Przekazywanie Ciepła i Wymiennik

Przekazywanie Ciepła i Wymiennik - Eugeniusz Kalinowski

Od autora............ 3 Wstęp.............. 4 1. Podstawowe wielkości i oznaczenia ...... 5 2. Pojęcia wstępne............ 9 2.1. Ogólny podział przekazywania ciepła...... 12 2.2. Równowaga i ogólne zależności w polu temperaturowym... 13 3. Przewodzenie ciepła (część I) — rozwiązania podstawowe... 17 3.1. Prawo Fouriera........... 17 3.2. Współczynnik lambda przewodzenia ciepła.......... 18 3.2.1. Ciała stałe metaliczne..................... 18 3.2.2. Ciała stałe niemetaliczne.......... 21 3.2.2.1. Ciecze............. 22 3.2.2.2. Gazy ............ 24 3.3. Przewodzenie ciepła ustalone, bez wewnętrznych źródeł ciepła — przypadki elementarne 25 3.3.1. Ściana płaska........................ 25 3.3.1.1. Wielowarstwowa ściana płaska............... 27 3.3.2. Ściana rurowa........................ 28 3.3.2.1. Jednowarstwowa ściana rurowa............... 29 3.3.2.2. Wielowarstwowa ściana rurowa............... 30 3.3.3. Ściana kulista........................ 31 3.3.4. Powierzchnia zastępcza ścian zakrzywionych............. 33 3.3.4.1. Powierzchnia zastęcza ściany rurowej............. 34 3.3.4.2. Zastępczy współczynnik lambdaz przewodzenia ciepła wielowarstwowej ściany rurowej...... 36 3.3.4.3. Narożnik dwuścienny....... 36 3.3.5. Grubość izolacji............ 37 3.3.6. Przykłady obliczeniowe........ 39 4. Przejmowanie (wnikanie) ciepła........ 41 4.1. Prawo Newtona ....... 42 4.2. Współczynnik a przejmowania (wnikania) ciepła.... 42 4.3. Przykłady obliczeniowe..... 43 5. Przenikanie ciepła — rozwiązania podstawowe...... 44 5.1. Przenikanie ciepła przez przegrodę płaską......... 44 5.2. Przenikanie ciepła przez przegrodę rurową......... 46 5.3. Przenikanie ciepła przez przegrodę kulistą.........48 5.4. Przenikanie ciepła przez powierzchnię zastępczą....... 50 5.5. Obliczanie temperatury w wybranym miejscu przegrody.... 52 5.6. Przenikanie ciepła przez pręty proste...... 53 5.6.1. Obliczanie temperatury pręta......... 54 5.6.2. Obliczanie strumienia ciepła........... 56 5.6.3. Pręt o nieskończonej długości........ 57 5.6.4. Pręt o skończonej długości na końcu zaizolowany.... 58 5.6.5. Obliczanie poprawki określającej błąd termometryczny spowodowany tulejką ... 59 5.7. Przenikanie ciepła przez przegrody żebrowane..... 61 5.7.1. Jednostronne żebra proste....... 61 5.7.1.1. Jednostronne żebra proste o stałym przekroju.... 63 5.7.1.2. Jednostronne żebra proste o zmiennej grubości.... 66 5.7.2. Jednostronne żebra igłowe...... 66 5.7.3. Jednostronne żebra okrągłe...... 67 5.7.4. Żebra dwustronne....... 71 5.7.5. Uwagi dotyczące stosowania powierzchni żebrowanych.. 74 5.8. Przykłady obliczeniowe........ 76 6. Wymienniki ciepła (część I)............ 79 6.1. Ogólny podział wymienników ciepła........ 79 6.2. Wymienniki powierzchniowe — rekuperatory........ 80 6.2.1. Obliczanie różnicy temperatur płynów jako funkcji powierzchni wymiennika .... 81 6.2.2. Obliczanie wielkości wymiennika za pomocą średniej różnicy temperatur płynów 85 6.2.2.1. Obliczenia dla współprądu, przeciwprądu, skraplacza i parownika ....... 