Мощность теплопередачи – Таблица полных коэффициентов теплообмена / коэффициентов теплопередачи для подогрева рабочей среды резервуара с помощью парового, водяного, солевого или масляного змеевика (витого трубопровода с теплоносителем или холодоносителем)

Подготовка к олимпиадам: мощность теплопередачи, 8 класс.

Продолжаем подготовку к олимпиадам. Сегодня рассматриваем тему “мощность теплопередачи”. Задачи интересные, и в школе эту тему не дают, заимствованы на «Фоксфорде» – спасибо составителям за удовольствие от решения.

Мощность теплопередачи – количество теплоты, отданное системой за время \tau.

    \[N=\frac{Q}{\tau}\]

Эта мощность зависит от разности температур (если горячее тело вынести на мороз, остывает быстрее, чем если такое же тело вынести на жару), от площади поверхности тела (чем она больше, тем быстрее остынет), от расстояния, на которое тепло передают:

    \[Q=\frac{2S(t_1-t_2)}{l}\]

Задача 1. Ведро воды удалось нагреть кипятильником мощностью 800 Вт лишь до 95^{\circ} С. За какое время ведро остынет до 94^{\circ} С после выключения кипятильника? Масса воды 10 кг.

Задача на прямое применение данной выше формулы. Ведро остывает на 1 градус, следовательно,

    \[\tau =\frac{Q}{ N }=\frac{cm\Delta t}{N}=\frac{4200\cdot 10\cdot 1}{800}=52,5\]

Ответ: 52,5 с.

Задача 2. Петя заметил, что на морозе вода в стакане остывает от 91^{\circ} С до 89^{\circ} С за 3 мин, а от 31^{\circ} С до 29^{\circ} С за 6 мин. Чему равна температура окружающей среды t_0? Считайте, что мощность теплопередачи пропорциональна разности температур стакана и окружающей среды.

Вода и в первом, и во втором случае отдает одно и то же количество теплоты, так как остывает в обоих случаях на три градуса. Тогда

    \[N_1\frac{Q}{\tau_1}\]

    \[N_2\frac{Q}{\tau_2}\]

    \[\frac{ N_2}{ N_1}=\frac{\tau_1}{\tau_2}=\frac{1}{2}\]

Но, с другой стороны,

    \[N_1=k(t_1-t_0)\]

    \[N_2=k(t_2-t_0)\]

t_1 и t_2  -средняя температура воды в первом и во втором случаях. Коэффициент k

учитывает все остальные параметры: длины, площади и пр.

Поделим уравнения друг на друга

    \[\frac{ N_2}{ N_1}=\frac{ t_2-t_0}{ t_1-t_0}\]

Или

    \[t_1-t_0= 2t_2-2t_0\]

    \[t_0=2t_2-t_1=2\cdot30-90=-30\]

Ответ: t_0=-30^{\circ}

Задача 3. На плите стоит кастрюля с водой. При нагревании температура воды увеличилась от 90^{\circ} C до 92^{\circ} C за одну минуту. Какая доля теплоты, получаемой водой при нагревании, рассеивается в окружающем пространстве, если время остывания той же воды от 92^{\circ} C до 90^{\circ} C равно 9,0 минутам?

Кастрюлю подогревают – но это не значит, что она не остывает! Вот такой парадокс. Тепло кастрюля все равно отдает, всегда, когда она теплее, чем окружающие предметы. Просто, если кастрюля нагревается, то это означает, что тепло, которое она получает от плитки, больше, чем то, которое она рассеивает.

