Теория теплопередачи

2.2.2.1 Теплопроводность

Предмет теории передачи теплоты. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность и температурное поле плоской стенки (однослойной и многослойной). Теплопроводность и температурное поле цилиндрической стенки (однослойной и многослойной), Термическое сопротивление теплопроводности. Понятие о нестационарной теплопроводности.

Методические указания:

Передача теплоты в реальных условиях представляет собой сложный процесс, который для простоты изучения рассматривается как совокупность элементарных процессов - теплопроводности, конвективного теплообмена и теплового излучения.

При изучении явления теплопроводности следует уяснить физическую сущность закона Фурье, который устанавливает пропорциональность плотности теплового потока градиенту температуры. Коэффициент пропорциональности, записанный в законе Фурье, является физическим свойством вещества и называется коэффициентом теплопроводности. Необходимо запомнить, что свойством аддитивности коэффициент теплопроводности не обладает, а его величина зависит от структуры вещества и температуры тела. Теория теплопроводности отвечает на вопрос, какова температура тела в любой его точке в любой момент времени. В связи с этим следует четко различать стационарные и нестационарные температурные поля и понимать условия их формирования.

Вопросы для самопроверки

1. Почему в законе Фурье стоит знак минус?

2. Что называется температурным полем и градиентом температуры?

3. Какова размерность коэффициента теплопроводности?

4. Приведите численные значения коэффициентов теплопроводности некоторых металлов, жидкостей и газов.

5. По каким физическим свойствам материалы относят к теплоизоляционным?

6. Как качественно изменяется температура в плоской и цилиндрической стенках (однослойной и многослойной).

7. Что такое термическое сопротивление и как его рассчитать для многослойной стенки (плоской и цилиндрической)?

2.2.2.2 Конвективный теплообмен

Физическая сущность и виды конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи и методы его определения. Основы теории и критерии подобия. Теплоотдача при свободном движении в неограниченном и ограниченном пространстве. Теплоотдача при кипении и конденсации.

Методические указания:

В отличие от микрофизического процесса переноса теплоты теплопроводностью конвекция представляет собой макрофизический процесс одновременного переноса массы и теплоты в пространстве. Такой перенос теплоты возможен в жидких и газообразных веществах либо в результате вынужденного (напорного) движения теплоносителя, либо в результате свободного движения, вызванного разностью плотности вещества в различных частях его объема.

Следует обратить внимание на то, что одновременно с процессом конвекции протекает обмен теплотой между частицами вещества теплопроводностью, что в совокупности называется конвективным теплообменом. И если удается при определенных условиях наблюдать теплопроводность в так называемом "чистом виде", то конвекция в таковом не существует. В этом их принципиальное различие. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью твердого тела описывается законом Ньютона-Рихмана и называется теплоотдачей. По этому закону плотность теплового потока пропорциональна разности температур поверхности твердого тела и теплоносителя вдали от этой поверхности. Коэффициент пропорциональности получил название коэффициента теплоотдачи. Попытайтесь найти нечто общее в законах Фурье и Ньютона-Рихмана, используя понятие термического сопротивления.

Для обобщения результатов экспериментального определения коэффициента теплоотдачи (а он зависит от большого числа физических и геометрических факторов) и применения их в подобных системах широко используется теория подобия физических процессов, основу которой составляет ряд теорем. Необходимо познакомиться с этими теоремами и понять их физическую сущность, а также усвоить, что теория подобия не устанавливает вида функциональной зависимости между критериями подобия, но четко определяет их количество в данном физическом явлении. Следует обратить внимание на условия применимости критериальных уравнений, уметь правильно выбрать определяющие геометрический размер и температуру.

Исследование теплоотдачи при изменении агрегатного состояния теплоносителя предполагает понимание механизмов пузырькового и пленочного кипения, причин кризисов кипения, а также особенностей механизмов пленочной и капельной конденсации.

Вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте закон Ньютона-Рихмана и запишите его математическое выражение.

2. В чем различие понятий температурного градиента и температурного напора?

