ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ СТЕНКИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ ПОТОКЕ
1. ПЛОСКАЯ ОДНОСЛОЙНАЯ СТЕНКА
Простейший случай теплопередачи получается, если известны обе температуры поверхностей плоской стенки и и и коэффициент теплопроводности X. Тогда по уравнению (2а) количество тепла, проходящее через стенку за 1 час,
— р. 1}Л~ *2 ккал/час. (2а)
5
Пример. Внутренняя поверхность свода отжигательной печи имеет температуру = 1000°С, наружная — /2 = 200°С. Толщина свода 5 = 0,25 м (равна толщине одного кирпича). Свод выложен из шамота со средним коэффициенте^ теплопроводности Я=1,1- Определить тепловые потери 1 м2 свода в 1 час.
Так как свод печи изогнут очень слабо, можно приближенно считать его плоской стенкой. Поэтому искомые тепловые потери определяются по уравнению (2а)
, , 1000 — 200 0г0л, о
А — 1,1 ------------- = 3520 ккал/м2 • час.
4 0,25
(27) |
Вообще говоря, температура внутренней поверхности свода или стенки должна быть известна, так как она практически совпадает с «рабочей температурой» печи в данной точке. Но внешняя температура не известна, а известна лишь температура окружающей среды Поскольку одна или обе температуры поверхностей стенки не известны, то вместо коэффициента теплопроводности нужно всегда применять коэффициент теплопередачи. По уравнению (27)
£2 = & . (/г — tв) ккал/час.
Здесь по уравнению (29) коэффициент теплопередачи
К = ------------ !---------- ккал/м2 • нас • °С. (29)
+ + Т-"
<хг ав X
Так как в этом случае дана температура внутренней поверхности., то можно принять аг =оо и /п= 1000° С. Следовательно, при бесконечно высоком коэффициенте теплоотдачи температура поверхности совпадает с температурой окружающего газа. Так, в разобранном выше случае при известных температурах обеих поверхностей стенки аг и а в равны бесконечности, следовательно, и полагаем равными нулю. Тогда в уравнении (29)
Аг ав
К— — и уравнение (27) преобразуется в уравнение (2а). Здесь в
Прежде всего необходимо определить коэффициент теплоотдачи ссв на внешней поверхности. Необходимо Предположить, что печь установлена в закрытом помещении и вследствие спокойного окружающего воздуха имеет значение лишь свободная конвекция. Так как ав для спокойного воздуха по рис. 13 зависит от температуры, то необходимо прежде всего определить эту температуру. Можно ожидать, что температура колеблется в интервале 50—250° С. Для гладкой пластины величину теплоотдачи можно принять такой же, как и от труб диам. 200 мм. По рис. 13 для температуры 150° С общий коэффициент теплопередачи (конвекция + излучение) в случае горизонтального расположения стенки в спокойном воздухе равен ав = 13,2 ккал/м2 • час *°С. Сообразно с этим коэффициент теплопередачи по уравнению (29)
& =------------ 5---------- = 3,3 ккал/м2 • час • °С
1 0,25
° + 13,2 + 1,1
И искомые тепловые потери от 1 м2 поверхности свода при температуре окружающего воздуха £,,р=20° С по уравнению (27)
<7 = 3,3 • 980 = 3240 ккал/м? • час.
Теперь можно определить температуру внешней поверхности /г° С. Равное количество тепла, которое проходит через свод, должно от свода перейти к воздуху, если существует стационарное состояние. Но для передаваемого тепла справедливо
<7 = ав • (/2 — £в) ккал/м2 • час
Или
' —£-°с.
При <7=3240, £пр = 20°, ав= 13,2 имеем
/2 = 265 °С.
