ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ГИДРОДИНАМИКА из "Расчет и конструирование теплообменников" Разделы теплопередачи и гидродинамики настолько обширны и многообразны, что остается ограничиться лишь кратким их рассмотрением в данной главе. Предполагается, что читатель знаком с этими разделами и имеет под рукой основные книги по теплопередаче и гидродинамике [1, 2, 3]. Однако на основании собственного опыта авторам известно, что большинство молодых инженеров испытывают большие затруднения, пытаясь связать свои формальные знания в области теплопередачи и гидродинамики с практическими задачами проектирования теплообменников. Мы надеемся, что эта глава будет им полезна, поскольку в ней рассматриваются некоторые основные принципы проектирования теплообменников, которые увязываются с типичными проблемами проектирования. Глава написана также с целью отбора экспериментальных данных из множества опубликованных статей. Мы не стремились к изяществу и строгости изложения и старались, чтобы представленный материал как можно лучше соответствовал эффективному подходу к проблемам проектирования, которым посвящены следующие главы. [c.39] Коэффициент теплопроводности. Некоторое представление об огромной разнице между коэффициентами теплопроводности материалов можно получить из рассмотрения рис. 3.1, откуда видно, что коэффициенты теплопроводности представляющих интерес материалов могут различаться в 100 ООО раз. Наиболее теплопроводны металлы, затем следуют плотные керамические материалы [4], затем — твердые и жидкие органические соединения и, наконец, газы. Как и следовало ожидать, теплопроводность твердых пористых тел меньше теплопроводности плотных твердых тел и больше теплопроводности газов, заполняющих поры [5]. Интересно отметить, что значения коэффициентов теплопроводности в пределах каждой из указанной групп материалов (см. рис. 3.1) отличаются не более чем в три раза от среднего значения для калодой группы. [c.39] Коэффициент теплопроводности данного материала зависит от многих факторов. Небольшое количество примесей в чистом металле приводит к значительным потерям теплопроводности. Облучение быстрыми нейтронами может вдвое и даже больше уменьшить теплопроводность металлов или керамических материалов. Как видно из рис. 3.1, температура существенно влияет на коэффициент теплопроводности. Давление оказывает слабое влияние на теплопроводность газа, содержащегося в пористых материалах, до тех пор, пока межзерен-ные промежутки не станут меньше среднего пути свободного пробега молекул газа. Как показано на рис. 3.2, влияние давления становится существенным при давлениях ниже примерно 10 мм рт. ст. [61. При низких температурах, когда тепловые потоки излучения малы, можно обеспечить надежную теплоизоляцию путем откачивания газа из пространства между двумя полированными поверхностями до давления 0,01 мм рт. ст. или менее. Еще лучшие термоизоляционные свойства можно получить, заполнив вакуумированный промежуток между поверхностями отражающим изоляционным материалом. Исключительно хорошими теплоизоляционными свойствами обладает многослойная теплоизоляция, применяемая для криогенного оборудования. Она состоит из нескольких тысяч перемежающихся слоев алюминиевой фольги и пластиковой пленки или стеклянной ткани толщиной в сотые доли миллиметра. Откачивая пространство между слоями, можно получить коэффициент теплопроводности при криогенных температурах до 1,73 10 вт м-град). [c.40] Предполагая, что теплопроводность не зависит от температуры, это соотношение можно проинтегрировать и получить в результате соотношение (3.1). [c.40] Средняя площадь. Если площадь прохождения теплового потока меняется вдоль его направления, площадь А в уравнении (3.3) зависит от геометрии системы. Средняя площадь в случае радиально направленного теплового потока через стенку цилиндрической трубы равна среднему логарифмическому площадей внутренней и внешней поверхностей цилиндра, т. е. [c.41] Радиальный тепловой поток через сферическую стенку является функцией среднего геометрического площадей внутренней и наружной поверхностей, т. е. Л = у А Ай- Тепловой поток через плиту является функцией среднего арифметического площадей ее поверхностей, т. е. Л == (Л + Ай) 2. [c.41] Эффективность ребра зависит от распределения температуры по ребру и, следовательно, от теплопроводности и размеров ребра, а также от коэффициента теплоотдачи от поверхности ребра к окружающей среде. [c.41] Контактная теплопроводность. Поверхность раздела между двумя твердыми поверхностями, не изготовленными заодно, оказывает сопротивление тепловому потоку. Тепловой поток, деленный на разность температур между поверхностями раздела, называется контактной теплопроводностью соединения и обычно имеет величину в интервале 570—5700 вт м - град). [c.42] Поскольку твердые поверхности никогда не бывают абсолютно гладкими, они соприкасаются лишь на отдельных участках, а объем пустот обычно заполнен либо воздухом, либо теплоносителем. Теплопередача через поверхность раздела осуществляется главным образом путем теплопроводности через слой среды, заполняющей пустоты, и через выступающие элементы поверхности, находящиеся в непосредственном контакте между собой. Слой среды очень тонок, и поэтому конвективный теплообмен не имеет места, а теплоотдача излучением через зазор при нормальных температурах пренебрежимо мала. Контактная теплопроводность по существу определяется двумя сопротивлениями сопротивлением слоя среды и сопротивлением участков, находящихся