3. Какова связь между коэффициентом теплопроводности теплоносителя и коэффициентом теплоотдачи?

4. Что позволяет установить теория подобия при изучении теплоотдачи?

5. Каким критерием подобия характеризуется режим течения теплоносителя и в чем физическая сущность этого критерия?

6. Качественно охарактеризуйте ламинарный и турбулентный режимы течения.

7. Что характеризует критерий Грасгофа?

8. Физическая сущность критерия Прандтля.

9. Что характеризует коэффициент температуропроводности?

10. Что понимают под первым и вторым кризисами кипения?

11. Перечислите способы интенсификации процесса пленочной конденсации.

2.2.2.3. Теплообмен излучением

Сущность и основные характеристики процесса излучения. Основные законы теплового излучения. Теплообмен излучением между телами. Теплообмен излучением между газами и стенкой. Понятие о сложном теплообмене.

Методические указания:

Особенностью теплообмена излучением является двойное превращение энергии -теплота первого тела с температурой Т ₁ превращается в электромагнитное излучение, которое, попав на второе тело с температурой Т ₂, поглощается им и превращается в теплоту. При тепловом излучении проявляется сильная зависимость плотности теплового потока от разности температур тел, участвующих в лучистом теплообмене. Следует обратить внимание на то, что даже при одинаковых температурах лучистый теплообмен не прекращается, а наступает динамическое равновесие между поглощаемой и испускаемой телом энергиями. Нужно усвоить, что при теплообмене между газами и твердым телом в излучении принимает участие весь объем газа и лишь тонкий поверхностный слой твердого тела.

Основные законы теплового излучения (Планка, Стефана-Больцмана, Кирхгофа и Ламберта) имеют большое прикладное значение в расчетах теплотехнического оборудования, работающего при высоких температурах (котельные агрегаты, печное хозяйство и т.п.).

Вопросы для самопроверки

1. Физическая сущность теплового излучения.

2. Дайте определение абсолютно черного, абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел.

3. Что такое приведенная степень черноты?

4. Какое следствие вытекает из закона Кирхгофа?

5. Укажите методы интенсификации и ослабления теплообмена излучением между телами.

6. Особенности излучения многоатомных газов.

7. Покажите возможные варианты сложного теплообмена,

8. Расчет теплового потока при сложном теплообмене.

2.2.2.4 Теплопередача

Теплопередача через плоские и цилиндрические стенки. Коэффициент теплопередачи и термическое сопротивление теплопередаче. Критический диаметр тепловой изоляции. Методы интенсификации теплопередачи.

Методические указания:

Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку называют теплопередачей, представляющую собой комбинацию элементарных процессов переноса теплоты. Запись уравнения теплопередачи аналогична записи закона Ньютона-Рихмана. Только в этом случае коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплопередачи. Он имеет, естественно, такую же размерность, что и коэффициент теплоотдачи. Термическое сопротивление теплопередаче численно равно сумме термических сопротивлений элементарным процессам переноса теплоты. Необходимо четко представлять особенность теплопередачи через многослойную цилиндрическую поверхность, связанную с неоднозначной зависимостью линейного коэффициента теплопередачи от внешнего диаметра, например, теплоизолирующего слоя. Эта неоднозначность приводит к появлению экстремальных значений теплового потока и термического сопротивления. Существенным является усвоение методов интенсификации теплопередачи за счет изменения режимных и геометрических факторов.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите составляющие термического сопротивления теплопередаче.

2. Для плоской стенки, пренебрегая термическим сопротивлением теплопроводности разделяющей стенки, определить коэффициент теплопередачи для случая бесконечно большого коэффициента теплоотдачи со стороны одного из теплоносителей и для случая равенства коэффициентов теплоотдачи. Сделайте выводы.

3. Для уменьшения тепловых потерь используется тепловая изоляция из материала с коэффициентом теплопроводности 2 Вт/(м·К). Укажите минимальный диаметр трубы, на который целесообразно нанесение данной изоляции, если коэффициент теплоотдачи с внешней стороны изоляции численно равен 10 Вт/(м²·К).

