Реферат: Технічна термодинаміка та теплові процеси технології будівельних матеріалів

Nu= , (2.11)

де c,m,n - константи, які залежать від направленості теплових потоків. В більшості випадків потоки рідини в каналах можна віднести до сталих турбулентних+ і критерій Нуссельта розраховується за формулою:

Nu = 0.023Re0,8  Pr0.43 (2.12)

Рух теплоносія при обтіканні тіл

Поздовжнє обтікання пластини:

Nu=0.67Re0.5Pr0.33; (2.13)

Поперечне обтікання циліндра:

Nu = CRenPr0,38, (2,14,)

де С,n - константи, які залежать від величини критерію Рейнольда [3] (при Re =8…103: С=0,59, n=0.47; Re= 103…2105: С=0,21; n=0.62).

Емпіричні формули для наближеного розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при конвективному теплообміні:

а) Турбулентний рух - рух газів з температурою 0,,, 10000С в трубі (каналі):

 (Вт/ (м2К)), (2.15)

де  - швидкість потоку, приведена до нормальних умов;

d - діаметр труби або приведений діаметр каналу. м;

б) Рух газів перпендикулярно до плоскої стінки:

, (Вт/м2К)), (2.16)

де p - густина газів (кг/м3).

в) Обтікання газом грудок матеріалу (форма - кулі):

Re <150 …. нерухомі шари:

, (Вт/м2К)), (2.17)

де λc - коефіцієнт теплопровідності газів (Вт (мК),

d - діаметр частинок (грудок), (м);

при Re = 150….30103 - нерухомі, також рухомі в потоці газів кульки:

, (Вт/ (м2К)) (2.18)

г) Продування газів крізь зернистий шар:

, (Вт/ (м2К)), (2.19)

де t-температура твердої поверхні,°С;

d - діаметр кулі, рівновеликій за об’ємом середній частинці (м),

v - швидкість потоку відносно повного перерізу зернистого шару ;

д) Вільний рух повітря уздовж вертикальної стінки:

,

(Вт/ (м2К)) (2.20) де  - різниця температур між повітрям та стінкою, град; В - барометричний тиск (Па); Т - абс. температура повітря, К.

2.4 Випромінювання газової фази

Випромінювання газової фази залежить, в основному, від випромінювання (поглинання) тепла газами СО2 і Н2О, а випромінюванням О2, N2,H2 в розрахунках можна знехтувати.

Тепловий потік між паралельними стінками, відстань між якими невелика, порівняно із розміром стінок, розраховується за формулою:

q=5.7Eпр, Вт, (2.21)

де Епр - приведена ступінь чорноти системи;

Т1 і Т2 - абсолютні температури поверхонь стінок, К;

5,7 Вт (м2К) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

Епр=, (2.22)

Де Е1, Е2 - ступінь чорноти 1 і 2 тіла.

Тепловий потік між паралельними смужками шириною 1 і 2, та h - відстанню між ними розраховується за формулою (ВТ/пог. м):

q=5.7·Епр·, (2.23)

Теплообмін між твердими тілами і газовою фазою:

тепловий потікq=5.7Eг, Вт, (2.24)

Де Тг, Тс - абс. температури газів і поверхні стінки, К; Ег - ступінь чорноти газу . Ступінь чорноти Есо, Ено, коефіцієнт β визначаються із графіків рис.2.3 в залежності від парціального тиску газів, температури і ефективної товщини шару  (, де V-об’єм газів, обмежений поверхнею стінок F).

ПРИКЛАД 2-1. Визначити тепловий потік крізь стінку, якщо температура стінок, сприймаючих і віддаючих теплоту, дорівнює відповідно, t1=300C, t2=1000C. Товщина стінки δ=200 мм, площа поверхні 180м2. Теплопровідність цегли λ=0,55 Вт/ (мК).

Згідно рівнянню Фур’є тепловий потік дорівнює:

Q=λF КВт.

ПРИКЛАД 2.2 Крізь стінку площею 6х4 м2 передається протягом часу=1год кількість теплоти Q=80 МДж. Визначити щільність теплового потоку.

q= Вт/м2.

