Изобарные процессы. Теплопроводность

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Изобарные процессы

теплопроводность изобарный процесс топливо

Изобарные процессы совершаются в проточных теплообменниках. Следовательно, практический интерес представляет расчет теплопритока изобарного процесса.

В открытых стандартных системах, каковыми являются проточные теплообменники, техническая работа потоком рабочего тела не совершается. Действительно, из равенства (1-9) следует, что при dp=0 имеем lТЕХН=0. Соответственно из энергетического баланса (1-7а) следует формула теплового баланса, используемая для вычисления удельного теплопритока к теплообменникам:

q = h2 - h1, Q = Gq, (1-11)

где G - поток теплоносителя (кг). Значения удельных энтальпий определяют по известным параметрам теплоносителя на входе и выходе из аппарата.

Можно воспользоваться также таблицами изобарной теплоемкости сР см. п. 7.5):

q = сР (t2) t2 - cР(t1) t1.

2. Теплопроводность

Тепловой поток, передаваемый в единицу времени через произвольную поверхность, обозначается Q, измеряется Вт=Дж/с.

Интенсивность теплопереноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока

2.1

Температура есть мера нагретости тела. Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Рассмотрим две изотермы с температурами t и t + Дt (рис.2.1) Интенсивность изменения температуры по различным направлениям неодинакова. Температура быстрее всего изменяется в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности. Вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению называется градиентом температуры - grad t.

За положительное направление градиента принимается направление возрастания температур.

2.2.

Рис 2.1 Интенсивность изменения температуры

Для измерения температуры наиболее широко используют шкалу Цельсия, в которой за нулевую температуру принята точка замерзания воды при барометрическом давлении 760 мм рт ст. В ряде случаев используют шкалу Кельвина, при которой температура ноль градусов соответствует абсолютному нулю.

Т = t0C + 273,15

Совокупность значений температуры во всех точках тела в данный момент времени называется температурным полем. Если температура изменяется во времени, то температурное поле нестационарно t = ѓ (ф). Если температура во всех точках тела не изменяется с течением времени, то поле стационарное. Температура является функцией координат и соответственно поле бывает трехмерным, двухмерным и одномерным.

нестационарное поле стационарное поле

В случае равномерного распределения температуры в теле начальные условия имеют вид

при ф = 0 t = t0 =const

Граничные условия могут быть заданы несколькими способами.

Граничные условия первого рода. Задается распределение температуры на поверхности тела для любого момента времени.

t0 = ѓ ( x, y, z, ф )

В частном случае, когда температура на поверхности тела постоянна

t0 = const

Граничные условия второго рода. Задается распределение теплового потока по поверхности тела для любого момента времени

q0 =(x, y, z, ф)

в частном случае плотность теплового потока на поверхности не меняется

qп = q 0 = const

Граничные условия третьего рода. Задается температура окружающей среды и закон теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Граничные условия четвертого рода. Известны условия теплообмена тел с окружающей средой по закону теплопроводности Они применяются для решения задач методами моделирования или тепловых аналогий.

Стационарная теплопроводность

Согласно закону Фурье тепловой поток, передаваемый теплопроводностью, пропорционален коэффициенту теплопроводности, градиенту температуры и площади поверхности тела

2.4

где л - теплопроводность вещества, Вт/ (м. К), характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Значения величин теплопроводности различных веществ приводятся в справочниках теплофизических свойств.

В уравнении (2.4) тепловой поток и градиент температур - векторные величины и направлены в противоположные стороны, что отражает знак минус. В газах носителями тепловой энергии являются хаотически движущиеся молекулы. В металлах теплопроводность происходит в основном за счет теплового движения электронов. Теплопроводность веществ зависит от температуры, давления, примесей, пористости.

Наиболее простыми случаями решения задач теплопроводности являются стационарные одномерные процессы тел простой формы.

Рис.2.2 Распределение температуры по толщине плоской стенки

Однослойная плоская стенка. Для определения теплового потока, проходящего через плоскую однослойную стенку толщиной д, на двух поверхностях которой поддерживаются температуры t1 и t2, температура изменяется по толщине стенки. Применим закон Фурье:

Q = q F = ( t2 - t1)л F / д 2.5

Отношение лF /д ( Вт/ К) называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина д/(л F) =R ( К/Вт ) - тепловым или термическим сопротивлением стенки. Изменение температур при л = соnst происходит по прямой наклонной линии, наклон зависит от толщины и теплофизических свойств стенки.

3. Элементарный состав топлива

Топливо (твердое и жидкое) состоит из горючих элементов - углерода (С), водорода (H), летучей серы (Sл) и негорючих элементов - кислорода (О), азота (N), минеральных примесей, называемых золой (А) и влаги (W).