4. При каких условиях теплопередача через цилиндрическую стенку может быть рассчитана по формулам для плоской стенки?

5. Почему в трубчатых воздухоподогревателях котельных агрегатов дымовые газы направляют в трубки, а нагреваемый воздух - в межтрубное пространство?

6. Причины и условия оребрения поверхностей теплообмена.

2.2.3 Теплоэнергетические установки и теплоснабжение

2.2.3.1 Теплоиспользующие установки

Назначение и классификация теплоиспользующих установок и теплообменных аппаратов. Задачи теплового, гидравлического и механического расчетов теплообменных аппаратов.

Тепловой расчет рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов. Схема движения теплоносителя и средний температурный напор. Теоретический и действительный коэффициенты теплопередачи. Выбор скоростей теплоносителей. Аппараты с кипящим слоем.

Особенности конструкции и расчета теплообменных аппаратов смешивающего типа.

Краткая характеристика выпарных, сушильных, дистилляционных, ректификационных, холодильных и теплонасосных установок.

Методические указания:

При изучении этой темы необходимо обратить внимание на то, что в основу классификации теплоиспользующих установок положено их целевое назначение и специфика процессов тепло- и массопереноса, протекающих в них.

Следует уяснить особенности процессов, конструкций и методов расчета аппаратов поверхностного и смешивающего типов, выделив при этом факторы, определяющие интенсивность в них тепло- и массопереноса.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите типы теплоиспользующих установок и объясните протекающие в них процессы.

2. Охарактеризуйте теплоносители, их преимущества и недостатки.

3. Особенности расчетов рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов.

4. Какие факторы влияют на средний температурный напор?

5. Преимущества противоточной схемы движения теплоносителей перед прямоточной.

6. Как изображаются в диаграмме процессы нагрева (охлаждения), адиабатного увлажнения (осушения) и смешение двух потоков влажного воздуха?

7. Сущность термической деаэрации и типы деаэраторов.

8. Способы интенсификации процесса деаэрации.

9. Чем отличается действительный процесс сушки от теоретического? Проиллюстрируйте это отличие в Н- d – диаграмме.

10. Сущность процессов выпаривания, дисцилляции и ректификации.

11. Принцип действия холодильных и теплонаcосных установок.

2.2.3.2 Насосы, вентиляторы, компрессоры

Назначение и классификация насосов, вентиляторов и компрессоров. Основные параметры, характеризующие работу нагнетателей. Уравнение напора насосов и вентиляторов. Работа насосов и вентиляторов на сеть. Принцип действия поршневых и лопаточных компрессоров. Характеристики нагнетателей.

Методические указания:

При изучении этой темы следует обратить внимание на механизм преобразования энергии в различных группах нагнетателей, исходя из уравнения сохранения энергии для потока сжимаемой и несжимаемой жидкости. Необходимо усвоить классификацию насосов, вентиляторов и компрессоров, в основу которой положен принцип действия соответствующих нагнетателей.

Необходимо также познакомиться с характеристиками нагнетателей, позволяющих выбрать наиболее экономичные режимы работы нагнетателей. Существенным является умение определить область применения соответствующего нагнетателя, его преимущества и недостатки.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия поршневых, лопаточных и ротационных нагнетателей.

2. Физический смысл уравнения Бернулли.

3. Основные параметры работы нагнетателей.

4. Физическая сущность явления кавитации.

5. Характеристики лопастных насосов и вентиляторов.

6. Способы регулирования производительности лопастных насосов и вентиляторов.

7. Для чего осуществляется промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре?

8. Принцип действия осевого и центробежного компрессоров.

9. Характеристики осевых и центробежных компрессоров.

2.2.3.3 Топливо и его сжигание

Классификация, химический состав и основные характеристики энергетических топлив. Основы теории горения и продукты сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха и энтальпия продуктов сгорания.