ПРИКЛАД 2.3 Стінка печі складається із трьох шарів: 1-й внутрішній - шамотна цегла δ1=120мм, 2-й шар - ізоляційна цегла δ 2 =65мм, 3-й шар - сталева стінка δ 3 =20мм.

Теплопровідність матеріалів окремих шарів складає:

λ1=0,81; λ2 =0,23 і λ3 =45 Вт/ (мК). Температура в печі t1 = 10000C, а зовнішньої поверхні печі t4= 800C. Визначити тепловий потік крізь 3-х шарову стінку.

Тепловий потік (або щільність його відносно 1м2 площі теплообміну) складає:

q = Вт/м2.

10мм. Температура димових газів t2=8000C, киплячої води - tв=2000С; коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки λ1=186 Вт, від стінки до води λ2=4070 Вт/м2К).

Визначаємо коефіцієнт теплопередачі для багатошарової стінки:

К= Вт/м2К

Тоді q = К (tг-tв) =100.75 (800-200) =60.5 КВт/м2.

ПРИКЛАД 2-7. По трубі із внутрішнім діаметром dв=25мм рухається вода з швидкістю за масою W=400кг/ (м2c) і середньою температурою 400С. Константи води наступні: динамічна в’язкість μ =0.656х10-3 Η. с/м2 = 656.106 П. с; теплопровідність λ=0.632 Вт/ (мК); питома теплоємність с=4190Дж/КгК. Визначити коефіцієнт тепловіддачі води. Розраховуємо визначальні критерії:

,

Виходячи з того, що Re =1524 > 10 000, потік є сталим турбулентним, тому критерій Нуcсельта розраховуємо за рівнянням:

Коефіцієнт тепловіддачі дорівнює:

 Вт/ (м2К).

ПРИКЛАД 2-8. Визначити щільність тепловоо потоку, переданого випромінюванням від газів до 1м2 металевої стінки, якщо: ефективна ступінь чорноти стінки Е1ст=0,82; температура газів t2=7000C, ступінь їх чорноти Ег =0,125. Константа випромінювання абсолютно чорного тіла Сs - 5.68 Вт/ (м2К).

Тепловий потік (до 1м2 площі) складає:

q=

ПРИКЛАД 2-9. В теплообмінному апараті температури гріючого агента становлять: t1поч = 3000С, t1кін = 2000С, а теплоносія, який гріється - відповідно t11поч = 250С, t11кін = 1750 C. Визначити середню різницю температур між гріючим і сприймаючим теплоносіями.

1 випадок - прямоструминні потоки. Найбільша та найменша різниця температур становлять:

2 випадок - проти струминні потоки. Найбільша та найменша різниці температур становлять:

Відношення  можна скористатися формулою середньоарифметичної різниці температур:

ПРИКЛАД 2-10. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від димових газів до вільно висячих ланцюгів обертової печі, якщо середня швидкість газів становить w=9.46 м/с, кінематична в’язкість газів v = 95.10-6 м2/с. Овальні ланцюги мають діаметр d =25мм, теплопровідність газів λ = 0,069 Вт/ (мК).

Визначаємо критерії подібності:

ПРИКЛАД 2-11. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні стінки сушарки у навколишнє середовище, якщо відомо: середня температура гріючих газів 800С (як середньоарифметична температура газів на вході і виході із сушарки); температура повітря t0 =200С; визначальний розмір (висота сушарки) - 2,04м;

Із табл. D11 визначаємо:

Критерій Грасгофа:

Здобуток . Pr=1.15.1010.0.703=0.81.1010.

Виходячи з того, що . Pr > 109, застосовуємо залежність

Конвективна складова тепловіддачі:

Променева складова:

 Вт/м2К

Сумарний коефіцієнт тепловіддачі:

 Вт/ (м2К).

Фізичні властивості димових газів і повітря.

Сухий газ.