Поэтому при нагреве

    \[\tau_1(N-N_{rass})=c m \Delta t\]

А при пассивном остывании

    \[\tau_2 N_{rass}=c m \Delta t\]

Тогда

    \[\tau_1(N-N_{rass})=\tau_2 N_{rass}\]

    \[N_{rass}(\tau_1+\tau_2)=\tau_1N\]

Искомая величина:

    \[\frac{ N_{rass}}{N}=\frac{\tau_1}{\tau_1+\tau_2}=\frac{1}{10}\]

Задача 4. В палатке, покрытой сверху шерстяными одеялами, пол застелен толстым теплонепроницаемым войлоком. Одинокий спящий индеец начинает мерзнуть в такой палатке при уличной температуре воздуха 10^{\circ} С. Два спящих индейца начинают мерзнуть в такой палатке при уличной температуре воздуха 4^{\circ} С. При какой температуре воздуха индейцы начинают пользоваться палатками? При какой температуре в той же палате будет холодно трем индейцам? Какому количеству индейцев никогда не будет холодно в палатке? Считайте, что тепловая мощность, передаваемая через тент палатки, пропорциональна разности температур внутри и снаружи.

Индеец теплый, теплее окружающей среды. Он отдает тепло наружному холодному воздуху. Если температура воздуха t_0, мощность теплоотдачи индейца N. Потому что если на улице другая температура, то и мощность уже другая, индеец остывает или быстрее, или медленнее. Пусть температура вокруг индейца, при которой индеец начинает замерзать, t_0. Это может быть и температура наружного воздуха, и температура в палатке. Тогда двое индейцев имеют мощность теплоотдачи 2N, трое – 3N и так далее. Пусть коэффициент k учитывает площадь поверхности индейца, рост, материал, из которого индеец состоит… Тогда

    \[N=k

    \[2N=k

    \[3N=k

    \[nN=k

Разделим второе на первое:

    \[2=\frac{ t_0-t_2}{ t_0-t_1}\]

    \[t_0=2t_1-t_2=2\cdot10-4=16\]

Разделим третье на первое:

    \[3=\frac{ t_0-t_3}{ t_0-t_1}\]

    \[t_0=3t_1-2t_0=3\cdot10-2\cdot16=-2\]

Разделим четвертое на первое:

    \[n=\frac{ t_0-t_n}{ t_0-t_1}\]

Тогда, если температура на улице t_n=-273, то

    \[n=\frac{ 16+273}{ 16-10}=48,17\]

Таким образом, 48-49 индейцев не должны замерзнуть даже при абсолютном нуле.

Задача 5. Система охлаждения нагревателя состоит из нескольких одинаковых теплопроводящих стержней, соединенных небольшими шариками. Температура нагревателя T_n=100^{\circ}С, температура холодильника T_x=30^{\circ} С.  Чему равна разность температур шарика K и шарика B  (T_K-T_B) в установившемся режиме? Приток тепла в системе осуществляется только от нагревателя, а отвод только через холодильник. Мощность теплопередачи через стержень пропорциональна разности температур на его концах.

теплопередача

Рисунок 1

Расставим направления потоков тепла. В центре все понятно: все стрелки направлены от горячего к холодному «очагу» – холодильнику. А что по верхним правому и левому углам?

теплопередача

Рисунок 2

Точка A ближе к холодильнику, чем B, поэтому направление потока логично будет выбрать от B к A.

теплопередача

Рисунок 3

Точка B дальше от нагревателя, чем C, поэтому ставим стрелку от C к B.

теплопередача

Рисунок 4

Теперь определим величины этих потоков. Если от B к A направлен поток N, то от C к B – тоже N. Но тогда от A к холодильнику – 2N, так как в силу симметрии в левой части расстановка потоков такая же.

теплопередача

Рисунок 5

Если теперь пройти от точки C к холодильнику по красной стрелке, наберется 4N, следовательно, поток от точки C к холодильнику тоже 4N

. Тогда от нагревателя к точке C будет течь поток 5N, и в левой части аналогично.

теплопередача

Рисунок 6

Следовательно, если пройти от нагревателя к холодильнику через точку C по стрелке, поток будет равен 14N

. Тогда и “напрямки” тоже 14N.