Методические указания:

Для понимания принципов проектирования котельных агрегатов и огнетехнических установок следует изучить химический состав, основные характеристики и основы теории горения энергетических топлив. Следует усвоить такие характеристики топлива, как теплота сгорания, выход летучих, зольности и влажность. Кроме этого необходимо обратить внимание на особенности сжигания различных видов топлива и состав их продуктов сгорания.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под рабочей, сухой и горючей массой топлива?

2. Как влияет химический состав на теплоту сгорания топлива?

3. Какие факторы влияют на выбор способа шлакоудаления?

4. Назовите основные составляющие продуктов сгорания твердого, жидкого и газообразного топлив.

5. Для чего необходим избыток воздуха в топочных устройствах?

6. Как определяется энтальпия продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха больше единицы?

2.2.3.4 Огнетехнические установки

Назначение, устройство и классификация огнетехнических установок. Использование топлива в печах. Энергетический баланс промышленной печи. Энерготехнологическое комбинирование и вторичные энергоресурсы.

Методические указания:

При изучении темы следует понимать предназначение огнетехнической установки в зависимости от высокотемпературного технологического процесса. К таким установкам относятся различного типа печи, встречающиеся на предприятиях металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в стройиндустрии и на предприятиях тяжелого машиностроения.

Необходимо уметь оценивать эффективность использования топлива в огнетехнических установках и промышленных печах и понимать сущность и задачи энерготехнологического комбинирования и использования вторичных энергоресурсов.

Вопросы для самопроверки

1. Охарактеризуйте основные элементы огнетехнических установок.

2. Укажите способы интенсификации процессов тепло- и массообмена в промышленных печах.

3. Составьте уравнение теплового баланса печи.

4. КПД печи и коэффициент использования тепла топлива.

5. Основные виды вторичных энергоресурсов и способы их использования.

6. В каких условиях применяются конвективные и радиационные рекуператоры?

7. Сущность, задачи и примеры схем энерготехнологического комбинирования.

2.2.3.5 Котельные установки

Назначение, устройство и классификация котельных установок. Схемы генерации пара в котельных агрегатах. Общая характеристика процессов, протекающих в различных элементах котельной установки. Энергетический баланс и коэффициент полезного действия.

Способы сжигания топлива и топочные устройства. Компоновка поверхностей нагрева. Парогенераторы атомных электростанций.

Тепловые схемы, оборудование и показатели тепловой экономичности отопительных, производственных и производственно-отопительных котельных.

Методические указания:

Необходимо усвоить классификацию котельных установок по схеме генерации и виду теплоносителя, паро- и теплопроизводительности, принятым параметрам отпускаемого теплоносителя и прочим факторам.

Следует обратить внимание на взаимосвязь тепловых и гидравлических процессов, оценку экономичности котельных установок, особенности подготовки и сжигания топлива в топках.

Необходимо понимать принципы составления тепловых схем производственных, отопительных и комбинированных котельных.

Вопросы для самопроверки

1. Что характеризует кратность циркуляции?

2. Перечислите основные элементы котельной установки и их назначение.

3. По каким уравнениям определяется тепловосприятие поверхностей нагрева котла?

4. Влияет ли вид сжигаемого топлива на характер и величину потерь теплоты?

5. Классификация топочных устройств по виду сжигаемого топлива.

6. Что определяет температура плавления золы?

7. Основные элементы системы пылеприготовления.

8. Как подготавливается мазут к сжиганию?

9. Какого типа котлы устанавливаются на электростанциях и в котельных?

10. Принципиальная схема и основное оборудование производственно-отопительной котельной.

11. Сущность рециркуляции и "перепуска" в водогрейных котельных.

2.2.3.6 Турбинные установки

Назначение, устройство и классификация турбинных установок. Состояние и перспективы развития отечественного и зарубежного турбостроения.

Преобразование энергии в активной и реактивной ступенях турбины. Потери и КПД активной и реактивной ступени. Треугольник скоростей. Ступени скорости и ступени давления. Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине. Потери и КПД многоступенчатой турбины.

