Содержание
Введение...........................................……...………..………………….…………..3
1 Нестационарная теплопроводность тел………………………………………...5
1.1 Расчёт…….………..............................................……………………………....5
1.2 Графическая часть…..............................................…………...……………….9
1.3 Выводы…………………………………………………………………………14
2 Передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки…………15
2.1 Расчёт ………………………………………… …….........................................15
2.2 Графическая часть………………. …...…………………………...…………...24
2.3 Выводы…………………………………………………………………………34
3 Конвективный теплообмен при плёночной конденсации пара……………….36
3.1 Расчёт…….……........................………………………………...……………...37
3.2 Графическая часть………………………………………………………..……69
3.3 Выводы…..............................................………………….……..……………...89
Заключение……………………………………………………………………..…91
Библиографический список……………………………….………………….…..92
Введение
|
|
Совершенно очевидным является положение, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности. Теплота — это великий дар природы и естественно желание научиться разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.
Тепломассообмен – это наука, изучающая процессы распространения тепла и передачи массы вещества в пространство, имеющее непосредственную физическую связь с теплообменом. Явление тепломассообмена распространено в природе и в технике. Например, расчёт и конструирование теплообменных установок в теплоэнергетике, расчёт тепловых двигателей, атомных реакторов, холодильных устройств. Тепломассообмен вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники, являющиеся основой знаний инженеров теплоэнергетиков. При соприкосновении двух тел с разными температурами происходит обмен энергиями, в результате интенсивность движения частиц с меньшей температурой увеличивается, а с большей уменьшается. Значит для возникновения процесса теплообмена необходимо наличие разности температур. Если нет разности, нет и теплообмена.
В этой работе будут рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности тел, передачи теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, кипения жидкости в трубе, плёночной конденсации пара в трубе. Все эти процессы имеют практическое применение в технике, в котельных установках, поэтому знание и умение их рассчитывать необходимо каждому теплоэнергетику.
|
|
Нестационарная теплопроводность тел
Исследовать нагревание железобетонной плиты размерами в процессе ее термической обработки. Определить распределение температур и расход теплоты на единицу ее объема по истечении времени τ в зависимости от интенсивности теплообмена между греющей средой и поверхностью плиты. Железобетонная плита выполнена из материала с теплофизическими свойствами λ, с, ρ.
В начале термической обработки температура во всех точках плиты была одинакова и равна tН. В процессе нагрева плиты температура греющей среды (водяного пара) поддерживалась постоянной и равна t0. Обогрев плиты симметричный. Время нагрева (полное) определить исходя из условия, что температура на поверхности плиты равна tс. Скорость движения пара относительно плиты w.
Таблица 1.1 – Исходные данные
Номер варианта | Размер плиты S-b-l, м | Начальная температура плиты tН, оС | Температура поверхности плиты tC,0С | Температура насыщенного пара t0, оС | Теплофизические свойства плиты | Скорость потока воздуха w, м/с | ||
Плотность ρ, кг/м3 | Коэф. теплопроводности λ, Вт/мК | Теплоёмкость С, Дж/кг с | ||||||
0,4*1,8*6 | 1,41 |
1.1 Определение критерия Био
Определим критерий Bi. Для этого найдем критерий Рейнольдса Re, критерий Нуссельта Nu и коэффициент теплоотдачи α.
Критерий Рейнольдса Re находим по формуле:
, (1.1)
где w – скорость потока воздуха, м/с;
l – высота плоской стенки, м;
м2/с – коэффициент кинематической вязкости при t=120°C
м2/с – коэффициент кинематической вязкости при t=150°C.
Средний критерий Нуссельта находим по формуле:
, (1.2)
где – критерий Рейнольдса;
=1,09 - критерий Прандтля при t=120°C;
=1,16 - критерий Прандтля при t=150°C;
=1,08 - критерий Прандтля.
Средний коэффициент теплоотдачи от потока пара к поверхности плоской стенки находим по формуле, Вт/(м2·К):
, (1.3)
где – средний критерий Нуссельта;
=2,593·10-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=120°C;
=2,884·10-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=150°C;
l – длина ребра, м.
Сведём расчеты в таблицу.
Таблица 1.2 – Расчёт Re, и
w | tП =120оС | tП=150оС | ||||
Re · 106 | *10-3 | , Вт/(м2·К) | Re · 106 | ·10-3, | , Вт/(м2·К) | |
2,618 | 5,244 | 22,664 | 5,484 | 9,885 | 47,51 | |
5,236 | 9,13 | 39,44 | 10,97 | 17,21 | 82,87 | |
10,47 | 15,9 | 68,66 | 21,94 | 29,97 | 144,02 | |
20,94 | 27,68 | 119,57 | 43,88 | 52,17 | 250,76 | |
31,41 | 38,28 | 165,4 | 65,81 | 72,17 | 346,836 |
Рассчитываем критерий Био по формуле:
, (1.4)
где – средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);
S – толщина плиты, м.
