Читайте также:
|
ВВЕДЕНИЕ
Предмет «Тепломассообмен» и предшествующий ему предмет «Техническая термодинамика» составляют теоретический фундамент теплотехники. На базе этих дисциплин осуществляются расчеты и проектирование тепловых двигателей, компрессоров, сушильных и холодильных установок, теплогенераторов, теплообменников и др. Знание материала этих дисциплин позволяет технически грамотно эксплуатировать указанное оборудование и осуществлять мероприятия по повышению его экономических показателей.
При изучении указанных предметов рекомендуется обратить внимание на основные направления развития теплоэнергетики в нашей стране и за рубежом, на вклад отечественных ученых и инженерно-технических работников в формирование технической термодинамики и теории тепло - и массообмена.
Раздел I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА
Изучение раздела следует начать с рассмотрения видов теплообмена: теплопроводности, конвекции и лучистого теплообмена. Необходимо уяснить физические основы переноса тепла в каждом случае теплообмена, освоить понятия – температурное поле, градиент температур и тепловой поток, а также различать стационарный и нестационарный режимы теплообмена.
Основной закон распространения тепла теплопроводностью установлен Фурье и носит его имя. Величину теплового потока в условиях передачи тепла теплопроводностью можно определить с помощью уравнения Фурье, в состав которого входит коэффициент теплопроводности (l). Следует понять физический смысл l и его зависимость от структуры, плотности и влажности вещества, а также от других факторов.
В курсе на основе закона Фурье выведены расчетные формулы теплопроводности для разных тел при стационарном режиме. Необходимо освоить методы определения теплового потока, проходящего через плоскую и цилиндрическую стенки (однослойные и многослойные).
Явление конвекции наблюдается в жидкостях и газах, где перенос тепла происходит в результате перемещения частиц вещества в пространстве. В технике очень часто встречается случай теплообмена между поверхностью твердого тела и средой, находящейся в жидком или газообразном состоянии. Этот случай называется конвективной теплоотдачей. Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи (a), а величина теплового потока при этом определяется по формуле Ньютона. Следует понять физический смысл a и его зависимость от условий, в которых протекает конвективный теплообмен. Рассматривая отдельные случаи конвективного теплообмена, необходимо познакомиться с эмпирическими формулами, которые условия теплоотдачи связывают с критериями подобия – числом Рейнольдса (Rе), числом Прандтля (Pr), числом Грасгофа (Gr). Необходимо знать критерий подобия, характеризующий интенсивность процесса конвективного теплообмена – число Нуссельта (Nи). Внимательному рассмотрению должны быть подвергнуты случаи конвективного теплообмена (теплоотдачи) при свободном и вынужденном движении жидкости или газа, в том числе при свободном движении жидкости или газа в неограниченном и ограниченном пространствах, при движении потока в трубах, при поперечном омывании потоком жидкости или газа одиночной трубы и пучка труб. При изучении конвективного теплообмена в условиях фазовых превращений следует обратить внимание на особенности теплоотдачи при пузырьковом и пленочном кипении жидкости, а также на теплоотдачу при капельной и пленочной конденсации пара. Формулы для определения a при фазовых превращениях представлены не в критериальной зависимости, а в явном виде.
При изучении лучистого теплообмена необходимо усвоить основные законы теплового излучения, в т.ч. закон Стефана-Больцмана, который определяет зависимость излучательной способности тела (плотность потока излучения) от температуры. Внимательно должны быть рассмотрены случаи лучистого теплообмена между телами, поверхность которых имеет различную форму (плоскую, сферическую), разделенными прозрачной для тепловых лучей средой. Следует разобрать характер теплового излучения газовой среды, а также влияние экранов на лучистый теплообмен между телами.
Сложные случаи теплообмена, когда приходится учитывать и теплопроводность, и конвекцию, а в ряде случаев и лучистый теплообмен, называют теплопередачей. Необходимо разобрать наиболее характерные случаи теплопередачи, и, в первую очередь,теплопередачу от одной среды к другой через разделяющую их стенку.
Рекомендуется освоить выводы уравнений теплопередачи через однослойную и многослойную плоские стенки, через однослойную и многослойную цилиндрические стенки, через стенку шаровой формы, а также через ребристую стенку в стационарных условиях теплообмена.
Уравнения теплопередачи во всех случаях приводятся к виду, в котором они включают коэффициент теплопередачи (К). Следует четко представлять физический смысл коэффициента теплопередачи и его зависимость от термического сопротивления расчетного участка теплообмена.
Очень важно при освоении курса разобраться в способах интенсификации процесса теплопередачи и способах уменьшения теплового потока при теплопередаче. Необходимо познакомиться с наиболее распространенными теплоизоляционными материалами, рассмотреть условия рационального выбора материалов для тепловой изоляции зданий, тепловых машин и аппаратов, трубопроводов.