в непосредственном контакте между собой. [c.42] Чтобы решить поставленную задачу, необходимо сделать ряд предположений, в частности относительно шероховатости поверхности, которая зависит от процесса ее обработки [8, 9]. Введя ряд разумных предположений, авторы работы [8] получили безразмерное уравнение контактной теплопроводности. Результаты их расчетов очень хорошо согласуются с экспериментальными данными в интервале 3100—71000 вт м град) для стальных, латунных и алюминиевых поверхностей, обработанных по различным классам чистоты, в интервале давлений 1,31 10 —5,5-10 н м (1.33—56,2 атм) при заполнении пустот между поверхностями воздухом, веретенным маслом или гликолем. [c.42] Можно привести немало примеров, когда тепловое излучение становится важнейшим механизмом теплопередачи трубные связки для топок паровых котлов, печи для металлургических и керамических работ, высокотемпературные теплообменники для химических предприятий, излучатели космических аппаратов. Для космических аппаратов тепловое излучение играет особенно важную роль, так как оно является единственным способом диссипации тепловой энергии в космическом пространстве. [c.42] Излучательная, поглощательная и отражательная способности. Тепловое излучение реального тела меньше теплового излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Для определения излучательной способности реального тела по закону Стефана — Больцмана вводится так называемый коэффициент черноты тела, или ст пень черноты е. Он определяется как отношение потока теплового излучения, испустемого реальным телом, к потоку теплового излучения, испускаемого абсолютно черным телом при той же температуре. Абсолютно черное тело поглощает всю падающую на него энергию излучения, в то время как реальное тело отражает часть этой энергии, так что можно ввести коэффициент поглощения, аналогичный коэффициенту черноты тела. Для теплового излучения при любой данной температуре коэффициенты черноты тела и поглощения одинаковы. [c.43] Под отражательной способностью понимают долю падающей энергии излучения, которая отражается телом. Если угол отражения луча равен углу падения луча, такое отражение называется зеркальным. Отражение называется диффузным, если падающий луч равномерно отражается по всем направлениям. Отражательная способность равна единице минус поглощательная (или излучательная) способность. [c.43] Излучательная способность большинства полированных поверхностей заключена в интервале 0,05—0,2, в то время как окрашенные, тусклые или почерневшие поверхности имеют излучательную способность от 0,3—до 0,9. Хотя абсолютно черным телом называется поверхность, имеющая излучательную способность, равную единице, поверхности, кажущиеся, на наш взгляд, черными, могут иметь излучательную способность не более 0,5. В табл. П2.3 приведены излучательные способности многих типичных поверхностей. [c.43] Излучательная способность поверхности в значительной степени зависит от свойств внешнего поверхностного слоя [П, 12]. Например, слегка окисленная медная поверхность имеет гораздо большую излучательную способность, чем полированная медная поверхность. [c.43] Форм-фактор. При выполнении расчетов теплообмена излучением между телами произвольной формы обычно удобно ввести величину, называемую форм-фактором. Форм-фактор Fi определяется как доля суммарной энергии, излучаемой поверхностью 1 и падающей на поверхность 2 [13]. Форм-фактор зависит от геометрии и положения поверхностей. При выводе выражения для форм-фактора предполагается, что излучающая поверхность является диффузным излучателем, т. е. она излучает равномерно по всем направлениям. [c.43] Форм-фактор плоской пластины или выпуклой поверхности, излучающей в пространство, равен единице, так как в поле зрения любого участка поверхности не входит ни единого другого ее участка и, следовательно, никакая часть излучаемой данной поверхностью энергии не поглощается ею же. Формфактор железного уголка меньше единицы, так как внутренние поверхности его полок излучают навстречу друг другу. Эффективной площадью этих двух поверхностей является площадь плоскости, ограниченной концами двух полок. Если труба имеет близко расположенные друг к другу круглые плоские ребра, то для цилиндрической поверхности, огибающей вершины ребер, форм-фактор будет близок к единице. Форм-фактор для простых конфигураций можно определить непосредственно по графикам, приведенным в работах [1, 131. [c.43] Заметим, что соотношения (3.8) — (3.10) получены в предположении, что пространство между поверхностями вакуумировано или заполнено непоглощающей средой. При температурах выше 1360° К двуокись углерода, окись углерода, пары воды и углеводороды в заметных количествах поглощают и испускают тепло, если масса газа на пути излучения эквивалентна массе газа в слое толщиной 3 м и более при атмосферном давлении. [c.44] Величина 5,7-(Г/100) может быть представлена графически в зависимости от температуры. [c.44] Проблемы гидродинамики играют важную роль в конструкции теплообменника. Потери давления, распределение гидродинамических параметров и перемешивание часто являются определяющими факторами при выборе основных геометрических характеристик теплообменника. Основной помехой для осуществления теплообмена в большинстве теплообменных установок являются жидкие пленки на металлических поверхностях. Структура этих пленок зависит от режима течения жидкости и от его природы, особенно от протяженности и интенсивности турбулентности. [c.44] Вернуться к основной статье