Файл: Техническая термодинамика цели и задачи. Основные понятия и определения рабочее тело, термодинамическая система (тдс), виды тдс.doc

39. Уравнение теплопередачи через многослойную плоскую стенку Интенсификация теплопередачи

В многослойной стенке полное термическое сопротивление увеличивается за счет внутреннего термического сопротивления, которое будет равно сумме термических сопротивлений всех слоев стенки. Следовательно, при передаче теплоты через многослойную плоскую стенку 1 1 2 1 2 1 1            n i i i tж tж q , 1 1 2 1 1 1          n i i i k , ( ) ж1 ж2 q k t  t  , Q  q  F 

При проектировании и эксплуатации тепловых аппаратов нужно создать наилучшие условия передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному, чтобы получить наибольший эффект. Тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному через плоскую стенку определяется из уравнения теплопередачи: Q  kFt  , из которого видно, что при заданных размерах поверхности теплообмена F и заданном температурном напоре t интенсивность теплопередачи зависит от коэффициента теплопередачи k, который для плоской стенки имеет вид 1 2 1 1 1       k  . В теплообменных аппаратах толщина стенки  мала, а коэффициент теплопроводности материала стенки  большой, поэтому термическим сопротивлением   можно пренебречь. Следовательно, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи k, нужно увеличить один из коэффициентов теплоотдачи  1 или  2. При увеличении какого из  получается наибольший эффект? Из выражения 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1                k  следует, что значение коэффициента теплопередачи k не может быть больше самого маленького значения коэффициента теплоотдачи  , поэтому для увеличения k нужно увеличить наименьшее значение  . Для этого можно повысить скорость движения жидкости или заменить теплоноситель. При 1 2 увеличение большего значения  практически не даст увеличения коэффициента теплопередачи k. При 1 2 увеличение k возможно за счет увеличения любого из них. Интенсивность теплопередачи можно увеличить также увеличением площади одной из поверхностей теплообмена оребрением. При этом нужно оребрять поверхность со стороны меньшего значения коэффициента теплоотдачи.
40.

---

Температурные графики прямоточного и противоточного ТОА. Расчет среднего логарифмического температурного напора.


На рис. изображены примеры графиков изменения температур теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников. Индексами 1 и 2 обозначены параметры соответственно горячего и холодного теплоносителей, одним ( ‘ ) и двумя ( “ ) штрихами – их температуры соответственно на входе и выходе аппарата.

Средний логарифмический или арифметический температурный напор для прямотока и противотока определяется из формул

или (при )
41 .Числа подобия

Основная трудность, возникающая при экспериментальном исследовании конвективного теплообмена, заключается в том, что коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметром. Чтобы уменьшить число их согласно теории подобия объединяют в меньшее число переменных, называемых числами подобия (они безразмерны).

Каждое из безразмерных чисел имеет определенный физический смысл. Их принято обозначать первыми буквами фамилий ученых, внесших существенный вклад в изучение процессов теплопереноса и гидродинамики, и называть в честь этих ученых.

Число Нуссельта:



представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи.

Число Рейнольдса

Re=w_жl/v

Выражает отношение сил инерции (скоростного напора) F_и=w²_ж/2 к силам вязкого трения F_w_ж/l.

При течении жидкости в трубах ламинарный режим на стабилизированном участке наблюдается до Re=wd/v=2300, а при Re>10⁴ устанавливается развитый турбулентный режим (здесь d – внутренний диаметр трубы).

Число Прандтля:

Pr=cv/

Состоит из величин характеризующих теплофизические свойства вещества и по существу само является теплофизической константой вещества. Значение число Pr приводится в справочниках.

В случае естественной конвекции скорость жидкости в дали от поверхности w_ж=0 и соответственно Re=0, но на теплоотдачу будет влиять подъемная сила F

---

_п. Это приведет к появлению другого безразмерного параметра – числа Грасгофа:

Gr=g(t_c-t_ж)l³/v²

Оно характеризует отношение подъемной силы, возникающей вследствие теплового расширения жидкости, к силам вязкости.
42. Виды ТОА по принципу действия.

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.

По принципу действия теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные и с внутренним источником теплоты (например, реакторы атомных электростанций). Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные, а контактные – на смесительные и барботажные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

В рекуперативных теплообменниках движение жидкости осуществляется по трем основным схемам или их сочетаниям.

Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты могут выполняться с пластинчатой и трубчатой (рис. 1 и 2) поверхностями теплообмена.

В регенеративных теплообменниках (регенераторах) одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя поверхность регенератора, воспринимая теплоту от этой жидкости, нагревается, а при протекании холодного теплоносителя поверхность регенератора, отдавая аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, охлаждается.

В смесительных теплообменниках передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит при непосредственном контакте и смешении обоих теплоносителей. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для теплоносителей, которые либо легко разделить после смешения (например, вода и воздух), либо перемешать (например, пар и вода).

43. Уравнение теплового баланса ТОА.

Уравнение теплового баланса [1]

, (2.1)

или

---

, (2.2)

где Q – полезный тепловой поток, Вт;

G₁, G₂ – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с, ;

- средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от t’ до t”, Дж/(кг∙К);

η – коэффициент использования теплоты;

w – скорость теплоносителя, м/с;

f – сечение, м²;

ρ – плотность, кг/ м²;

- изменение температуры горячего и холодного теплоносителя по длине аппарата.
44. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара.

Цикл Ренкина был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином

КПД

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

.

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

• 
  изобара . Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота  .
  

• 
  адиабата . Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром ( ).
  

• 
  изобара . Конденсация отработанного пара с отводом теплоты   охлаждающей водой.
  

• 
  адиабата . Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы  .
  

Цикл Ренкина нашёл применение в современных тепловых электростанциях большой мощности использующих в качестве рабочего тела водяной пар.

При прохождении цикла Ренкина в обратном направлении он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с 

---

фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до −40 °C.

Цикл Ренкина

Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина.

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке: Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.

Рисунок 6. Цикл Ренкина в T-S диаграмме.

 (обратно к содержанию)

Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре соответствующим точкам лежащим на диаграмме выше этой линии существует только пар, ниже паро–водяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p₂=const (линия 2 - 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2 - 3 °С, и можно с хорошей степенью приближения считать

---