Топливо в том виде, в каком оно поступает в котельную (к потребителю), называется рабочим топливом, и состав его, сведенный к 100% по массе, выражается следующим уравнением:

(1)

(2)

Если из рабочей массы топлива удалить всю содержащуюся в нем влагу, то получается сухая масса топлива, и состав его выражается уравнением:

(3)

Пересчет сухой массы в рабочую производится с помощью переводного коэффициента (множителя)

(4)

Например: известна сухая масса, надо найти рабочую

А если представим, что из сухой массы топлива удалена вся содержащаяся в ней зола, то получается горючая масса топлива, и уравнение элементарного состава топлива имеет вид:

 (5)

Пересчет горючей массы в рабочую производится с помощью переводного коэффициента:

(6)

Например: известен элементарный состав горючей массы, следует определить состав рабочей массы

%

% и тд.

Газообразное топливо обычно дается по сухому составу в виде суммы входящих в него газов в процентах по объему. Оно состоит в основном из метана СН4 - 60ч98% и других углеводородов: этана С2Н6, пропана С3Н8, бутана С4Н10, углекислого газа СО2, азота N2.

Теплотехнические характеристики топлив.

Важнейшими теплотехническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, влажность, зольность, наличие летучих веществ и серы, степень его крупности, спекаемости, механической прочности, температура размягчения золы.

Основной, как бы интегрирующей, технологической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество тепла выделяется при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1м3 газообразного топлива.

Теплота сгорания твердых и жидких топлив определяется с помощью прибора, носящего название калориметрической бомбы, а газообразного топлива - с помощью прибора Юнкерса. Бомба представляет собой стальной герметический сосуд, заполненный кислородом под давлением 3,0 МПа. В сосуде (бомбе) сжигают навеску топлива в 1 гр. Бомбу помещают в сосуд с водой и по приращению температуры воды вследствие выделяемого при сжигании навески топлива тепла определяют теплоту его сгорания.

Теплоту сгорания газообразного топлива определяют в приборе Юнкерса, который представляет собой по существу небольшой водяной котел, в котором сжигают исследуемый газ. Измеряют расход газа, расход воды, разность температур воды на входе и выходе из прибора и определяют теплоту сгорания:

кДж/кг (7)

(на лабораторных занятиях Вы должны определить теплоту сгорания твердого топлива).

С помощью калориметрической бомбы определяется так называемая высшая теплота сгорания топлива . Высшей теплотой сгорания называется все количество выделившейся теплоты при сгорании 1 кг или 1м3 топлива при превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. Высшая теплота сгорания не дает правильного представления о его практической ценности. Действительной мерой качества топлива служит низшая теплота сгорания . Она получается путем вычитания из количества тепла пошедшего на испарение влаги, как имеющейся в топливе (Wp), так и образующейся в процессе горении топлива:

(8)

Теплота сгорания топлив, при известном элементарном составе может быть также рассчитана по формуле Д.И. Менделеева:

(9)

Числовые коэффициенты в расчетном уравнении подобраны экспериментально и выражают 0,01 теплоты сгорания отдельных составляющих топлива.

Как видно из уравнения, теплота сгорания топлива зависит от его элементарного состава и для каждого вида топлива имеет свое определенное значение.

На практике для сопоставления между собой различных топлив пользуются понятием «условное топливо», под которым подразумевается топливо с теплотой сгорания

Пересчет любого топлива в условное производится умножением количества данного топлива на тепловой эквивалент «Э» условного топлива.

кг/сек. усл. Т (9)

Тепловой эквивалент определяется из выражения:

(10)

где - низшая теплота сгорания, .

Для тепловых процессов характеризующими являются приведенная влажность и приведенная зольность.

Приведенная влажность определяется по уравнению

(11)

При топливо считается маловлажным, т.е. ценным, качественным.

Приведенная зольность вычисляется:

(12)

При топливо считается малозольным. Влага и зола являются балластом. Они понижают теплоту сжигания топлив.

При сжигании высоковлажных и высокозольных топлив резко возрастает расход топлива.

Сера содержится в топливе в виде органических соединений и , объединенных в летучую серу:

Сера является нежелательным элементом в топливе, т.к. ее присутствие снижает качество топлива. Сернистые газы ( и ), образующиеся при ее сгорании, разрушающе воздействуют на металл котельного оборудования и отравляют окружающий животный и растительный миры.

Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, т.е. не горят и не выделяют теплоты. Кислород связывает часть водорода в топливе, вследствие чего качество топлива обесценивается.

Размещено на www.allbest.