85 6.2.2.2. Obliczenia dla prądów skrzyżowanych i mieszanych... 87 6.2.3. Obliczanie wielkości wymiennika za pomocą pojęcia jego sprawności ... 92 6.2.3.1. Wzór określający sprawność wymiennika współprądowego. 94 6.2.3.2. Wzór określający sprawność wymiennika przeciwprądowego etap ....95 6.2.3.3. Sprawność etad wymienników o dowolnym kierunku przepływu (skraplacz i parownik)...... 97 6.2.3.4. Sprawność wymienników etam o prądach skrzyżowanych i mieszanych ... 97 6.2.3.5. Obliczanie wielkości wymiennika krzyżowego i mieszanego.... 97 6.2.4. Przykłady obliczeniowe...... 98 7. Wybrane równania różniczkowe stosowane w przekazywaniu ciepła..... 102 7.1. Różniczkowe równania przejmowania ciepła .......102 7.2. Różniczkowe równanie przewodnictwa cieplnego.... 103 7.3. Różniczkowe równanie ruchu płynu....... 108 7.4. Różniczkowe równanie ciągłości....... 112 8. Teoria podobieństwa.......... 115 8.1. Warunki jednoznaczności........... 116 8.2. Niezmienniki zjawiska........ 116 8.3. Warunki podobieństwa zjawisk i wnioski..... 126 9. Unoszenie ciepła — konwekcja.............. 128 9.1. Warstewka przyścienna, temperatury obliczeniowe.... 129 9.2. Uogólnione równania i podział konwekcji................ 132 9.3. Konwekcja o wymuszonym ruchu burzliwym............... 134 9.3.1. Opływ powierzchni żebrowanych................. 141 9.3.2. Opływ różnych profili......... 142 9.3.3. Wzory uproszczone........... 149 9.3.4. Przykłady obliczeniowe......... 152 9.4. Konwekcja o wymuszonym ruchu uwarstwionym... 153 9.5. Konwekcja o wymuszonym ruchu przejściowym...... 157 9.6. Konwekcja naturalna (swobodna)........... 158 9.6.1. Konwekcja naturalna w szczelinach......... 162 9.6.2. Wzory uproszczone.............. 163 9.6.3. Przykłady obliczeniowe............ 165 9.7. Spływ grawitacyjny............... 166 9.7.1. Spływ grawitacyjny cienkich warstw..... 168 9.7.2. Grawitacyjny spływ laminarny........ 170 9.7.3. Grawitacyjny spływ burzliwy........ 172 9.8. Skraplanie........ 172 9.8.1. Wpływ przegrzania pary........ 180 9.8.2. Wpływ usytuowania powierzchni................. 180 9.8.3. Wpływ prędkości przepływu pary................. 182 9.8.4. Wpływ gazów obojętnych w parze................ 183 9.8.5. Obliczenie uproszczone..................... 183 9.8.6. Przykłady obliczeniowe..................... 184 9.9. Wrzenie ............................ 185 9.9.1. Rodzaje wrzenia....................... 187 9.9.2. Wzory obliczeniowe...................... 188 9.9.3. Przykłady obliczeniowe..................... 192 9.10. Konwekcja o ruchu mieszanym................... 193 9.11. Systematyka budowy wybranych równań uogólnionych.. 194 10. Promieniowanie (radiacja)........................ 195 10.1. Promieniowanie ciał stałych i ciekłych................. 198 10.1.1. Podstawowe prawa promieniowania............... 198 10.1.1.1. Prawo Kirchhoffa................... 198 10.1.1.2. Prawo Plancka................... 199 10.1.1.3. Prawo Wiena.................... 200 10.1.1.4. Prawo Stefana-Boltzmanna............... 