Методические указания 1 страница

Выпаривание

Задачи

Примеры

Методические указания

Основы теплопередачи

Теплообменом называется процесс переноса теплоты, происходящий между телами, имеющими различную температуру. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплота от одного тела к другому может передаваться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. В технике зачастую приходиться иметь дело с сочетанием 2 ^х или 3 ^х способов передачи тепла. При решении задач следует понять, каким способом передается тепло, с тем, чтобы правильно выбрать уравнения для расчета.

Необходимо помнить, что процесс передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному через стенку называется теплопередачей, а перенос теплоты от поверхности твердого тела к газообразной или жидкой среде (или наоборот) называется теплоотдачей.

Пример 2.1.1. Плоскую поверхность с температурой t_г °С надо изолировать теплоизоляционным материалом так, чтобы потери теплоты не превышали q Вт/м² при температуре на внешней поверхности изоляции t_х °С. Найти толщину изоляции.

РЕШЕНИЕ

Необходимо использовать уравнение теплопроводности для установившегося теплового потока через однослойную плоскую стенку:

,

(2.1)

где Q – тепловой поток (расход теплоты), Вт;

F – площадь поверхности стенки, м²;

t_г и t_х – температуры горячей и холодной поверхности стенки, °С;

δ – толщина стенки, м;

λ – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м ^. К;

– удельный тепловой поток, Вт/м².

Коэффициент теплопроводности материала находим из таблицы 7, а коэффициент теплопроводности жидких веществ и водных растворов – из таблицы 8.

Из уравнения (2.1) находим необходимую толщину изоляции

, [м].

Решая задачи такого типа, следует иметь ввиду, если стенка будет многослойной, то следует использовать уравнение

.

(2.2)

Таблица 7 – Коэффициенты теплопроводности материалов при 0-100°С

Материал	Плотность (насыпная), кг/м^3	Коэффициент теплопроводности
Вт/(м ^. К)	ккал/(м ^. ч ^. град)
Асбест		0,151	0,13
Бетон		1,28	1,1
Винипласт		0,163	0,14
Войлок шерстяной		Продолжение табл. 7 0,047	0,04
Дерево (сосна) поперек волокон		0,140-0,174	0,12-0,15
Дерево (сосна) вдоль волокон		0,384	0,33
Кладка из обыкновенного кирпича		0,698-0,814	0,6-0,7
Кладка из огнеупорного кирпича		1,05	0,9*
Кладка из изоляционного кирпича		0,116-0,209	0,1-0,18
Краска масляная	-	0,233	0,2
Лед		2,33
Литье каменное		0,698	0,6
Магнезия 85% в порошке		0,070	0,06
Накипь, водяной камень	-	1,163-3,49	1-3
Окалина	-	1,16
Опилки древесные		0,070-0,093	0,06-0,08
Пенопласт		0,047	0,04
Песок сухой		0,349-0,814	0,3-0,7
Пробковая мелочь		0,047	0,04
Совелит		0,098	0,084
Стекло		0,698-0,814	0,6-0,7
Стеклянная вата		0,035-0,070	0,03-0,06
Текстолит		0,244	0,21
Торфоплиты		0,064	0,055
Фаолит		0,419	0,36
Шлаковая вата		0,076	0,065
Эмаль		0,872-1,163	0,75-1,0
М Е Т А Л Л Ы
Алюминий		203,5
Бронза		64,0
Латунь		93,0
Медь
Свинец		34,9
Сталь		46,5
Сталь нержавеющая		17,5
Чугун		46,5-93,0	40-80