Система регенеративного подогрева питательной воды в паротурбинных установках. Особенности процесса расширения пара, конструкций и режимов работы теплофикационных паротурбинных установок. Мощность, удельный расход пара и удельный расход теплоты паротурбинных установок.

Тепловые схемы, особенности конструкции и показатели тепловой экономичности газотурбинных и парогазовых установок. Современные и перспективные турбинные установки атомных электростанций.

Методические указания:

По этой теме необходимо представлять тепловую схему и оборудование паротурбинной установки, способы преобразования энергии в многоступенчатых турбинах и отдельных ступенях активного и реактивного типов; уметь строить и анализировать треугольники скоростей и реальный процесс расширения пара в h, s - диаграмме; оценивать потери энергии и КПД одной ступени и всей турбины; определять мощность и технико-экономические показатели турбинной установки, а также уяснить причины перехода к многоступенчатым, многоцилиндровым и многопоточным конструкциям паровых турбин.

При изучении газотурбинных и парогазовых установок необходимо установить область их применения, состав оборудования, особенности рабочих процессов и показатели тепловой экономичности.

В заключение необходимо усвоить особенности рабочих процессов и конструкции турбинных установок атомных электростанций.

Вопросы для самопроверки

1. Основные типы и назначение паровых турбин.

2. Основное и вспомогательное оборудование паротурбинных установок.

3. Как преобразуется энергия в активной и реактивной ступенях турбины?

4. Что дает треугольник скоростей и последовательность его построения?

5. Что такое внутренний относительный КПД турбины?

6. Как подсчитать мощность, удельный расход теплоты и пара турбины?

7. Почему внутренний, эффективный и электрический КПД теплофикационных турбин ниже, чем у конденсационных при одинаковых начальных параметрах и расходе острого пара на турбину?

8. Особенности рабочих процессов реальных газотурбинных установок.

9. Чем определяется оптимальная степень повышения давления в реальной газотурбинной установке?

10. Приведите примеры реализации методов повышения эффективности реальных газотурбинных установок.

11. Сравнительная эффективность наиболее распространенных типов парогазовых установок.

12. Влияние влажности пара на надежность и экономичность работы турбин АЭС и способы ее снижения.

2.2.3.7 Тепловые электрические станции

Типы тепловых электрических станций и области их применения с точки зрения рационального покрытия графика электрических нагрузок. Роль паротурбинных электростанций на органическом и ядерном топливе в развитии теплоэнергетики.

Конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Тепловые схемы, оборудование, единичная мощность и показатели тепловой экономичности КЭС и ТЭЦ. Сравнительная эффективность энергоснабжения по комбинированной и раздельной схеме.

Тепловые схемы, оборудование, тепловая экономичность и режимы работы атомных электростанций.

Техническое водоснабжение, топливоснабжение, шлакозолоудаление и очистка дымовых газов на тепловых электростанциях.

Методические указания:

Обратите внимание на особенности суточного графика электрической нагрузки энергосистемы и участие в его покрытии электростанций различного типа. Изучая тепловые схемы КЭС и ТЭЦ, запомните назначение всех ихэлементов, а также характеристики основного и вспомогательного оборудования. Особое внимание обратите на сравнительную эффективность схем комбинированного (от ТЭЦ) и раздельного (от КЭС и котельной) энергоснабжения потребителей.

Правильное составление теплового баланса электростанции и умение оценить ее тепловую экономичность по удельному расходу условного топлива и КПД поможет уяснить особенности оценки тепловой эффективности ТЭЦ.

Необходимо правильно понимать задачи, решаемые вспомогательными системами (технического водоснабжения, топливоснабжения и т.д.).

Вопросы для самопроверки

1. Единичные мощности и основные характеристики современных ТЭС и АЭС.

2. Суточный график электрической нагрузки энергосистемы и его характерные зоны.

3. Физический смысл и методы определения показателей тепловой экономичности электростанций.

4. Как выбрать оптимальную величину часового коэффициента теплофикации и влияние этого коэффициента на годовые показатели ТЭЦ?

