Способи передачі теплоти

Способи передачі теплоти

Способи передачі теплоти - теплота завжди передається від тіл більш нагрітих до менш нагрітих. Способи передачі теплоти від твердого тіла (стінки) до оточуючої його рідини або газу називаються тепловіддачею. Способи передачі теплоти з одного середовища в іншу, розділених перегородкою (стінкою), називаються теплопередачей. Розрізняють три способи перенесення теплоти: теплопровідність, конвекцію і випромінювання (радіацію).

Теплопровідністю називається процес поширення теплоти в тілі (одному) за допомогою передачі кінетичної енергії від більш нагрітих молекул до менш нагрітих, що знаходяться в зіткненні один з одним. У чистому вигляді теплопровідність має місце в твердих тілах дуже тонких, нерухомих шарах рідини і газу.

Способи передачі теплоти поширюються через стінки котла. Теплопровідність різних речовин різна. Добрими провідниками теплоти є метали. Вельми незначна теплопровідність повітря. Слабо проводять теплоту пористі тіла, азбест, повсть і сажа.

Конвекцією називається перенесення, теплоти за рахунок переміщення молярних об'ємів середовища. Зазвичай конвективний спосіб перенесення теплоти відбувається спільно з теплопровідністю і здійснюється в результаті вільного або вимушеного руху молярних об'ємів рідини або газів (природна або вимушена конвекція). Природною конвекцією поширюється теплота від печей, опалювальних приладів, при нагріванні води в парових котлах, охолодженні обмурівки котлів та інших теплових приладів. Вільний рух рідини або газів обумовлено різною щільністю нагрітих і холодних частинок середовища. Наприклад, повітря біля поверхні печі нагрівається легшає, піднімається вгору, а на його місце надходить більш важкий, холодний. В результаті цього в кімнаті виникає циркуляція повітря, яка переносить теплоту.

Способи передачі теплоти включають в себе конвекцію. Вимушена конвекція має місце при передачі теплоти від внутрішньої стінки котла до води, що рухається під дією насоса.

Випромінюванням (радіацією) називається передача теплоти від одного тіла до іншого шляхом електромагнітних хвиль через прозору для теплового випромінювання середу. Цей процес передачі теплоти супроводжується перетворенням енергії теплової в променисту і, навпаки, променистою в теплову. Радіацією передається теплота від факела палаючого палива до поверхні чавунних секцій або сталевих труб котла. Радіація - це найбільш ефективний спосіб передачі теплоти, особливо якщо випромінює тіло має високу температуру, а промені від нього спрямовані перпендикулярно до поверхні, що нагрівається.

Поняття про теплопередачі. Розглянуті вище три види теплообміну в чистому вигляді зустрічаються дуже рідко. У більшості випадків один вид супроводжується іншим. Прикладом цього може служити передача теплоти від газоподібних продуктів згоряння до стінки водогрійного котла (рис. 7). Зліва поверхню її стикається з гарячими газоподібними продуктами згоряння і має температуру t1 справа омивається водою і має температуру t2 Температура в стінці знижується в напрямку осі х.

Мал. 7.Передача теплоти від газоподібних продуктів згоряння до стінки водогрійного котла.

В даному випадку теплота від газу до стінки передається одночасно шляхом конвекції, теплопровідності і випромінюванням (променевий теплообмін). Одночасна передача теплоти конвекцією, теплопровідністю і випромінюванням називається складним теплообміном.

Результат одночасної дії окремих елементарних явищ приписують одному з них, яке і вважають головним. Так, радіація (випромінювання), яка називається ще прямий віддачею, в передачі теплоти в котельній камері від топкових газів до зовнішньої поверхні нагрівання котла грає чільну роль, хоча поряд з нею в передачі теплоти беруть участь і конвекція, і теплопровідність.

Способи передачі теплоти від зовнішнього поверхні нагрівання до внутрішньої через шар сажі, металеву стінку і шар накипу здійснюються тільки шляхом теплопровідності. Нарешті, від внутрішньої поверхні нагрівання котла до води теплота передається тільки конвекцією. У газоходах котла процес теплообміну між стінкою секції і омивають її газами також є результатом сукупної дії конвекції, теплопровідності і радіації. Однак в якості основного явища приймається конвекція.

Кількісною характеристикою передачі теплоти від одного теплоносія до іншого через розділяє їх стінку є коефіцієнт теплопередачі К. Для плоскої стінки коефіцієнт К кількість теплоти, переданої в одиницю часу: від однієї рідини до іншої на площі 1 м 2 при різниці температура між ними в один град. - визначається за формулою:

де α1 - коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки поверхні нагрівання, Вт / (м 2 × град); δ 3 - товщина золових або сажових відкладень (так звані зовнішні забруднення), м; δст - товщина стінки секцій або труб, м; ? Н - товщина накипу (так зване внутрішнє забруднення), м; λ3. λст. λв - відповідні коефіцієнти теплопровідності золи або сажі, стінки і накипу, Вт / (м × град); α2 -. коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води / Вт / (м 2 × град).

Відповідно до наведеного прикладом складного теплообміну (див. Рис. 7) загальний коефіцієнт тепловіддачі, а від газів до стінки котла відповідно дорівнює:

де αк і αл - коефіцієнти, тепловіддачі конвекцією і випромінюванням.

Величина, зворотна коефіцієнту теплопередачі, називається термічним опором теплопередачі. Для даного випадку:

Різні речовини мають різні коефіцієнти теплопровідності.