Таблица 8 – Теплопроводность жидких веществ и водных растворов

Коэффициент пересчета в систему СИ: ккал / м ^. ч ^. град ^. 1,16 = вт / м ^. К

Вещество	Теплопроводность, ккал / м ^. ч ^. град
при –20 °С	при 0 °С	при 20 °С	при 40 °С	при 60 °С	при 80 °С	при 100 °С	при 120 °С
Азотная кислота
100%-ная	0,226	0,221	0,216	0,212	0,208	0,205	0,201	0,198
50%-ная	-	0,381	0,394	0,403	0,412	0,416	0,418	0,42
Аммиак жидкий	0,504	0,465	0,426	0,387	0,348	0,309	0,27	0,231
Аммиачная вода 25%-ная	-	0,36	0,386	0,412	0,437	0,463	0,49	0,51
Анилин	-	0,16	0,157	0,154	0,15	0,147	0,144	0,141
Ацетон	0,154	0,15	0,146	0,142	0,138	0,134	0,13	0,126
Бензол	-	0,13	0,126	0,121	0,117	0,112	0,108	0,104
Бутиловый спирт	0,137	0,134	0,132	0,129	0,126	0,123	0,12	0,118
Вода	-	0,474	0,515	0,545	0,567	0,58	0,587	0,59
Гексан	0,118	0,118	0,118	0,118	0,118	0,118	0,118	0,118
Глицерин 50%-ный	-	0,335	0,362	0,391	0,42	0,45	0,48	0,51
Двуокись серы (жидк.)	0,193	0,182	0,171	0,16	0,15	0,139	0,128	0,117
Дихлорэтан	0,125	0,12	0,116	0,112	0,107	0,103	0,098	0,094
Изопропиловый спирт	0,135	0,132	0,13	0,127	0,124	0,121	0,118	0,115
Кальций хлористый (25%-ный раствор)	0,407	0,435	0,464	0,492	0,52	0,548	0,58	0,6
Метиловый спирт
100%-ный	0,186	0,184	0,182	0,179	0,177	0,174	0,172	0,17
40%-ный	-	0,278	0,287	0,295	0,304	0,312	0,32	0,33
Муравьиная кислота	-	0,224	0,221	0,218	0,214	0,211	0,207	0,203
Натр едкий, растворы
50%-ный	-	0,446	0,457	0,465	0,47	0,476	0,479	0,481
40%-ный	-	0,446	0,458	0,467	0,475	0,48	0,483	0,485
30%-ный	-	0,446	0,459	0,469	0,478	0,484	0,487	0,489
20%-ный	-	0,447	0,462	0,473	0,484	0,491	0,494	0,496
10%-ный	-	0,45	0,467	0,48	0,492	0,499	0,503	0,505
Натрий хлористый (20%-ный раствор)	-	0,468	0,497	0,52	0,54	0,555	0,565	0,57
Нитробензол	-	0,132	0,13	0,127	0,125	0,122	0,12	0,1
Октан	0,133	0,132	0,131	0,129	0,127	0,126	0,125	0,124
Олеум 20%-ный	-	0,25	0,26	0,27	0,28	0,29	-	-
Серная кислота					Продолжение табл. 8
98%-ная	-	0,264	0,284	0,294	0,306	0,324	0,334	0,344
92%-ная	0,256	0,276	0,296	0,306	0,324	0,336	0,346	0,356
75%-ная	0,3	0,315	0,33	0,345	0,365	0,385	0,405	0,425
60%-ная	0,33	0,35	0,37	0,38	0,4	0,43	0,45	0,47
Сероуглерод	0,15	0,146	0,142	0,139	0,133	0,129	0,125	0,121
Соляная кислота (30%-ная)	-	0,334	0,362	0,39	0,419	0,45	0,48	0,5
Толуол	0,125	0,121	0,117	0,113	0,11	0,106	0,102	0,098
Уксусная кислота
100%-ная	-	0,152	0,149	0,145	0,141	0,138	0,134	0,13
50%-ная	-	0,27	0,298	0,326	0,355	0,383	0,41	0,44
Фенол (расплавленный)	-	-	0,175	0,177	0,18	0,182	0,184	0,186
Хлорбензол	0,118	0,114	0,111	0,108	0,104	0,1	0,097	0,094
Хлороформ	0,13	0,122	0,114	0,105	0,097	0,088	0,079	0,071
Четыреххлорис-тый углерод	0,113	0,107	0,101	0,095	0,089	0,083	0,077	0,071
Этилацетат	0,15	0,135	0,118	0,101	0,084	-	-	-
Этиловый спирт
100%-ный	0,148	0,147	0,145	0,144	0,142	0,141	0,139	0,137
80%-ный	-	0,163	0,191	0,219	0,247	0,275	0,3	0,33
60%-ный	-	0,215	0,243	0,27	0,298	0,326	0,35	0,38
40%-ный	-	0,3	0,329	0,357	0,385	0,413	0,44	0,47
20%-ный	-	0,384	0,412	0,44	0,467	0,495	0,52	0,55
Этиловый эфир	0,12	0,119	0,118	0,117	0,116	0,115	0,114	0,113

Пример 2.1.2. Стальной паропровод диаметром 150х5 мм имеет на внутренней поверхности температуру t₁ °С. Его надо покрыть двумя слоями изоляции: слой А толщиной δ_А и теплопроводностью λ_А; слой Б толщиной δ_Б и теплопроводностью λ_Б. Длина паропровода L. Вычислить часовую потерю тепла, если температура наружной поверхности изоляции не превышает t₂ °С.