Основними характеристиками сухого газу є тиск p, температура t; питомий об’єм v або густина ρг. Параметри v і ρг залежать від t і p. В сушарках практично p=const.

В розрахунках процесу сушіння використовується теплоємність Ср. Для суміші газів розраховують теплоємність, враховуючи вміст окремих компонентів:

Ссум=

Де Gі, Сі-вміст (%) і теплоємність складових газів - СО2, N2,O2,H2O, SO2. Тепловміст газів (ентальпія) дорівнює І=С. t Дж/кг (м3).

Коефіцієнт розширення будь-якого газу =1/273, тому:

Vo - об’єм, який газ займає при нормальних умовах (t=O0C, p= 760 мм. рт. ст) іноді називають нормальним об’ємом (нм3).

Вологе повітря.

Загальний тиск (або барометричний) Pδ =Pпар+Р пов,

Де Рпар, Рпов - парціальний тиск водяної пари та повітря.

Вологе повітря характеризується параметрами: температура t, тиск Р, об’єм V, густина , вологість пар,, вологовміст d, парціальний вміст пари Рпар, тепловміст І. Із перелічених параметрів будь-які два є незалежними, решта пов’язані з ними певними співвідношеннями.

Абсолютна вологість пар - це маса водяної пари (г) в 1м3 суміші повітря і пари.

Відносна вологість повітря φ - це відношення абсолютної вологості до максимальної маси водяної пари max, яка може міститись в 1м3 повітря за даних умов (Рδ, t):

φ=.

Також φ=

Тут нас, Рнас - маса і тиск насиченої пари.

Вологовміст - це кількість водяної пари, яка міститься в 1кг сухого повітря:

Х -кг/кг, d - г/кг, d =1000х=622 (2.26)

Парціальний тиск водяної пари можна підрахувати:

Рпар=Р (2.27)

Густина вологого повітря складає:

 (2.28)

Теплоємність вологого повітря відносно 1 кг сухого повітря становить:

Ссум= Спов+х. Спар Дж/ (кгК),

Де Спов, Спар - теплоємкість повітря і водяної пари.

Точка роси - tp - це температура, до якої необхідно охолодити вологе повітря, щоб воно стало насиченим (φ=100%).

Різниця температур повітря tпов і мокрого термометра tм має назву потенціала сушіння. Поряд із c, φ, d різниця (tпов - tм) є термодинамічним параметром.

Тепловміст (ентальпія) вологого повітря:

І=1,0056t+0.001 (2495+1.963t) d, кДж/кг (2.29)

Величини І,d при різних значеннях t,φ і барометричному тиску~745 мм. рт. ст. табульовані (табл. Д 10). Для облегшення аналітичних розрахунків процесу сушіння застосовують І-d - діаграму (рис.2.4), на якій зображена залежність між параметрами І,d,φ,t відносно 1 кг сухого повітря. Задачі з використанням І-d - діаграми.

ПРИКЛАД 2-12. Визначити питомі витрати повітря і теплоти q на 1 кг випареної вологи для дійсного процесу сушіння з однократним використанням нагрітого повітря за схемою: (А) (1) (В) (2). Повітрявентилятор (нагрівання повітря)  калорифер (3) (C) (4)  робоча камера сушарки  вентилятор (відсмоктування вологого повітря). Параметри повітря: А -do=10 г/кг; to=20oC; В - t1=100oC; С -φ2=80%.

Втрати теплоти дійсного процесу сушіння qвтр=2100 кДж/кг. Додаткова підведена теплота в робочу камеру сушарки qдоб=420 кДж/кг. Температура матеріалу перед сушаркою - tм=400С. На І-d - діаграмі (рис.2.5) для даних параметрів атмосферного повітря знаходимо точку А. за прийнятою схемою атмосферне повітря підігрівається до температури t1 в калорифері (т. В). В процесі підігріву вологовміст повітря не змінюється (d0 - d1), тому процесу відповідає лінія d0 = const до перетину з ізотермою t1. Отримана точка В відповідає стану підігрітого повітря, яке надійшло в робочу камеру сушарки. Із т. В проведено промінь І= const (теоретичний процес сушіння) і на ньому наносимо довільну точку е. Через цю точку проведено вертикальний промінь, на якому шукаємо положення точки Е, для чого обчислимо довжину відрізку еЕ за формулою:

еЕ= (2.30)

де  - сумарні втрати і додаткова теплота дійсного процесу сушіння:

В нашому прикладі = 420-2100=-1680 кДж на 1кг вологи. Знак мінус означає, що політропа дійсного процесу сушіння розташована нижче адіабати теоретичного процесу; ef - перпендикуляр із точки е на лінію АВ (в міліметрах). Згідно побудові, ef =64мм, m-приведений масштаб діаграми.

 (2.31)

Де Мі, Мd - відповідно масштаби ентальпії та вологовмісту.

Для даного прикладу побудова виконана на І-d - діаграмі з масштабом, віднесеним до 1кг сухого повітря:

Md=0.32г/мм і Mі =0,636 кДж/мм.

m =

Тоді

еЕ= -

Оскільки еЕ - від’ємна величина, відкладено її від т. е вниз. Із т. В через т. Е проводимо промінь, який характеризує напрямок дійсного процесу сушіння, а його перетин з кривою φ2=80% відмітимо точкою С. Із т. С опустимо перпендикуляр на АВ і позначимо точку D.

Питомі витрати сухого повітря  для дійсного процесу сушіння визначаються за формулою:

 (2.32)

Вимір дає значення для СD - 52 мм.

 кг сухого повітря на 1 кг вологи.

Питома витрата атмосферного повітря (вологовміст d0) cкладає:

= (1+0.001d0)

В нашому випадку Мі=2,1 кДж; Мd=1г в 1мм;

За вимірами на І-d-діаграмі еf=292мм. Тоді

еЕ=мм.

Із т. В через т. Е проводимо промінь, який є політропою практичного процесу сушіння. На ньому відмічаємо точку С його перетину з ізотермою для температури t2=800C відпрацьованого теплоносія. Точка С характеризує параметри відпрацьованого теплоносія. Із т. С опускаємо перпендикуляр на продовження Вf до точки D. Відрізок СD=462мм.

Питомі витрати сухого теплоносія на 1 кг випареної вологи складають:

 кг,

або для вологого повітря:

 кг/кг вологи.

Питомі витрати відпрацьованого теплоносія складають:

 кг/кг (тут 544 г/кг сухих газів - вологовміст відхідних газів).

Для визначення питомих витрат теплоти на І-d - діаграму наносимо точку А (t0=-100C, φ0 = 60%).

Для нашого випадку = 60 (1+0.001.10) =60,01 кг/кг вологи. Питомі витрати теплоти складають:

q= (2.33)

За побудовою АВ=127мм, тоді

 кДж/кг вологи.

ПРИКЛАД 2-12. Побудувати процес сушіння шлікеру у розпилюючій сушарці за наступними вихідними даними: температура теплоносія t1=12000C, вологовміст d1=84 г на 1 кг сухих газів (рис.2.6). Температура відпрацьованого теплоносія - t2=800C; температура зовнішнього повітря t0=-100C, φ0= 60%, do=5 г/кг сухого повітря. Теплові втрати складають 260 кДж /кг вологи.

На І-d - діаграмі наносимо точку В, яка відповідає t1=1200oC і d1=84 г/кг сухих газів. Із точки В проводимо вниз адіабатний промінь та промінь, паралельний лініям сталого волого вмісту.

На адіабатному промені намітим довільно точку е, з неї опустимо перпендикуляр на промінь, паралельний лініям d=const до точки f. Із т. е проводимо промінь, паралельний d=const і на ньому знайдемо положення т. Е за підрахунком:

 мм,

де  - теплові втрати практичного процесу сушіння (=260 кДж/ кг вол)

m - масштаб діаграми ( де Мі, Мd - масштаб ектальпії і вологовмісту).