Но температура холодильника и нагревателя отличается на 70^{\circ}, поэтому

    \[14N=70\]

    \[N=5\]

Тогда расставляем температуры узлов: в точке C и симметричной ей слева 30^{\circ}+4\cdot5=50^{\circ}, в точке B50^{\circ}-N=45^{\circ}, в точке K100^{\circ} -5N=75^{\circ}.

Определяем искомое:

    \[T_K-T_B=75^{\circ}-45^{\circ}=30^{\circ}\]

Ответ: T_K-T_B=30^{\circ}.

Теплопроводность — Википедия

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l{\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью[править | править код]

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}
где k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана,
e{\displaystyle e} — заряд электрона,
T{\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов[править | править код]

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле[2]

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как[3]

ϰ=ik3π3/2d2RTμ,{\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i{\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{\displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{\displaystyle i=3}), k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{\displaystyle \mu } — молярная масса, T{\displaystyle T} — абсолютная температура, d{\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах[править | править код]

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P}, где l{\displaystyle l} — размер сосуда, P{\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[4], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[5]

τ∂q∂t=−(q+ϰ∇T).{\displaystyle \tau {\frac {\partial \mathbf {q} }{\partial t}}=-\left(\mathbf {q} +\varkappa \,\nabla T\right).}

Если время релаксации τ{\displaystyle \tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ[править | править код]

\tau
МатериалТеплопроводность, Вт/(м·K)
Графен4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз1001—2600
Графит278,4—2435
Арсенид бора[en]200—2000
Карбид кремния490
Серебро430
Медь401
Оксид бериллия370
Золото320
Алюминий202—236
Нитрид алюминия200
Нитрид бора180
Кремний150
Латунь97—111
Хром107
Железо92
Платина70
Олово67
Оксид цинка54
Сталь нелегированная47—58
Свинец35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) [6]15
Кварц8
Термопасты высокого качества5—12 (на основе соединений углерода)
Гранит2,4
Бетон сплошной1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня1,51
Базальт1,3
Стекло1—1,15
Термопаста КПТ-80,7
Бетон на песке0,7
Вода при нормальных условиях0,6
Кирпич строительный0,2—0,7
Силиконовое масло0,16
Пенобетон0,05—0,3
Газобетон0,1—0,3
Древесина0,15
Нефтяные масла0,12
Свежий снег0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1)0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4)0,029—0,032
Стекловата0,032—0,041
Каменная вата0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)0,022
Аэрогель0,017
Аргон (273—320 K, 100 кПа)0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа)0,015
Вакуум (абсолютный)0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Количество теплоты и тепловая мощность. Расчет в Excel.

Опубликовано 13 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 82 комментария

Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,…

…энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов.  Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Количество теплоты при различных физических процессах.

Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.

Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества

Т от количества теплоты Q, подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.

1. Твердое тело, имеющее температуру T1, нагреваем до температуры Tпл, затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1.

2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1.

3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп, затрачивая на это количество теплоты равное Q3Q2.

4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4Q3.

5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2. При этом затраты количества теплоты составят Q5Q4. (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)

Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5, переводя вещество через три агрегатных состояния.

Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5, пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2

до  температуры Т1. Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.

Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.

Главные формулы теплопередачи.

Формулы очень просты.

Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:

1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:

1.1. При нагревании (охлаждении):

Q=m*c*(Т2-Т1)

Здесь и далее:

mмасса вещества в кг

с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)

1.2. При плавлении (замерзании):

Q=m*λ

λудельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг

1.3. При кипении, испарении (конденсации):

Q=m*r

rудельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг

2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:

2.1. При сгорании топлива:

Q=m*q

qудельная теплота сгорания топлива в Дж/кг

2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):

Q=t*I*U=t*R*I^2=(t/R)*U^2

tвремя в с

Iдействующее значение тока в А

Uдействующее значение напряжения в В

Rсопротивление нагрузки в Ом

Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c, λ, r, q) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).

Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:

N=Q/t

Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.

Расчет в Excel прикладной задачи.

В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…

Условия задачи:

В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)

Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc.

С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице «О блоге». 

Исходные данные:

1. Названия веществ пишем:

в ячейку D3: Сталь

в ячейку E3: Лед

в ячейку F3: Лед/вода

в ячейку G3: Вода

в ячейку G3: Воздух

2. Названия процессов заносим:

в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев

в ячейку F4: таяние

3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем  для стали, льда, воды и воздуха соответственно

в ячейку D5: 460

в ячейку E5: 2110

в ячейку G5: 4190

в ячейку H5: 1005

4. Удельную теплоту плавления  льда λ в Дж/кг вписываем

в ячейку F6: 330000

5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда

в ячейку D7: 3000

в ячейку E7: 20

Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то

в ячейках F7 и G7: =E7=20

Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес

в ячейке H7: =24*15*7*1,23=3100

6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали

в ячейку D8: 60

Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно

в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,7

в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=41,0

в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,4

Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем

в ячейке H8: =D8=60,0

7. Начальную температуру всех веществ T1 в ˚C заносим

в ячейку D9: -37

в ячейку E9: -37

в ячейку F9: 0

в ячейку G9: 0

в ячейку H9: -37

8. Конечную температуру всех веществ T2 в ˚C заносим

в ячейку D10: 18

в ячейку E10: 0

в ячейку F10: 0

в ячейку G10: 18

в ячейку h20: 18

Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.

Результаты расчетов:

9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем

для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000=75900

для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000= 1561

для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000= 6600

для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000= 1508

для нагрева воздуха в ячейке h22: =H7*H5*(h20-H9)/1000= 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13h23: =СУММ(D12:h22) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, h24,  и объединенной ячейке D15E15F15G15h25 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).

10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается

для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60)=21,083

для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60)= 2,686

для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60)= 2,686

для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60)= 2,686

для нагрева воздуха в ячейке h26: =h22/(H8*60)= 47,592

Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается

в объединенной ячейке D17E17F17G17h27: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, h28,  и объединенной ячейке D19E19F19G19h29 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.

На этом расчет в Excel завершен.

Выводы:

Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.

При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).

Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.

Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.

После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ  ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда — в папку «Спам»)!

Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.

Жду вопросы и комментарии на статью!

Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.

Ссылка на скачивание файла: raschet-teplovoy-moshchnosti (xls 19,5KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

«Виды теплопередачи:
теплопроводность, конвекция, излучение»



Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.  Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

теплопередача виды


Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».

 

Закон Ньютона — Рихмана — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Закон Нью́тона — Ри́хмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Теплоотдача — это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом.

Теплопередача — это процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Закон утверждает, что

Плотность теплового потока (выражается в Вт/м²) на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):

q=αΔT.{\displaystyle q=\alpha \Delta T.}

Коэффициент пропорциональности α{\displaystyle \alpha } — коэффициент теплоотдачи (англ.) — плотность теплового потока при перепаде температур на 1 K, измеряется в Вт/(м²·К). В реальности он не всегда постоянен и может даже зависеть от разности температур, делая закон приблизительным. Если рассматривать тепловой поток как вектор, то он направлен перпендикулярно площадке поверхности, через которую протекает.

α{\displaystyle \alpha } — количество теплоты, отдаваемое с 1 м² поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре. Он зависит:

  • от вида теплоносителя и его температуры;
  • от температуры напора, вида конвекции и режима течения;
  • от состояния поверхности и направления обтекания;
  • от геометрии тела.

Поэтому α{\displaystyle \alpha } — функция процесса теплоотдачи; величина расчётная, а не табличная; определяется экспериментально.