– коэффициент теплопроводности материала плиты, Вт/(м·К).
Таблица 1.3 – Расчёт критерия Био Bi
w | Bi | |
tП =120оС | tП =150 оС | |
3,214 | 6,74 | |
5,597 | 11,73 | |
9,744 | 20,43 | |
16,966 | 35,57 | |
23,467 | 49,2 |
1.2 Расчёт времени нагрева τ и критерия Фурье Fo
Исходя из критерия Био, находим значения δi из трансцендентального уравнения (2.5).
. (1.5)
Таблица 1.4 – Расчет δi
tП, оС | Bi | δ1 | δ2 | δ3 | δ4 | δ5 |
3,214 | 1,1908 | 3,8206 | 6,7214 | 9,7403 | 12,8106 | |
5,597 | 1,3325 | 4,0759 | 6,9565 | 9,9355 | 12,9724 | |
9,744 | 1,4238 | 4,2934 | 7,213 | 10,1853 | 13,2004 | |
16,966 | 1,4757 | 4,4352 | 7,4143 | 10,4172 | 13,4425 | |
23,467 | 1,5024 | 4,5099 | 7,5247 | 10,5501 | 13,5876 | |
6,74 | 1,3746 | 4,1728 | 7,0666 | 10,04 | 13,0666 | |
11,73 | 1,4845 | 4,4594 | 7,2744 | 10,458 | 13,485 | |
20,43 | 1,5317 | 4,4938 | 7,499 | 10,5165 | 13,5477 | |
35,57 | 1,5042 | 4,5743 | 7,6272 | 10,6843 | 13,7466 | |
49,2 | 1,5267 | 4,6151 | 7,6929 | 10,772 | 13,8529 |
Из уравнения (2.6) находим время нагрева τ и критерий Фурье Fo:
, (1.6)
где - температура на поверхности плиты, , оС;
при tП = 120 оС: оС,
при tП = 150 оС: оС;
- начальный температурный напор, , оС;
при tП = 120 оС: оС,
при tП = 150 оС: оС;
Fo – критерий Фурье:
, (1.7)
где - коэффициент температуропроводности:
(1.8)
.
Сведём расчёты в таблицу.
Таблица 1.5 - Расчет времени τ
w, м/с | tП = 120 оС | tП = 150 оС |
τ, с | τ, с | |
Продолжение таблицы 1.5
- | ||
- | ||
- |
1.3 Расчёт температурного поля
|
|
Рассчитываем температурное поле:
; (1.9)
. (1.10)
Таблица 1.6 - Расчет tХ
tП, оС | w, м/с | tХ, оС | ||||
х= 0 % | х=25% | х = 50% | х =75% | х = 100% | ||
66,251 | 68,608 | 75,479 | 86,27 | 99,983 | ||
37,585 | 41,139 | 52,326 | 71,826 | 99,950 | ||
30,395 | 31,65 | 38,641 | 59,897 | 99,985 | ||
29,986 | 30,026 | 30,927 | 44,022 | 99,916 | ||
29,89 | 30,198 | 30,213 | 34,78 | 99,940 | ||
29,989 | 30,028 | 30,78 | 42,328 | 99,954 | ||
24,203 | 25,82 | 29,065 | 33,463 | 99,956 | ||
1.4 Расчёт количества тепла , подведённого к единице площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты
Количество тепла , подведённое к единице площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты, кДж/м2:
; (1.11)
где – количество тепла, подведённое через единицу площади поверхности при её нагреве от начальной температуры до температуры, равной температуре потока пара, кДж/м2:
, (1.12)
где ρ – плотность плиты, кг/м3;
с – теплоёмкость плиты, Дж/м·К;
, оС;
при tП = 120 оС: оС;
при tП = 150 оС: оС.
Таблица 1.7 – Расчёт количество тепла
w | , кДж/м2 | |
tП =120оС | tП =150 оС | |
140481,5 | 17932,48503 | |
135807,85 | 1480,577368 | |
90828,745 | ||
26803,719 | ||
2236,2076 |
1.5 Графическая часть
1.6 Вывод
В ходе решения этой задачи я выяснил, что чем больше температура насыщенного пара, тем меньше время процесса нагрева и меньше критерий Фурье. Из графиков зависимости распределения температуры от скорости движения пара видно, что с увеличением скорости движения пара равномерность прогрева уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается, то есть успевают прогреваться поверхностные слои плиты. В этой задаче мы показали, что изменение температуры по сечению плиты зависит от критерия Био; также мы определили расход теплоты на единицу объема плиты и выяснили, что чем больше скорость потока воздуха, тем больше расход теплоты.