Із т. А проводимо вертикальний промінь до перетину з ізотермою t1 =1200oC (точка В1). Довжина відрізку АВ1 складає 607 мм. Питомі витрати теплоти визначимо за формулою

 кДж.

При розрахунку сушарок часто виникає питання визначити необхідний час сушіння матеріалу. Для цього необхідно визначитись із параметрами процесу: швидкість сушіння, критична та вихідна вологість та ін.

ПРИКЛАД 2-13. Визначити тривалість сушіння деревної шпони в роликовій сушарці, якщо відомо:

Початкова вологість шпони Wпоч - 80%,

Перша критична вологість шпони Wкр - 30%,

Кінцева вологість шпони Wкін -6%,

Середня температура гріючого повітря tcер - 190оС,

Швидкість повітря V = 2.5 м/с,

Товщина шпони S -1.5 мм.

Тривалість сушіння визначається за формулою:

 (хв),

де Кn-коефіцієнт, що враховує породу деревини (Кn=0.9…1),

Kу - коефіцієнт, що враховує напрям циркуляції повітря в сушарці (Ку= =1…1.5).

N - коефіцієнт швидкості сушіння в першому періоді при поперечній циркуляції повітря:

;

К - коефіцієнт швидкості сушіння в другому періоді:

.

Після підстановки значень параметрів отримаємо:

;

Тоді  хв.

2.5 Фізичні властивості водяної пари

Насичена пара перебуває у рівновазі із рідиною, з якої вона утворюється. Температура насиченої пари є однозначною функцією її тиску і навпаки. Насичена пара може бути сухою і вологою.

Суха насичена пара не містить рідини, а волога являє собою суміш пари і дрібних крапель рідини, рівномірно зважених в об’ємі пари. Об’єм і температура сухої насиченої пари є функцією тільки тиску. Тому стан сухої насиченої пари визначається тільки одним параметром - тиском або температурою. Параметри сухої насиченої пари (t, оС; р, бар (МПа); V - питомий об’єм, м3/кг; і - тепловміст, кДж/кг; r - прихована теплота випаровування, кДж/кг) табульовані (табл. Д.8, Д.9).

Стан вологої насиченої пари визначається двома параметрами: тиском або температурою і ступенем сухості. Ступінь сухості Х - це масова частка сухої пари в суміші. Масова частка рідини позначається через у. Звичайно, що у = 1-х.

Для сухої пари х = 1, а у = 0. У стані кипіння х = 0. При тиску до 2МПа густина сухої насиченої пари становить приблизно . Також для вологої насиченої пари  (Vх - питомий об’єм)

 (2.35)

де V'' - питомий об’єм сухої насиченої пари.

Тепловміст насиченої пари складається із тепла нагріву рідини до температури випаровування та прихованого тепла пароутворення. Значення цих теплот за даним тиском пари є сталим. Тепловміст пари підвищується при зростанні температури, а прихована теплота випаровування зменшується. При досягненні критичного стану (t = 3740С, Р = 22 МПа, V = 0,00326 м3/кг) прихована теплота пароутворення дорівнює нулю і вода миттєво перетворюється на пару без додаткових втрат тепла.

Тепловміст насиченої пари при температурі tн може бути підрахованим за формулою:

Ін = r + Cptн, кДж/кг (2.36)

де r - теплота пароутворення, Ср - теплоємність.

Перегріта пара має температуру більш високу, ніж температура насиченої пари при тому ж самому тиску. У перегрітої пари відсутні певна залежність між температурою і тиском. Її стан характеризується двома параметрами (t, p). Різниця температур перегрітої та насиченої пари (при однаковому тиску) має назву перегріву tn - tн. Тепловміст перегрітої пари являє суму теплот насиченої пари та теплоти перегріву. Оскільки теплоємність перегрітої пари близька до теплоємності насиченої пари (1,97 Дж/кгК), то

Ін = r + Cptn, кДж/кг (2.37)

Ентропія водяної пари відраховується від умовного нуля (де ентропія води при0,010С, р = 0,0006108 МПа). Ентропія рідини , кДж/кг*К, де ТН - температура насичення.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10