Эквивалентная запись:

ddt∂∂SQ=αΔT.{\displaystyle {\frac {d}{dt}}{\frac {\partial }{\partial S}}Q=\alpha \Delta T.}

Из вышеприведённой дифференциальной формулировки можно вывести интегральную:

Количество теплоты, отданное через площадку на границе раздела тел площадью S{\displaystyle S} за время t{\displaystyle t}, пропорционально разности температур этих тел (если считать, что она остаётся за это время постоянной):

Q=αtSΔT.{\displaystyle Q=\alpha tS\Delta T.}

Закон Ньютона служит одним из видов граничных условий (синоним — «условия третьего рода»), которые ставятся в задачах теплопроводности. В этом случае он записывается так (учтён также закон Фурье):

∂T∂n=k(Tout−Tin).{\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial n}}=k(T_{\mathrm {out} }-T_{\mathrm {in} }).}

Заметим, что данный закон описывает ситуацию только на границе тела, внутри же температура определяется температуропроводностью тела. Тепловой поток внутри тела определяется по закону Фурье, что позволяет найти распределение, решив уравнение теплопроводности.

Если внутренняя теплопроводность намного больше, чем коэффициент теплоотдачи (иначе: маленькое число Био), то внутри устанавливается почти однородная температура (если на всей поверхности также она одинакова) и тогда можно записать уравнение охлаждения тела в виде:

∂T∂t=k(Tout−T).{\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}=k(T_{\mathrm {out} }-T).}

Здесь коэффициент k=αSC{\displaystyle k={\frac {\alpha S}{C}}}, где C{\displaystyle C} — теплоёмкость тела.

Из этого уравнения несложно получить, что температура тела в такой ситуации будет приближаться по экспоненте к температуре окружающей среды Tout{\displaystyle T_{\mathrm {out} }}:

T(t)=Tout+e−kt(T0−Tout).{\displaystyle T(t)=T_{\mathrm {out} }+e^{-kt}(T_{0}-T_{\mathrm {out} }).}

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 марта 2013; проверки требует 71 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 марта 2013; проверки требует 71 правка.

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, коэффициент теплосопротивления, теплосопротивление, термическое сопротивление — один из важнейших теплотехнических показателей строительных материалов.

При общих равных условиях, это отношение разности температур на поверхностях ограждающей конструкции к величине мощности теплового потока (теплопередача за один час через один квадратный метр площади поверхности ограждающей конструкции, Q˙A{\displaystyle {\dot {Q}}_{A}}) проходящего сквозь нее, то есть R=ΔT/Q˙A{\displaystyle R=\Delta T/{\dot {Q}}_{A}}. Сопротивление теплопередаче отражает теплозащитные свойства ограждающей конструкции и складывается из термических сопротивлений отдельных однородных слоев конструкции.

В Международной системе единиц (СИ) сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции измеряется разностью температуры в кельвинах (либо в градусах Цельсия) у поверхностей этой конструкции, требуемой для переноса 1 Вт мощности энергии через 1 м2 площади конструкции (м2·K/Вт или м2·°C/Вт).

Термическое сопротивление отдельного слоя ограждающей конструкции или однородного ограждения[1]R=δλ{\displaystyle R={\frac {\delta }{\lambda }}}, где δ — толщина слоя материала (м), λ — коэффициент теплопроводности материала[2] (Вт/[м·°С]). Чем больше полученное значение R, тем выше теплозащитные свойства слоя материала. Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции равно сумме термических сопротивлений слоев из однородных материалов, составляющих эту конструкцию.

Для примера рассчитаем теплопотери помещения верхнего этажа дома через крышу. Примем температуру внутреннего воздуха +20°С , а наружного −10°С. Таким образом, температурный перепад составит 30°С (или 30 К). Если, например, потолок комнаты со стороны крыши изолирован стекловатой с низкой плотностью толщиной 150 мм, то сопротивление теплопередачи крыши составит около R=2,5 кв.м*град/Вт. При таких значениях температурного перепада и сопротивления теплопередаче, теплопотери через один квадратный метр крыши равны: 30 / 2,5 = 12 Вт. При площади потолка комнаты 16 м2 мощность оттока тепла только через потолок составит 12*16=192 Вт.

