Способы передачи энергии тепла

Способы передачи теплоты

Промышленные водогрейные котлы для производства тепла и пара

Отопительные водогрейные котлы устанавливаются в котельных административных, производственных зданий и отопительных котельных ЖКХ. Водогрейные котлы применяются для отопления, горячего водоснабжения и вентиляции промышленных заданий, цехов, гаражей, теплиц, производственных баз, строительных городков, больниц, детских садов, школ, клубов, санаториев, заводов, животноводческих ферм, магазинов, сельхоз предприятий и прочего.

Способы передачи теплоты

Способы передачи теплоты — теплота всегда передается от тел более нагретых к менее нагретым. Способы передачи теплоты от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называются теплоотдачей. Способы передачи теплоты из одной среды в другую, разделенных перегородкой (стенкой), называются теплопередачей. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение (радиацию).

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты в теле (одном) посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся в соприкосновении друг с другом. В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах очень тонких, неподвижных слоях жидкости и газа.

Способы передачи теплоты распространяются через стенки котла. Теплопроводность различных веществ различна. Хорошими проводниками теплоты являются металлы. Весьма незначительна теплопроводность воздуха. Слабо проводят теплоту пористые тела, асбест, войлок и сажа.

Конвекцией называется перенос, теплоты за счет перемещения молярных объемов среды. Обычно конвективный способ переноса теплоты происходит совместно с теплопроводностью и осуществляется в результате свободного или вынужденного движения молярных объемов жидкости или газов (естественная или вынужденная конвекция). Естественной конвекцией распространяется теплота от печей, отопительных приборов, при нагревании воды в паровых котлах, охлаждении обмуровки котлов и других тепловых устройств. Свободное движение жидкости или газов обусловлено различной плотностью нагретых и холодных частиц среды. Например, воздух около поверхности печи нагревается становится легче, поднимается вверх, а на его место поступает более тяжелый, холодный. В результате этого в комнате возникает циркуляция воздуха, которая переносит теплоту.

Способы передачи теплоты включают в себя конвекцию. Вынужденная конвекция имеет место при передаче теплоты от внутренней стенки котла к воде, движущейся под действием насоса.

Излучением (радиацией) называется передача теплоты от одного тела к другому путем электромагнитных волн через прозрачную для теплового излучения среду. Этот процесс передачи теплоты сопровождается превращением энергии тепловой в лучистую и, наоборот, лучистой в тепловую. Радиацией передается теплота от факела горящего топлива к поверхности чугунных секций или стальных труб котла. Радиация — это наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если излучающее тело имеет высокую температуру, а лучи от него направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Понятие о теплопередаче. Рассмотренные выше три вида теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев один вид сопровождается другим. Примером этого может служить передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла (рис. 7). Слева поверхность ее соприкасается с горячими газообразными продуктами сгорания и имеет температуру t₁ справа омывается водой и имеет температуру t₂ Температура в стенке снижается в направлении оси х.

Рис. 7.Передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла.

В данном случае теплота от газа к стенке передается одновременно путем конвекции, теплопроводности и излучением (лучистый теплообмен). Одновременная передача теплоты конвекцией, теплопроводностью и излучением называется сложным теплообменом.

Результат одновременного действия отдельных элементарных явлений приписывают одному из них, которое и считают главным. Так, радиация (излучение), называемая еще прямой отдачей, в передаче теплоты в топочной камере от топочных газов к внешней поверхности нагрева котла играет главенствующую роль, хотя наряду с ней в передаче теплоты участвуют и конвекция, и теплопроводность.

Способы передачи теплоты от внешней поверхности нагрева к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи осуществляются только путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности нагрева котла к воде теплота передается только конвекцией. В газоходах котла процесс теплообмена между стенкой секции и омывающими ее газами также является результатом совокупного действия конвекции, теплопроводности и радиации. Однако в качестве основного явления принимается конвекция.

