Шпаргалка по теплотехнике

 

14 Теплообмен  при конденсации в трубах паровой объем ограничен стенками трубы. Трубы могут быть достаточно длинными и в них может конденсироваться большое количество пара. Возникает направленное движение пара, причем скорости последнего могут быть очень велики (до 100 м/с и более). При этом силы трения на границе между паром и конденсатом могут быть значительными. Если направление движения пара совпадает с направлением течения конденсата под действием сил тяжести, то вследствие трения течение пленки убыстряется, толщина ее уменьшается и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Если направление движения пара противоположно направлению течения конденсата, то пленка может замедляться; толщина ее при этом увеличивается, а теплоотдача уменьшается. Повышение скорости пара может привести к тому, что пленка будет увлечена паром и частично сорвана с поверхности стенки. Теплоотдача при этом увеличивается. В зависимости от величин сил тяжести и сил трения можно различать три основных случая: 
силы тяжести существенно преобладают над динамическим воздействием пара, и последний можно считать практически неподвижным; подобного рода задачи были рассмотрены в предыдущем параграфе;

силы тяжести и силы динамического воздействия пара на пленку соизмеримы;

динамическое воздействие пара на пленку конденсата преобладает над силами тяжести; при этом конденсат движется, увлекаемый паром, и теплоотдача практически не зависит от положения трубы в пространстве.

Конечно, между этими  режимами нет резкой границы. При  конденсации в трубах скорость пара не остается постоянной, так как вдоль течения расход пара убывает (но возрастает расход конденсата). Наибольшую величину скорость пара имеет на входе в трубу. Ее среднее значение на входе может быть достаточно просто вычислено, если в трубу втекает сухой насыщенный пар, который полностью конденсируется в ней. Как следует из соотношения 
 
в котором теплота переохлаждения конденсата не учитывается, средняя скорость пара на входе: 
 
где d и   - внутренний диаметр и длина трубы. По мере конденсации пара часть поперечного сечения трубы заполняется конденсатом, причем средние скорости пара и жидкой фазы различны. В расчетах удобно оперировать постоянными и заданными значениями скорости. Такой величиной может являться так называемая скорость циркуляции ω_ц, определяемая следующим образом: 
 
где G_см=G_п+G_ж - суммарный массовый  расход пара и конденсата. Скорость ω_ц является условной величиной. Она равна действительной скорости потока только в том сечении, где конденсат полностью заполняет поперечное сечение трубы, т. е. где G_см=G_ж и G_п=0. В зависимости от условий процесса пар может сконденсироваться в трубе как полностью, так и частично. При полной конденсации скорость пара на выходе нз трубы равна нулю и выпар отсутствует. Если труба достаточно длинная и процесс конденсации достаточно интенсивен, то в концевой части трубы все ее сечение может быть заполнено конденсатом. Течение конденсата и пара может быть как ламинарным, так и турбулентным. На входе в трубу течение пара может быть турбулентным. По мере конденсации пара скорость его уменьшается и турбулентное течение может перейти в ламинарное. Если происходит полная конденсация, в конце участка конденсации аксиальная скорость пара будет равна нулю. В то же время расход конденсата вдоль трубы непрерывно увеличивается и течение конденсата может перейти в турбулентное. При определенных условиях может иметь место и срыв капель с поверхности пленки. Сочетание перечисленных условий делает задачу о теплообмене при конденсации пара в трубе очень сложной и затрудняет строгое и полное решение. К настоящему времени в этой области имеется много невыясненных вопросов. В частности, не ясны границы различных режимов. Многие исходные положения, используемые в теоретических решениях, недостаточно проверены опытами и т. п. Ввиду этого конкретные сведения о рассматриваемом процессе и расчетные рекомендации, которые в дальнейшем приводятся в настоящем параграфе, довольно ограничены.

18 интенсификации теплопередачи

При неизменной разности температур между горячим  и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки

 
Увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое сопротивление теплопроводности стенки мало, то при 

 
Отсюда видно, что коэффициент  теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи α₁ или α₂. Если α₁»α₂, то необходимо увеличивать и α₁ и α₂ одновременно.

Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оперения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи

16 Сложный теплообмен

В действительных условиях работы различных теплообменных устройств теплота передается одновременно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Такое явление называется сложным теплообменом.

Теплопередача через плоскую стенку

Передача теплоты  от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Примером теплопередачи служит перенос теплоты от дымовых газов к воде через стенки труб парового котла, включающий в себя конвективную теплоотдачу от горячих дымовых газов к внешней стенке, теплопроводность в стенке и конвективную теплоотдачу от внутренней поверхности стенки к воде. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуются граничными условиями третьего рода, которые задаются температурами жидкости с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи.

Рассмотрим процесс  теплопередачи через однородную плоскую стенку толщиной δ (рис. 12.1). Заданы: коэффициент теплопроводности стенки λ, температуры окружающей среды t_ж1 и t_ж2, коэффициенты теплоотдачиα₁ и α₂. Необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки t_с1 иt_с2. Плотность теплового потока от горячей среды к стенке определится уравнением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 Уравнение  теплопередачи процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку (процесс теплопередачи). Тепловой поток от горячего теплоносителя с расходом G₁ и начальной температурой t₁ передается через стенку, толщиной д_к холодному продукту в аппарате в количестве G₂ и начальной температурой t₂. Таким образом, процесс теплопередачи состоит из процесса теплоотдачи потока от горячего теплоносителя к поверхности стенки, процесса переноса тепла через стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю. В процессе передачи тепла на поверхности стенки устанавливаются температуры, равные t_с1 и t_с2. В обоих теплоносителях в слое, прилежащем к стенке, формируется тепловой пограничный слой, в котором температура жидкости переменна и изменяется от ее значения в ядре потока и до значения температур на поверхностях стенки. Плотность теплового потока в процессах теплоотдачи определяется по закону Ньютона-Рихмана:

q=б•(t-t_с), Вт/м²

Тогда мощность теплового  потока будет равна:

Q=q•F=б•(t-t_с)•F, Вт

где F- площадь поверхности стенки, омываемая теплоносителями, м². Коэффициент пропорциональности б, называемый коэффициентом теплоотдачи, характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. По физическому смыслу б численно равен количеству тепла в Дж, которое отдается теплоносителем к стенке или от стенки к теплоносителю при площади 1 м², при разности температур между жидкостью и стенкой в 1 К за время 1 с. Отсюда следует, что единица измерения коэффициента теплоотдачи будет Дж/м²•К•с или Вт/м²•К. Выражение для теплового потока в процессе теплопередачи имеет вид (основное уравнение теплопередачи):

q=k•(t₁-t₂), Вт/м²

а для мощности теплового  потока:

Q=q•F=k•(t₁-t₂)•F, Вт

Коэффициент пропорциональности k, называемый коэффициентом теплопередачи, характеризует интенсивность процесса передачи тепла. В свою очередь:

Из уравнения видно, что коэффициент теплопередачи тесно связан с величинами коэффициентов теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки. Конкретно, чем больше б₁, б₂, , и коэффициент теплопроводности материала стенки л, тем больше величина k и тем больше количество передаваемого тепла. Физический смысл коэффициента теплопередачи следующий: k численно равен количеству тепла, которое передается от одной жидкости к другой через стенку площадью 1 м² при разности температур между теплоносителями в 1 К, за время 1 с. Поэтому единицей измерения м² является Дж/м²•К•с или Вт/м²•К.

 

.

 

19 Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. Если характеризовать ее эквивалентным коэффициентом теплопроводности, то он оказывается в сотни раз больше, чем у меди. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд (чаще всего цилиндрическую трубу), заполненный жидкостью-теплоносителем. Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос тепла, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией) жидкости-теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипает и превращается в пар (испаряется). При этом она поглощает большое количество теплоты (теплота преобразования), которое переносится паром к другому более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Далее сконденсированная жидкость опять возвращается в зону испарения. Этот возврат может осуществляться разными способами. Самый простой из них заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жидкость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой трубы называется термосифоном. Естественно, эффективность работы термосифона зависит от его ориентации относительно направления силы тяжести. Для исключения этого недостатка в наиболее распространенных типах тепловых труб для возврата жидкости в зону испарения используются капиллярные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располагают слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), по которому под действием капиллярных сил и происходит обратное движение жидкости. 

      Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем изображена на

 

1 - корпус, 2 - капиллярно-пористый  слой (фитиль);

⇒ - направление движения пара (направление переноса теплоты);

← - направление движения жидкости (конденсата)  

      Основными преимуществами таких тепловых труб являются: высокая эффективность теплообмена, автономность работы, малый вес и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, высокая изотермичность поверхности трубы.  

     . В качестве жидкости-теплоносителя используются как легко испаряемые жидкости (ацетон, аммиак, фреоны) для низкотемпературных труб, так и вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли для труб, работающих при высоких температурах.

 

 

 

1 Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – одно из главных устройств в конструкции автомобиля, служащее для преобразования энергии топлива в механическую энергию, которая, в свою очередь, выполняет полезную работу. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания построен на том, что топливо в соединении с воздухом образуют воздушную смесь. Циклически сгорая в камере сгорания, воздушно-топливная смесь обеспечивает высокое давление, направленное на поршень, а тот, в свою очередь, вращает коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм. Его энергия вращения передается трансмиссии автомобиля. Для запуска двигатель внутреннего сгорания часто используются стартер – обычно электрический двигатель, проворачивающий коленвал. В более тяжелых дизельных двигателях в качестве стартера и для той же цели применяется вспомогательный ДВС («пускач»).   Виды двигателей автомобилей Существуют следующие типы двигателей: бензиновые дизельные газовые газодизельные роторно-поршневые Так же ДВС классифицируются: по виду топлива, по числу и расположению цилиндров, по способу формирования топливной смеси, по количеству тактов работы двигателя внутреннего сгорания и т.д. Бензиновый двигатель Бензиновые двигатели внутреннего сгорания – наиболее распространенные из автомобильных двигателей. Топливом для них служит бензин. Проходя через топливную систему, бензин попадает через распыляющие форсунки в карбюратор или впускной коллектор, а затем эта воздушно-топливная смесь подается в цилиндры, сжимается под воздействием поршневой группы, поджигается искрой от свечей зажигания. 

Дизельный двигатель  Дизельные ДВС используют специальное  дизтопливо. Двигатель автомобиля подобного типа не имеют системы зажигания: топливная смесь, попадающая в цилиндры через форсунки, способна взрываться под высоким давлением и температуры, которые обеспечивает поршневая группа .

Газовый двигатель  Газовые двигатели используют газ в качестве топлива – сжиженный, генераторный, сжатый природный. Распространение таких двигателей было обусловлено растущими требованиями к экологической безопасности транспорта. Исходное топливо хранится в баллонах под большим давлением, откуда через испаритель попадает в газовый редуктор, теряя давление. Далее процесс аналогичен инжекторным бензиновым ДВС. В некоторых случаях газовые системы питания могут не использовать в своем составе испарители. 

2 Идеальные циклы поршневых двигателей с подводом тепла при постоянном объёме

Двигатель внутреннего  сгорания (ДВС) представляет собой такую  тепловую машину, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняемым топливом, а на втором этапе - продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива (бензин, керосин, соляровое масло и др.).

Двигатели внутреннего  сгорания обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей.

1. Большая компактность, например, по сравнению с паросиловыми установками.

2. Больший температурный предел рабочего тела (так как стенки цилиндра и головки двигателя имеют принудительное охлаждение), что приводит к увеличению термодинамического КПД.

Поршневые двигатели  внутреннего сгорания применяются  в автотранспорте, водном, а также  железнодорожном транспорте, авиации, в стационарных  энергетических установках небольшой мощности.

Основным элементом  любого поршневого двигателя является цилиндр 1 с поршнем 2, соединенным  посредством кривошипно-ша-тунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых 3 осуществляется всасывание рабочего тела (воздуха или горючей смеси), а через другое  4 - выброс рабочего тела по завершению цикла (рис. 2.5).

 Идеальная  диаграмма цикла ДВС с подводом тепла при V=const в V-P координатах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Цикл ДВС с подводом тепла  при постоянном давлении