РЕШЕНИЕ

Используем уравнение теплопроводности для многослойной цилиндрической стенки

,

(2.3)

где L – длина цилиндрической стенки, м;

τ – время, с;

d_н и d_в – наружный и внутренний диаметры каждого цилиндрического слоя, м.

Следует особо обратить внимание на определение внутреннего и наружного диаметра каждого слоя изоляции.

Знаменатель в уравнении (2.3) можем расписать так:

.

В нашей задаче: d₂ = 0,15 м; d₁ = 0,15 – 2 ^. 0,005 = 0,14 м; d₃ = d₂ + 2 ^. δ_А;

d₄ = d₃ + 2 ^. δ_Б. Теплопроводность стали λ_ст находим из таблицы 7.

Пример 2.1.3. До какой температуры будет нагрет раствор хлористого натрия в количестве G₁ кг/ч, если для его нагрева используется насыщенный водяной пар с Р_абс в количестве G₂ кг/ч. Потери теплоты в окружающую среду составляют Q_п. Начальная температура раствора t_н. Удельную теплоемкость раствора принять равной С_р.

РЕШЕНИЕ

Для составления уравнения теплового баланса необходимо помнить:

а) если теплоноситель не меняет агрегатное состояние, т.е. он либо нагревается, либо охлаждается, тогда

Q = G ^. С ^. (tн – tк);

(2.4)

б) если теплоноситель меняет агрегатное состояние (например, испаряется, конденсируется), тогда

Q = G ^. r;

(2.5)

В уравнениях (2.4) и (2.5):

Q – тепловой поток, Вт (Дж /с);

G – расход теплоносителя, кг/с;

C – средняя удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг ^. К; определяется по таблице 9;

t_н и t_к – начальная и конечная температуры теплоносителя, К или °С;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

В нашей задаче раствор хлористого натрия нагревается от t_н до t_к (теплоноситель не меняет агрегатное состояние). Для нагревания раствора используется насыщенный водяной пар, который конденсируется (меняет агрегатное состояние) и выделившееся тепло расходуется на нагрев раствора и потери тепла в окружающую среду. Таким образом, уравнение теплового баланса

Q = G₂ ^. r = G₁ ^. С_р ^. (t_к – t_н) + Q_п.

Из последнего уравнения может быть найдена температура t_к. Предварительно по давлению насыщенного водяного пара Р_абс из таблиц "Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления" (таблица 10) находим r.

Пример 2.1.4. Определить необходимую поверхность противоточного теплообменника при охлаждении G₁ кг/ч жидкости от температуры t_1н до t_1к. Охлаждающая вода нагревается от t_2н до t_2к. Даны коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂. Толщина стальной стенки δ. Учесть наличие загрязнений ржавчины и накипи _загр. Определить также расход охлаждающей воды. Если теплоносители будут подаваться прямотоком, изменится ли поверхность теплообмена.

РЕШЕНИЕ

Поверхность теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи:

Q = К ^. F ^. Δtср,

(2.6)

где Q – тепловой поток, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м^{2 .} К;

F – теплопередающая поверхность, м²;

Δt_ср – средний температурный напор.