200 10.1.1.5. Prawo Lamberta................... 202 10.1.2. Wzory obliczeniowe ciepła przekazywanego przez promieniowanie .. 206 10.1.2.1. Równoległe powierzchnie blisko położone (teoretycznie nieskończenie duże)........... 206 10.1.2.2. Powierzchnie zamykające się....... 209 10.1.2.3. Powierzchnie dowolnie usytuowane....... 209 10.1.2.4. Ekrany ...... 215 10.1.3. Promieniowanie słoneczne......... 215 10.1.4. Przykłady obliczeniowe......... 215 10.2. Promieniowanie gazów........... 218 10.2.1. Wzory obliczeniowe dla promieniujących gazów.... 219 10.3. Promieniowanie płomienia świecącego................. 223 11. Przewodzenie ciepła (część II) — wybrane rozwiązania analityczne.... 226 11.1. Nieustalone przewodzenie ciepła w ciałach z wewnętrznymi źródłami ciepła ......226 11.1.1. Warunek początkowy i warunki brzegowe............. 227 11.1.2. Ustalone przewodzenie w płycie płaskiej............. 228 11.1.3. Ustalone przewodzenie ciepła w pręcie walcowym.... 230 11.1.4. Źródła ciepła w ośrodku półnieskończonym...... 232 11.2. Nieustalone przewodzenie ciepła bez wewnętrznych źródeł ciepła... 235 11.2.1. Nieustalone przewodzenie ciepła w nieskończonej płycie płaskiej, znajdującej się w otoczeniu o stałej temperaturze.... 236 11.2.2. Stan uporządkowany w obliczeniach nieustalonego przewodzenia ciepła ........247 12. Przewodzenie ciepła (część III)—rozwiązania numeryczne..249 12.1. Dyskretyzacja zmiennej ciągłej........ 250 12.2. Wymagania dotyczące metod różnicowych...... 250 12.3. Metoda różnic skończonych......... 251 12.3.1. Aproksymacja funkcji ciągłych różnicami skończonymi...251 12.3.2. Aproksymacja warunków brzegowych............... 253 12.3.3. Ustalone jednokierunkowe przewodzenie ciepła... 254 12.3.4. Nieustalone jednoosiowe przewodzenie ciepła..... 257 12.4. Metoda bilansów elementarnych................... 259 12.4.1. Ustalone dwukierunkowe przewodzenie ciepła..... 260 12.4.2. Nieustalone dwukierunkowe przewodzenie ciepła..... 262 12.4.3. Nieustalone trójosiowe przewodzenie ciepła o zmiennych z temperaturą parametrach ciała.......... 263 12.5. Metoda elementów skończonych......... 266 12.5.1. Ogólne sformułowanie metody.........266 12.5.2. Funkcje kształtu............. 267 12.5.3. Rozwiązanie zagadnienia......... 269 12.5.4. Ustalone przewodzenie ciepła....... 269 12.6. Metoda Monte Carlo...........272 12.7. Metoda wykreślna Schmidta-Bindera dla nieustalonego jednoosiowego przewodzenia ciepła....... 273 13. Wymienniki ciepła (część II) — regeneratory...... 276 13.1. Obliczenie podstawowe....... 277 13.2. Wpływ czasu rewersji na strumień ciepła....... 282 13.2.1. Sformułowanie zagadnienia....... 282 13.2.2. Opis przekazywania ciepła........ 284 13.2.3. Rozwiązanie zagadnienia wpływu czasu rewersji na strumień ciepła ....285 13.2.4. Wynik obliczeń......... 287 14. Przekazywanie ciepła do gruntu....... 293 14.1. Straty ciepła do podłóg pomieszczeń niepodpiwniczonych..293 14.2. Przekazywanie ciepła do gruntu z uwzględnieniem podsiąkania wody gruntowej ..... 295 Literatura....... 298 15. Dodatek — tabele i wykresy........ 300