Количественной характеристикой передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку является коэффициент теплопередачи К. Для плоской стенки коэффициент К количество теплоты, переданной в единицу времени: от одной жидкости к другой на площади 1 м 2 при разности температура между ними в один град. — определяется по формуле:

где α₁ — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке поверхности нагрева, Вт/(м 2 ×град); δ 3 — толщина золовых или сажевых отложений (так называемые наружные загрязнения), м; δ_ст — толщина стенки секций или труб, м; δ_н — толщина накипи (так называемое внутреннее загрязнение), м; λ₃, λ_ст, λ_в – соответствующие коэффициенты теплопроводности золы или сажи, стенки и накипи, Вт/(м×град); α₂ -. коэффициент теплоотдачи от стенки к воде/ Вт/(м 2 ×град).

В соответствии с приведенным примером сложного теплообмена (см. рис. 7) общий коэффициент теплоотдачи, а от газов к стенке котла соответственно равен:

где α_к и α_л — коэффициенты, теплоотдачи конвекцией и излучением.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи. Для данного случая:

Различные вещества имеют разные коэффициенты теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности К — количество теплоты, передаваемое через единицу площади поверхности нагрева в единицу времени при разности температур в 1 град и толщине стенки в 1 м. При использовании внесистемных единиц (ккал в ч) размерность коэффициента теплопроводности ккал×м/(м 2 ×ч×град), в системе СИ — Вт/ (м × град).

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно — котельной технике, приведены ниже, Вт/(м×град).

Количество теплоты Q, передаваемое через стенку, определяется по формуле:

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/ (мг×град); ∆t — средняя разность температур греющей и нагреваемой сред или среднелогарифмический температурный напор, град; Н — площадь поверхности нагрева, м 2 .

Среднелогарифмический температурный напор ∆t определяется по формуле:

где ∆t_g и ∆t_м — наибольшая и наименьшая разности температур греющей и нагреваемой среды.

Рис. 8. Характер изменения температур рабочих жидкостей при

а — прямотоке; б — противотоке.

Характер изменения температур рабочих жидкостей показан на рис. 8. Если в теплообменном аппарате греющая и нагреваемая жидкости протекают в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (см. рис. 8, а), а в противоположных — противотоком (см. рис. 8, б).

Для единицы площади теплопередающей поверхности удельный поток, обозначаемый q, будет равен:

Из приведенных формул видно, что количество передаваемой теплоты тем больше, чем больше площадь поверхности нагрева Н и чем больше средняя разность температур или температурный напор и коэффициент теплопередачи К. Наличие на стенке котла накипи, золы или сажи значительно снижает коэффициент теплопередачи (см. ниже пример).

Определяющим фактором в передаче теплоты радиацией являются температура излучающего тела и степень его черноты. Поэтому, чтобы интенсифицировать передачу теплоты радиацией, необходимо увеличить температуру излучающего тела, повысив шероховатость поверхности.

Теплоотдача конвекцией зависит: от скорости движения газов, разности температур греющей и нагреваемой среды, характера обтекания газами поверхности нагрева — продольное или поперечное, вида поверхности — гладкая или оребренная. Основными способами интенсификации передачи теплоты конвекцией являются: повышение скорости газов, их завихрение в газоходах, увеличение площади поверхности нагрева за счет ее оребрения, повышение разности температур между греющей и нагреваемой средами, осуществление встречного (противоточного) омывания.

Пример. Рассмотрим влияние накипи и сажи на теплопередачу в котле, используя данные настоящего раздела. Принимаем толщину стенки секции чугунного котла δ₁ = 8 мм, а отложившиеся на ней слой накипи толщиной δ₂ = 2 мм и слой сажи δ₃ = 1 Гмм. Коэффициенты теплопроводности стенки λ₁, накипи λ₂ и сажи λ₃ соответственно принимаем равными 54; 0,1 и 0,05 ккал/(м×ч×град) (√62,7; 0,116 и 0,058 Вт/ (м 2 × К). Значения коэффициентов теплоотдачи: от, газов к стенке α₁ = 20 ккал/(м 2 ×град); от стенки к воде α₂ = 1000 ккал/(м 2 ×ч×град). Температуру газов принимаем равной t газ = 800°С, воды t = 95 С.

Расчеты производим для чистой и загрязненной стенок чугунного котла.

А. Стенка котла чистая.

Найдем коэффициент теплопередачи:

К = (l/α₁ + δ/λ + l/α₂ ) -1 = (1/20 + 0,008/54 + 1/1000) -1 = 1/0,0512 = 19,5 ккал/(м 2 × ч ×град) = 22,6 Вт/ (м 2 × град) и тепловой поток через стенку.

q = K∆t = 19,5 (800-95) = 13700 ккал/(м 2 ×ч) = 15850 Вт/ (м 2 ).