Таблица 9 – Удельная теплоемкость жидких веществ и водных растворов

Коэффициент пересчета в систему СИ: ккал / кг ^. град ^. 4190 = дж / кг ^{. .} К

Вещество	Удельная теплоемкость, ккал / кг ^. град
при –20 °С	при 0 °С	при 20 °С	при 40 °С	при 60 °С	при 80 °С	при 100 °С	при 120 °С
Азотная кислота
100%-ная	0,415	0,418	0,42	0,425	0,43	0,435	0,44	0,445
50%-ная	-	0,667	0,68	0,693	0,71	0,73	0,74	0,76
Аммиак жидкий	1,08	1,1	1,13	1,16	1,22	1,3	1,37	1,48
Аммиачная вода 25%-ная	-	1,03	1,03	1,04	1,06	1,08	1,1	1,13
Анилин	-	0,477	0,487	0,498	0,508	0,519	0,529	0,54
Ацетон	0,49	0,505	0,52	0,535	0,55	0,566	0,581	0,596
Бензол	-	0,39	0,413	0,436	0,46	0,483	0,506	0,52
Бутиловый спирт	0,47	0,503	0,555	0,607	0,66	0,712	0,765	0,817
Вода	-	1,01	0,999	0,998	1,0	1,0	1,01	1,02
Гексан	0,536	0,536	0,536	0,536	0,536	0,536	0,536	0,536
Глицерин 50%-ный	-	0,85	0,85	0,84	0,84	-	-	-
Двуокись серы (жидк.)	0,313	0,317	0,327	0,342	0,363	0,389	0,42	0,457
Дихлорэтан	0,232	0,253	0,274	0,296	0,317	0,339	0,361	0,382
Изопропиловый спирт	0,525	0,564	0,635	0,706	Продолжение табл. 9 0,777	0,847	0,917	0,987
Кальций хлористый (25%-ный раствор)	0,678	0,69	0,702	0,71	0,73	0,74	0,75	0,76
Метиловый спирт
100%-ный	0,569	0,589	0,613	0,637	0,66	0,684	0,708	0,732
40%-ный	-	0,84	0,85	0,86	0,86	0,87	0,88	0,89
Муравьиная кислота	-	0,469	0,49	0,511	0,531	0,552	0,573	0,593
Натр едкий, растворы
50%-ный	-	-	0,773	0,769	0,767	0,765	0,763	0,762
40%-ный	-	0,807	0,817	0,826	0,83	0,832	0,832	0,832
30%-ный	-	0,824	0,84	0,856	0,865	0,869	0,869	0,869
20%-ный	-	0,842	0,862	0,875	0,882	0,886	0,888	0,888
10%-ный	-	0,882	0,9	0,912	0,918	0,922	0,924	0,926
Натрий хлористый (20%-ный раствор)	-	0,941	0,939	0,936	0,931	0,93	0,92	0,92
Нитробензол	-	0,334	0,347	0,36	0,374	0,387	0,4	0,414
Октан	0,526	0,526	0,526	0,526	0,526	0,526	0,526	0,526
Олеум 20%-ный	-	0,326	0,34	0,354	0,368	0,382	0,396	0,41
Серная кислота
98%-ная	-	0,335	0,348	0,361	0,375	0,388	0,402	0,414
92%-ная	0,355	0,366	0,377	0,389	0,4	0,412	0,425	0,436
75%-ная	0,431	0,447	0,463	0,479	0,495	0,51	0,527	0,543
60%-ная	0,505	0,525	0,545	0,565	0,585	0,605	0,625	0,645
Сероуглерод	0,232	0,235	0,238	0,242	0,245	0,248	0,252	0,255
Соляная кислота (30%-ная)	-	0,55	0,59	0,63	0,67	0,72	0,76	0,8
Толуол	0,363	0,385	0,407	0,429	0,451	0,473	0,494	0,506
Уксусная кислота
100%-ная	-	0,45	0,476	0,502	0,527	0,553	0,579	0,605
50%-ная	-	0,73	0,74	0,75	0,76	0,78	0,79	0,8
Фенол (расплавленный)	-	-	0,56	0,56	0,56	0,56	0,56	0,56
Хлорбензол	0,285	0,3	0,315	0,33	0,345	0,36	0,376	0,391
Хлороформ	0,23	0,287	0,244	0,251	0,258	0,265	0,272	0,279
Четыреххлорис-тый углерод	0,194	0,2	0,206	0,213	0,22	0,226	0,233	0,24
Этилацетат	0,424	0,441	0,456	0,475	0,493	0,51	0,527	0,544
Этиловый спирт
100%-ный	0,505	0,547	0,593	0,648	0,708	0,769	0,839	0,909
80%-ный	-	0,64	0,68	0,72	Продолжение табл. 9 0,77	0,82	0,87	0,93
60%-ный	-	0,73	0,75	0,79	0,83	0,86	0,9	0,95
40%-ный	-	0,82	0,84	0,87	0,88	0,91	0,94	0,96
20%-ный	-	0,91	0,92	0,93	0,94	0,95	0,97	0,98
Этиловый эфир	0,516	0,528	0,541	0,575	0,633	0,69	0,747	0,803

Дата добавления: 2017-02-01