5. Назначение водогрейных котлов, устанавливаемых на ТЭЦ.

6. Покрытие пиковых нагрузок при отпуске пара от ТЭЦ производственно-технологическим потребителям.

7. Особенности применения промежуточного перегрева пара и регенерации теплоты на КЭС и ТЭЦ.

8. Какие теплоносители используются для отвода теплоты от атомного реактора?

9. Зарубежные и отечественные типы АЭС, их особенности.

10. Типы технического водоснабжения КЭС и ТЭЦ.

11. Что называется кратностью охлаждения конденсатора?

12. Что такое прямоточное и оборотное водоснабжение?

13. Способы очистки дымовых газов и их сравнение.

14. Основное оборудование систем топливоснабжения и шлакозолоудаления.

2.2.3.8 Теплоснабжение

Задачи и классификация систем теплоснабжения. Классификация и расчет тепловых нагрузок. Годовой график отпуска тепла от ТЭЦ и котельных.

Принципиальные схемы открытых и закрытых систем теплоснабжения и схемы присоединения потребителей к тепловым сетям. Особенности регулирования отпуска теплоты в открытых и закрытых системах. Схемы тепловых сетей и задачи их гидравлического, теплового и механического расчетов.

Водоподготовка и водный режим тепловых сетей, котельных и тепловых электростанций.

Решение вопросов охраны окружающей среды и охраны труда при проектировании, сооружении и эксплуатации теплоэнергетических установок и систем теплоснабжения.

Методические указания:

Изучая классификацию систем теплоснабжения, необходимо усвоить преимущества и недостатки систем централизованного теплоснабжения. Важно понимать, что любая система теплоснабжения должна выполнять три функции - подготовку теплоносителя, его транспортировку к потребителю и использование на производственно-технологические и коммунально-бытовые нужды. Поэтому систему теплоснабжения следует рассматривать как органическое целое источника теплоты, тепловых сетей и тепловых потребителей. Так, количество, режим работы и различное назначение тепловых потребителей предопределяют величину и способ регулирования отпуска теплоты от источника.

Кроме того, необходимо уметь строить годовые графики тепловых нагрузок при производственно-технологическом, коммунально-бытовом и суммарном теплопотреблении; знать особенности регулирования отпуска теплоты в паровых и водяных системах с учетом схем присоединения потребителей к тепловым сетям; понимать различие в требованиях, предъявляемых качеству питательной и подпиточной воды; уметь оценить влияние этих требований на выбор схем и оборудования систем водоподготовки в паровых системах с возвратом и без возврата конденсата и в водяных системах (открытых и закрытых). Завершить изучение курса следует ознакомиться с экологическими проблемами, возникающими при эксплуатации теплоэнергетических установок, и путями их решения.

Вопросы для самопроверки

1. По каким признакам классифицируются системы теплоснабжения?

2. В чем преимущества и недостатки теплофикационных систем по сравнению с системами индивидуального теплоснабжения?

3. Расчет нагрузки отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

4. Особенности расчета технологического теплопотребления.

5. Как строятся годовые графики тепловых нагрузок ТЭЦ и котельной?

6. Какой коэффициент имеет большее численное значение - часовой коэффициент теплофикации промышленной ТЭЦ или отопительной?

7. В каких случаях используются открытые и закрытые системы теплоснабжения? Приведите примеры.

8. Приведите примеры принципиальных схем паровых систем теплоснабжения с возвратом и без возврата конденсата.

9. Как регулируются тепловые нагрузки в паровых и водяных системах?

10. Для каких целей и как строится пьезометрический график тепловой сети.

11. Какие требования предъявляются к качеству подпиточной и питательной воды?

12. Особенности водоподготовки для систем пароснабжения с возвратом и без возврата конденсата.

13. Укажите источники загрязнения окружающей среды при эксплуатации теплоэнергетических установок.

14. Какие мероприятия призваны уменьшить загрязнение окружающей среды при работе теплоэнергетических установок?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: