выражения в пределах темпе­ратур входа и выхода горячей жидкости приводит к сле­дующему уравнению:

В соответствии с рис. 17.7 можно получить равенства:

Такимобразом,

Решая совместно уравнения (17.36) и (17.38), получаем окончательно

По этому уравнению построен график на рис. 17.6.

Анализ зависимости =f(N) для противоточного теп­лообменника приведен выше. Следует добавить, что меньшее соотношение полных теплоемкостей теплоноси­телей позволяет получить большую эффективность при заданном значении N.

На практике встречаются два предельных вида урав­нения (17.39). Если в процессе передачи теплоты одна из жидкостей остается при постоянной температуре (ки­пение или конденсация), то ее полная теплоемкость бес­конечно велика, т. е. Wmin/Wmax= 0 и при этом

Если Wx=Wг, т. е. Wmin/Wmax= 1, то уравнение (17.39) принимает вид: =N/(1+N).

Если при расчете теплообменника требуется опреде­лить необходимую площадь поверхности теплообмена F и при этом заданы k, Wx, Wг, конечные температуры и характер относительного движения потоков, то применя­ют схему расчета с использованием зависимости г = —f(N); в общем виде схема расчета приведена ниже.

По известным конечным температурам вычисляют эффективность , а также отношение Wmin/Wmax. Ис­пользуя зависимости для заданной схемы движения по­токов, по величине Wmin/Wmax определяют N. Площадь поверхности теплообменаF находят по формуле

При указанной формулировке задачи использование среднелогарифмической разности температур также не вызывает сложностей и трудоемкость расчета примерно такая же, как и при расчете по методу безразмерных характеристик.

В случае поверочного расчета теплообменника (см. § 64), когда необходимо определить температуры тепло­носителей на выходе из аппарата при заданных F, k, Wг, Wx, t'г, t'x, схема расчета по методу безразмерных харак­теристик будет выглядеть так. Используя исходные дан­ные, вычисляют N и отношение Wmin/Wmax. Далее по из­вестным N и Wmin/Wmax для данной схемы движения по­токов определяют величину . Тепловую мощность аппа­рата рассчитываютпо выражению

Значения конечных температур теплоносителей опре­деляют из уравнений:

Метод безразмерных характеристик позволяет опре­делить эффективность работы теплообменных аппаратов различных типов. При этом появляется возможность учесть влияние различных факторов на эффективность работы аппарата: схемы движения теплоносителей, чис­ла ходов в перекрестноточных теплообменниках, а также наличия перемешивания теплоносителя (или течения его по отдельным параллельным каналам). Кроме того, этот метод позволяет установить, что перемешивание тепло­носителя с меньшей полной теплоемкостью массового расхода приводит к более высокой эффективности ра­боты теплообменника, а также оценить влияние отноше­ния полных теплоемкостей массового расхода теплоно­сителей на характеристики теплообменника-