Коефіцієнт теплопровідності К - кількість теплоти, що передається через одиницю площі поверхні нагрівання в одиницю часу при різниці температур в 1 град і товщиною стінки в 1 м. При використанні позасистемних одиниць (ккал в ч) розмірність коефіцієнта теплопровідності ккал × м / (м 2 × год × град), в системі СІ - Вт / (м × град).

Коефіцієнти теплопровідності різних матеріалів, найбільш часто зустрічаються в опалювально - котельні техніці, наведені нижче, Вт / (м × град).

Кількість теплоти Q, що передається через стінку, визначається за формулою:

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт / (мг × град); Δt - середня різниця температур гріючої і нагрівається середовищ або среднелогаріфміческій температурний напір, град; Н - площа поверхні нагрівання, м 2.

Среднелогаріфміческій температурний напір Δt визначається за формулою:

де Δtg і Δtм - найбільша і найменша різниці температур гріючої і нагрівається середовища.

Мал. 8. Характер зміни температур робочих рідин при

а - прямотоке; б - противотоке.

Характер зміни температур робочих рідин показаний на рис. 8. Якщо в теплообмінному апараті гріє і нагрівається рідини протікають в одному напрямку, то така схема руху називається прямотоком (див. Рис. 8, а), а в протилежних - противотоком (див. Рис. 8, б).

Для одиниці площі теплопередающей поверхні питомий потік, що позначається q, буде дорівнює:

З наведених формул видно, що кількість переданої теплоти тим більше, чим більше площа поверхні нагрівання Н і чим більше середня різниця температур або температурний напір і коефіцієнт теплопередачі К. Наявність на стінці котла накипу, золи або сажі значно знижує коефіцієнт теплопередачі (див. Нижче приклад ).

Визначальним фактором у передачі теплоти радіацією є температура випромінюючого тіла і ступінь його чорноти. Тому, щоб інтенсифікувати передачу теплоти радіацією, необхідно збільшити температуру випромінюючого тіла, підвищивши шорсткість поверхні.

Тепловіддача конвекцією залежить: від швидкості руху газів, різниці температур гріючої і нагрівається середовища, характеру обтікання газами поверхні нагрівання - поздовжнє або поперечне, виду поверхні - гладка або обребрена. Основними способами інтенсифікації передачі теплоти конвекцією є: підвищення швидкості газів, їх завихрення в газоходах, збільшення площі поверхні нагрівання за рахунок її оребрения, підвищення різниці температур між гріючої і нагрівається середовищами, здійснення зустрічного (противоточного) омивання.

Приклад. Розглянемо вплив накипу і сажі на теплопередачу в котлі, використовуючи дані цього розділу. Приймаємо товщину стінки секції чавунного котла δ1 = 8 мм, а відклалися на ній шар накипу товщиною δ2 = 2 мм і шар сажі δ3 = 1 Гмм. Коефіцієнти теплопровідності стінки λ1. накипу λ2 і сажі λ3 відповідно приймаємо рівними 54; 0,1 і 0,05 ккал / (м × год × град) (√62,7; 0,116 і 0,058 Вт / (м 2 × К). Значення коефіцієнтів тепловіддачі: від, газів до стінки α1 = 20 ккал / (м 2 × град); від стінки до води α2 = 1000 ккал / (м 2 × год × град). Температуру газів приймаємо рівною t газ = 800 ° С, води t = 95 С.

Розрахунки виробляємо для чистої та забрудненої стінок чавунного котла.

А. Стінка котла чиста.

Знайдемо коефіцієнт теплопередачі:

К = (l / α1 + δ / λ + l / α2) -1 = (1/20 + 0,008 / 54 + 1/1000) -1 = 1 / 0,0512 = 19,5 ккал / (м 2 × год × град) = 22,6 Вт / (м 2 × град) і тепловий потік через стінку.

q = KΔt = 19,5 (800-95) = 13700 ккал / (м 2 × год) = 15850 Вт / (м 2).

Визначимо температуру зовнішньої поверхні стінки чавунної секції, скориставшись формулою

З розрахунку видно, що при чистій стінці котла температура її мало відрізняється від температури води всередині котла.

Б. Стінка котла забруднена.

Повторивши весь розрахунок, знайдемо:

К = (l / α1 + δ1 / λ1 + δ2 / λ2 + δ3 / λ3 + 1 / α2) -1 = (1/20 + 0,008 / 54 + 0,002 / 0,1 (+ 0,001 / 0,05 + 1 = 1000) -1 = (0,0912) -1 = 11ккал / (м 2 × год × 1 × град) = 12,7 Вт / (м 2 × град)

q = 11 (800 - 95) = 7750 ккал / (м 2 × год) = 8960 Вт / (м 2), tст = 800 - 7750/20 = 412C.

З розрахунку видно, що відкладення сажі небажано тим, що вона, маючи малу теплопровідність, ускладнює передачу теплоти від топкових газів до стінок казана. Це призводить до перевитрати палива, зниження вироблення котлами пари або гарячої води.

Накип, маючи малу теплопровідність - значно зменшує передачу теплоти oт стінки котла до води, в результаті чого стінки, сильно перегріваються і в деяких випадках; розриваються, викликаючи аварії котлів.

Порівнюючи результати розрахунку, бачимо, що теплопередача через забруднену стінку зменшилася майже в два рази, температура стінки чавунної секції при накипу зросла до небезпечних, за умовами міцності металу, меж, що може привести до розриву секції. Цей приклад наочно показує необхідність регулярного очищення котла як від накипу, так і від сажі або золи.

Вас може зацікавити