Согласно «СНиП 1954» R многослойных ограждений = Rв + R1 + R2 + … + Rн, где Rв — сопротивление теплопереходу у внутренней поверхности ограждения, R1 и R2 — термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, Rн — сопротивление теплопереходу у наружной поверхности ограждения[1].

Теплопроводность некоторых материалов[править | править код]

МатериалВ сухом состоянии
(нулевая влажность)
λ, Вт/м·°C
При влажности в условиях эксплуатации «Б»
λ, Вт/м·°C
Влажность
%[3]
Кладка из полнотелого керамического кирпича на цементно-песчаном растворе0,560,812
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе0,70,874
Сосна и ель поперёк волокон0,090,1820
Фанера клееная0,120,1813
Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружечные плотностью 200 кг/м30,060,0812
Опилки древесные0,09 Вт/м·°C
(0,08 ккал/м·час·°C[4])
(средняя влажность в наружных ограждениях)
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка) плотностью 800 кг/м30,150,216
Плиты минераловатные из каменного волокна плотностью 180 кг/м30,0380,0485
Плиты из пенополистирола плотностью до 10 кг/м30,0490,05910
  • Свод правил СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 / Минрегион России. — М., 2012. — 96 с.
  • Глава 3. Строительная теплотехника : § 3. Нормы сопротивления теплопередаче ограждений // Строительные нормы и правила. Часть II. Нормы строительного проектирования / Гос. ком. Совета Министров СССР по делам строительства. — М.: Гос. изд-во лит. по стр-ву и архитектуре, 1954. — С. 150—154. — 404 с.

Тепловой расчет теплообменника

Содержание статьи

Введение

Теплообменный аппарат – это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства. Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности. Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.

Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.

Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации – проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

Q = F‧k‧Δt, где:

  • Q – размер теплового потока, Вт;
  • F – площадь рабочей поверхности, м2;
  • k – коэффициент передачи тепла;
  • Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

F = Q/ k‧Δt

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = G1cp1(t1вх-t1вых) = G2cp2(t2вых-t2вх), где:

  • G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
  • cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1вх;t1вых и t2вх;t2вых) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Дифференциальный вид уравнения теплопередачи

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Пример расчета

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

Исходные данные:

  • Температура греющего носителя при входе t1вх = 14 ºС;
  • Температура греющего носителя при выходе t1вых = 9 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при входе t2вх = 8 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при выходе t2вых = 12 ºС;
  • Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
  • Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
  • Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
  • Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м2.

1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:

Qвх = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 кДж/ч

Qвых = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

Формула теплового напора

3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:

  • особенности конструкции и работы аппарата;
  • потери энергии при работе устройства;
  • коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
  • различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

Гкал/чккал/чкВтМВт

Формула теплового напора

Давление расч., кгс/см2

1016

Формула теплового напораВведите мощность или один из расходов

 

Формула теплового напораТемпература должна быть от 1 до 200, при этом t1 должна быть больше t4, а t2 должна быть больше t3

 

Формула теплового напораt1 должна быть больше t2, а t4 должна быть больше t3

 

Формула теплового напораРазность температур t1 и t4 не должна быть равна разности температур t2 и t3

 

Формула теплового напораДопустимые потери должны быть в пределах: мвс: от 0 до 10, бар: от 0 до 1, кПа: от 0 до 100

 

Формула теплового напораМаксимальная температура должна быть от 1 до 200

 

Формула теплового напораМаксимальная температура должна быть больше или равна t1

 

Формула теплового напораМощность должна быть больше 0

 

Формула теплового напораРасход должен быть больше 0

 

ВАЖНО: Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Выводы

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.