Определим температуру наружной поверхности стенки чугунной секции, воспользовавшись формулой

Из расчета видно, что при чистой стенке котла температура ее мало отличается от температуры воды внутри котла.

Б. Стенка котла загрязненная.

Повторив весь расчет, найдем:

q = 11 (800 — 95) = 7750 ккал/ (м 2 ×ч) = 8960 Вт/ (м 2 ), t_ст = 800 — 7750/20 = 412C.

Из расчета видно, что отложение сажи нежелательно тем, что она, обладая малой теплопроводностью, затрудняет передачу теплоты от топочных газов к стенкам котла. Это приводит к перерасходу топлива, снижению выработки котлами пара или горячей воды.

Накипь, имея малую теплопроводность — значительно уменьшает передачу теплоты oт стенки котла к воде, в результате чего стенки, сильно перегреваются и в некоторых случаях; разрываются, вызывая аварии котлов.

Сравнивая результаты расчета, видим, что теплопередача через загрязненную стенку уменьшилась почти в два раза, температура стенки чугунной секции при накипи возросла до опасных, по условиям прочности металла, пределов, что может привести к разрыву секции. Этот пример наглядно показывает необходимость регулярной очистки котла как от накипи, так и от сажи или золы.

Источник

Технология. 6 класс

Конспект урока

Технология, 6 класс

Урок 26. Преобразование и аккумулирование тепловой энергии

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке

1. Преобразование тепловой энергии в механическую, электрическую, энергию химических связей.
2. Способы передачи тепловой энергии.
3. Способы аккумулирования тепловой энергии.

Излучение – процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

Конвекция – это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Теплопроводность – это способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела.

Сосуд Дьюара – это сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Постоянная температура поддерживается за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).

Термос – вид бытовой теплоизоляционной посуды, разновидность сосуда Дьюара, используемый для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды.

Основная и дополнительная литература по теме урока

1. Технология. 6 класс: учеб. пособие для общеобразовательных организаций / В. М. Казакевич, Г. В. Пичугина, Г. Ю. Семенова и др.; под ред. В. М. Казакевича. – М.: Просвещение, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Тепловую энергию можно не только получать, но и аккумулировать и преобразовывать в другие виды энергии: электрическую, механическую и энергию химических связей. Сама тепловая энергия также может преобразовываться. Такие процессы применяются в работе холодильников и систем охлаждения. Благодаря преобразованию тепловой энергии в энергию движения – кинетическую энергию – движутся автомобили. Техническое устройство, осуществляющее это преобразование энергии, называется двигателем внутреннего сгорания. Реактивный двигатель, благодаря которому стал возможен полет ракет, также преобразует тепловую энергию в кинетическую, при работе паровой турбины на ТЭС тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины, а затем и в электрическую энергию.

Существует несколько способов передачи тепловой энергии. При контакте двух тел разной температуры тепловая энергия передается за счёт теплопроводности. В воздухе или воде тепловая энергия может передаваться путем конвекции. А тепловая энергия Солнца доходит до нас с помощью излучения.

Для накопления тепловой энергии применяют специальные устройства. Они должны быть изолированы от внешней среды. Это возможно, если поместить тело в пустоту или вакуум. Для того, чтобы уменьшить потерю тепловой энергии был изобретён сосуд Дьюара (современный его аналог – термос). Для уменьшения потерь тепловой энергии также применяют утеплители.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Задание 1. Выделите цветом правильные варианты ответов. Тепловую энергию можно преобразовать в другие виды энергии:

Варианты ответа:

энергию химических связей

Правильный вариант ответа:

энергию химических связей

Задание 2. Заполните пропуски в тексте, выбрав правильные варианты ответа из выпадающего меню.

Передача тепла от холодного тела к горячему в природе________. Однако при определённых условия можно не только производить тепло, но забирать его, ______ предметы и тела.

охлаждая /нагревая /продувая

Правильный вариант ответа:

Передача тепла от холодного тела к горячему в природе невозможна. Однако при определённых условия можно не только производить тепло, но забирать его, охлаждая предметы и тела.

Источник