где – полное термическое сопротивление многослойной стенки, м2.К/Вт.

Формула для расчёта теплового потока через цилиндрическую стенку

.

Формула для расчёта теплового потока через шаровую стенку

.

Тема 9. Конвективный тепло-массоперенос

Особенности течения жидкостей в условиях естественной и вынужденной конвекции. Свойства теплоносителей. Различные виды течения жидкостей и газа, перенос импульса в потоке. Основы теории пограничного слоя.

Характерные критерии и основные формулы для определения конвективного тепло-массообмена в различных условиях течения. Теплообмен при кипении жидкости и конденсации паров. Особенности теплообмена в потоках двухфазных сред и теплообмен при больших скоростях течения газов.

Теплоотдача – теплообмен между подвижной средой на границе её раздела с другой подвижной средой – газом или жидкостью – или стенкой.

Согласно закону Ньютона (1643–1717) и Рихмана (1711–1753) тепловой поток при теплоотдаче пропорционален площади поверхности теплообмена А и разности температур жидкости Тж и стенки Тс, или стенки и жидкости:

; (12.1)

или для поверхностной плотности теплового потока

; . (12.2)

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи, Вт /(м 2.К). Он зависит от многих величин и поэтому на практике определяется из так называемых критериальных уравнений, которые получают из обычных уравнений путём приведения их к безразмерному виду. В результате такого приведения число переменных значительно сокращается.

Безразмерные комплексы, составленные из физических величин, характеризующих данное явление, принято называть числами подобия. Числа подобия, характеризующие подобие двух процессов, называются критериями подобия. Примером критерия подобия является число Рейнольдса Re, которое в общем случае записывается в виде ,

где l – характерный линейный размер, в качестве которого могут быть диаметр трубы, толщина пластины или пограничного слоя, эквивалентный диаметр.

Числа (критерии) подобия принято обозначать первыми двумя буквами фамилий учёных, внесших существенный вклад в развитие теорий теплообмена и гидромеханики, и называть в честь этих учёных. Например, Re (Reynolds), Nu (Nusselt), Pr (Prandtl) и др.

Число Нуссельта (1887–1957) включает определяемый из него коэффициент теплоотдачи и поэтому характеризует интенсивность теплоотдачи.

Критерий Прандтля (1875–1953) состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и по существу сам является теплофизической характеристикой вещества.

Критерий Грасгофа , где Т = Тс – Тж –температурный напор между стенкой и жидкостью. – температурный коэффициент объёмного расширения; К–1; для идеальных газов .

При исследовании капельных жидкостей теплоотдача оказывается различной в условиях нагрева и охлаждения. Поэтому вводится дополнительный параметрический критерий подобия в виде отношения Prж /Prc, где индекс «ж» показывает, что значения величин, входящих в критерий Pr, отнесены к температуре жидкости, а индекс «с» – к температуре стенки. Для газов параметрический критерий равен единице.

Критериальные уравнения в зависимости от вида движения жидкости:

– при свободно-вынужденном движении капельной жидкости

Nu = f(Re, Pr, Gr, Prж /Prc; для газов Nu = f(Re, Pr, Gr);

– для вынужденной конвекции определяющим критерием является число Рейнольдса (число Грасгофа не учитывается) Nu = f(Re, Pr, Prж / Prc);

– для естественной конвекции определяющим критерием является число Грасгофа (число Рейнольдса не учитывается) Nu = f(Pr, Gr, Prж / Prc).

Тема 10. Теплоперенос излучением

Основные понятия и определения. Законы лучистого теплообмена. Теплообмен излучением тел в прозрачной среде. Определение коэффициента облученности тел. Теплообмен излучающих газов со стенкой. Экраны.

Тепловым излучением называется способ переноса теплового движения излучающего тела с помощью электромагнитных волн. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов – ещё от толщины слоя и давления

Закон Стефана-Больцмана определяет зависимость интегральной поверхностной плотности потока излучения от температуры для чёрного тела

= Со (Т /100) 4,

где Со = 5,67 Вт /(м 2.К 4) – излучательная способность чёрного тела.

Согласно закону Стефана-Больцмана плотность потока интегрального излучения чёрного тела пропорциональна температуре в четвёртой степени. Однако этот закон справедлив и для реальных тел, под которыми чаще всего рассматриваются серые тела, спектр излучения которых непрерывен и подобен спектру излучения чёрного тела, = С (Т /100) 4, где – излучательная способность серого тела, зависящая от природы тела, состояния поверхности и температуры.

Используя понятие степени черноты (отношение плотностей собственного потока излучения (излучательных способностей) серого и чёрного тел при той же температуре), можно записать Закон Стефана-Больц-мана для реального тела в таком виде: .

Теплообмен и излучением между параллельными плоскостями.

, (13.1)

где – степень черноты системы тел.

Тепловой поток между двумя произвольно расположенными телами

,

где – коэффициент облучённости тела ψ12, равный отношению потока излучения первого тела, падающего на второе тело, к потоку полного полусферического излучения первого тела.

Тема 11. Теплопередача и теплообменные аппараты

Коэффициент теплопередачи через плоскую и цилиндрическую стенки. Виды теплообменных аппаратов. Рекуперативные теплообменники. Уравнение теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор. Температура теплоносителей, поверхность теплообмена. Основы расчета рекуперативных теплообменников.