При изучении той части раздела, которая посвящена теплообменным аппаратам (теплообменникам), следует познакомиться с их классификацией, принципиальными схемами, основными схемами движения теплоносителей и методикой теплового расчета теплообменника.
Расчет теплообменника может быть или поверочным, или конструктивным. При этом, в зависимости от поставленных задач, определяются тепловая мощность теплообменника, расходы теплоносителей, начальные и конечные температуры греющей и нагреваемой сред, поверхность нагрева теплообменника. Методика теплового расчета теплообменника базируется на решении уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи. Первые из них связывают тепловую мощность теплообменника с расходами теплоносителей, второе – тепловую мощность теплообменника с поверхностью нагрева. Уравнение теплопередачи включает в себя также коэффициент теплопередачи и средний температурный напор в теплообменнике. Следует освоить методы расчета среднего температурного напора, величина которого находится в зависимости от принятой схемы движения теплоносителей в теплообменном аппарате.
Л и т е р а т у р а: [1], [2], [5], [6].
Вопросы для проверки усвоения материала раздела I см. [I, с. 323-324, 347, 384-385, 406-407, 418-419, 441-442, 455-456 ].
Раздел II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАССООБМЕНА
Во многих случаях процессы теплообмена, происходящие в природе и технике, сопровождаются внешним и внутренним массообменом.
Массообмен – это необратимый процесс переноса массы компонента смеси в пространстве с неоднородным полем концентрации или других физических величин (например, температуры), который имеет место при испарении жидкостей, при конденсации пара, лежит в основе таких явлений, как адсорбция, окисление и др.
Между процессами теплообмена и массообмена существует аналогия, основанная на общности механизма переноса энергии и массы вещества. Поэтому основные законы тепло- и массообмена имеют аналогичные математические выражения.
При изучении данного раздела курса следует, прежде всего, разобраться в таких понятиях, как молекулярная диффузия и конвективный массообмен.
В первом из этих случаев перенос массы вещества определяется законом Фика, согласно которому плотность диффузионного потока массы вещества прямо пропорциональна градиенту концентрации, взятому с обратным знаком; коэффициентом пропорциональности при этом выступает коэффициент молекулярной диффузии (D).
При конвективном массообмене расчет массопереноса может осуществляться по формуле, аналогичной зависимости для определения теплового потока в условиях конвективного теплообмена. Согласно этой формуле плотность потока массы вещества прямо пропорциональна разности ее концентрации на границах расчетного участка; при этом в качестве коэффициента пропорциональности выступает коэффициент массоотдачи (b).
Такой подход позволяет достаточно просто (в методическом отношении) решать задачи конвективного теплообмена, сопровождающегося явлением массообмена.
При анализе процессов массообмена используют также, как и в исследованиях теплообмена, ряд безразмерных критериев подобия. Рекомендуется познакомиться с диффузионным числом Нуссельта (NuD), характеризующим интенсивность процесса массообмена, а также с диффузионными числами Пекле (РeD) и Прандтля (РrD). Последний критерий иногда называют числом Шмидта (Sс). Критерием подобия процессов массообмена и теплообмена принято считать число Льюиса (Le).
Необходимо обратить внимание, что теория подобия позволяет при определенных условиях протекания процессов теплообмена и массообмена найти соотношение между коэффициентом диффузии (D) и коэффициентом теплопроводности вещества (l), а также между коэффициентом массообмена (b) и коэффициентом теплоотдачи (a).
В качестве примеров достаточно изученных случаев переноса массы вещества можно назвать диффузионно-конвективный перенос пара в газовой среде при испарении жидкости с поверхности тела, массоперенос при конденсации пара из газовой среды на поверхность тела и перенос массы в капиллярно-пористых телах.
Знание механизма этих явлений имеет практическое значение для решения ряда инженерных задач.
Л и т е р а ту р а: [1], [5].
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
При изучении курса “Тепломассообмен” студент специальности “Тепловые электрические станции” должен выполнить две контрольные работы и ответить на четыре теоретических вопроса. Первая работа состоит из шести задач, содержание которых отражает материал важнейших разделов курса; вторая посвящена тепловому расчету рекуперативного теплообменника. Часть условий, предложенных для решения контрольных работ, являются индивидуальными и должны приниматься в соответствии с двумя последними цифрами учебного шифра студента.
Предложенные задачи рекомендуется решать по мере проработки соответствующих разделов курса. При решении задач для всех исходных и итоговых величин, кроме относительных (безразмерных) величин, должны быть указаны единицы измерения. Для проверки усвоенного материала после решения задач необходимо письменно ответить на все поставленные вопросы.
Контрольные работы должны быть аккуратно оформлены в отдельной тетради, на обложке которой следует указать фамилию и инициалы студента, а также его учебный шифр; на каждой странице тетради необходимо оставить поля для пометок преподавателя.
Прием контрольных работ производится преподавателем, ведущим данную дисциплину, после собеседования со студентом по основным вопросам курса, связанным с выполнением решенных задач.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 50 | Нарушение авторских прав