Теплопередачей называется процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному через стенку – процесс 1-4 на рисунке. Он включает в себя следующие процессы переноса тепла:

– теплоотдачу 1-2 от горячей жидкости к стенке ;

– теплопроводность 2-3 по самой стенке ;

– теплоотдачу 3-4 от стенки к холодной жидкости ,

где – теплопроводность материала стенки; и – коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны горячего и холодного теплоносителя.

Тепловой поток при теплопередаче, Вт,

,

где – коэффициент теплопередачи для плоской стенки, Вт/(м 2.К).

Линейная плотность теплового потока
(Фl = Ф/l, Вт/м) через цилиндрическую стенку , где

– линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м.К).

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, предназначенное для осуществления теплообмена между теплоносителями или между теплоносителями и твёрдыми телами (стенкой, насадкой). По принципу действия их делят на рекуперативные, регенеративные и смесительные, а также теплообменники с внутренними источниками тепла.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передаётся через разделяющую стенку: конденсаторы,, радиаторы отопления, охладители масла и воды в ДВС и др.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева поочерёдно омывается то горячим, то холодным теплоносителем; воздухоподогреватели газотурбинных установок, стеклоплавильных, мартеновских и доменных печей, регенераторы двигателей Стирлинга.

В смесительных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей: башенные охладители (градирни) тепловых электростанций, скрубберы и др.

Основные уравнения для расчёта теплообменных аппаратов:

– тепловой поток от горячего теплоносителя ;

– тепловой поток к холодному теплоносителю ,

– уравнение баланса тепловых потоков

;

– уравнение теплопередачи: Ф = k (Т1 – Т2) A = k A,

где К = 1 – Фпот /Ф1 – коэффициент теплопотерь в окружающую среду;

и – так называемые водяные эквиваленты.

и – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; с1 и с2 – скорости течения теплоносителей в соответствующем сечении канала; А1 и А2 – площади поперечного сечения каналов.

– коэффициент теплопередачи (обычно берётся для плоской стенки).

Тема 12. Паровые турбины и газотурбинные установки

Тепловые установки и их роль в нефтяной отрасли страны.

Схема и принцип работы паровой турбины. Ступени турбины, процессы в сопловом аппарате и в каналах колеса; треугольники скоростей, формула Эйлера. Активная и реактивная ступени давления; степень реактивности. Относительные и абсолютные КПД паровых турбин; тепловой баланс. Конденсатор.

Схема и основные элементы газотурбинной установки (ГТУ). Выбор степени повышения давления в компрессоре ГТУ по максимуму удельной работы и по максиму КПД. Эффективный КПД ГТУ; влияние на него температуры газа перед турбиной, КПД турбины и компрессора. Значения характерных параметров современных ГТУ с регенерацией тепла. Замкнутый цикл ГТУ.

Конструкции ГТУ, камера сгорания, способы регулирования мощности. Парогазовые установки; схема высоконапорных парогенераторов.

Данные темы изучаются самостоятельно по [1-3]. Например, в [3]: 322 –341 стр.

Тема 13. Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Схема и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания, их классификация. Карбюраторные и дизельные двигатели. Четырехтактные и двухтактные двигатели. Данные темы изучаются самостоятельно по [1-3]. Например, в [3]: 342 –367 стр.

Тема 14. Вторичные энергетические ресурсы

Основные направления экономии энергоресурсов, снижение потерь. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР). Общие положения; классификация ВЭР. Утилизационные установки, совершенствование методов утилизации. Пути использования низкопотенциальных ВЭР. Экономическая эффективность использования ВЭР.

Данные темы изучаются самостоятельно по [1-3]. Например, в [3]: 417 – 425 стр.

Тема 15. Новые способы преобразования энергии

Прямые преобразователи энергии.

Топливные элементы. Солнечные батареи. Термоэлектрические генераторы. Термоэмиссионные преобразователи. Магнитно-гидродинамические генераторы. Вихревой эффект

Данные темы изучаются самостоятельно по [1-3]. Например, в [1]: 280 –292 стр.

Литература

Основная

1 , , и др. Теплотехника: Учебник для ВУЗов / Под ред. – М.: Машиностроение, 1996. – 432 с.: ил.

2 , , Витт O. K. и др. Теплотехника: Учебник для ВУЗов / Под ред. . – М: Энергоатомоиздат, 1991. – 224 с.: ил.

3 Рындин . – Павлодар: Кереку, 2007. – 460 с.: ил.

Дополнительная:

4 А., Сукомел по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. – 288 с.: ил.

5 Панкратов задач по теплотехнике: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 1995. – 283 с.: ил.

6 Рабинович задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1995. – 344 с.: ил.

7  В. Расчёт термодинамического цикла и теплообменника. – Павлодар: НИЦ ПГУ им. C. Торайгырова, 2006. – 65 с.: ил.

8 Рындин указания и контрольная работа по теплотехнике для студентов заочной формы обучения технических специальностей. – Павлодар: Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, 2003. – 18 с.: ил.

9 Рындин и теплопередача. Методические указания к лабораторным работам для студентов машиностроительных специальностей. Части 1 и 2. Алма-Ата: НМК, 1992. – 95 с.: ил.