Эта температура недостаточно точно совпадает с принятым значением /2= 150° С. Вследствие этого необходимо еще раз определить ав с учетом найденного здесь значения температуры. При ^2 = 265° С по рис. 13 определяем а* = 20,0 и по уравнению (29)
& = 3,6 и <7 = 3,6x980 = 3540 ккал/м2 • час следовательно, несмотря на большое отличие внешней температуры, вновь определенный коэффициент теплопередачи незначительно отличается от прежнего. Причина в том, что входящее в коэффициент тепло-
1
Передачи сопротивление внешней теплоотдаче ------------- мало по
Ав
Сравнению с сопротивлением теплопроводности —и поэтому
Значительная ошибка при выборе ав мало отражается на результате (ср. объяснения по коэффициенту теплопередачи на стр. 42). При расчетах тепловых потерь кладкой найденный здесь внешний коэффициент теплоотдачи всегда имеет небольшое влияние, так что погрешность в его расчете не вносит большой погрешности. Если <7 = 3540, то по уравнению (35) получим /2 = 200°С. Если же хотим получить совершенно точный результат, то седует провести расчет с этой температурой или с соответствующим коэффициентом ав. Однако при этом тепловые потери практически не изменятся, т|кже останется постоянной и внешняя температура ^ = 200° С в довольно широкой области точности расчета. Точность расчета внешней температуры очень сильно зависит от ав, который не поддается точному определению и в свою очередь зависит от условий подвода воздуха и тому подобных обстоятельств. Значительным источником ошибки при расчете теплоотдачи или теплопроводности через кладку является ее газопроницаемость (см. стр. 48). Если на холодной стороне существует избыточное давление, то расчетные тепловые потери будут в большинстве случаев завышены, а если избыточное давление наблюдается на горячей стороне, то они будут занижены.
Влияние обдува на тепловые потери рассматриваемого печного свода определяется по уравнениям (306) — (311). Сообразно с этим коэффициент теплоотдачи конвекцией при скорости обдува до 5 м/сек для кирпичной кладки равен
Ак = 5,3 + 3,6 - до ккал/м2 • час. °С. (308)
Если аИз—коэффициент теплоотдачи излучением (по рис. 15), то для общего коэффициента теплоотдачи в общем справедливо
А = ак + аиз ккал/м2 • час • °С.
Если печь обдувается воздухом со скоростью а> = 5 м/сек, то ак =23,3. Для определения аи, необходимо прежде всего снова определить температуру поверхности. Так как коэффициент теплоотдачи значительно увеличился, то можно предположить значительно меньшую температуру поверхности. Если мы примем *2 = 100° С, то по рис. 15 (стр. 129) аиз = 6 и сообразно с этим а = 29,3. Следовательно, коэффициент теплопередачи
К =---------- ---------- =3,8 ккал/м2час.°С
0,25 1
1,1 + 29,3
И тепловые потери
^ = 3,8 • 980 = 3724 ккал/м2-час.
Внешняя температура по уравнению (35)
* = 20+-^-= 147° С.
29,3
Несмотря на сильное увеличение внешнего коэффициента теплоотдачи, тепловые потери увеличились всего лишь на 6%. Но температура поверхности сильно понизилась. Как указывалось выше, это вызвано высоким тепловым сопротивлением кладки.
2. МНОГОСЛОЙНАЯ ПЛОСКАЯ СТЕНКА
Стенка толщиной 250 мм характеризуется коэффициентом теплопроводности X = 1,2 ккал/м - час•°С (при средней температуре около 1000° С) и температурой внутренней поверхности 1400° С. Она должна быть изолирована так, чтобы тепловые потери составляли не более 500 ккал/м2 • час. Какую изоляцию применить, какой она должна быть толщины и какие температуры установятся?
По опыту, который мы имеем из предыдущего примера, тепловые потери неизолированной стенкой очень высоки, примерно на 50% выше, чем в случае рассмотренной стенки, потому что одна температура внутренней поверхности уже на 40% выше и, кроме того, коэффициент теплопроводности также более высокий. Следовательно, тепловые потери составили бы примерно 5000 ккал/м2 • час. Чтобы эти тепловые потери снизить до 500 ккал/м2 • час, необходимо включить тепловое сопротивление,, большее, чем тепловое сопротивление самой стенки. Оно равно
= -5-^- = 0,2.
X! 1.20
Если бы мы выбрали изоляцию толщиной 50 мм с коэффициентом теплопроводности 0.2, то в этом случае тепловое сопротив-
0,05 а о с
Ление равнялось бы--------- = 0,25; следовательно, это величина та-
Кого же порядка, что и для первоначальной стенки. Такая изоляция снизила бы тепловые потери лишь наполовину, следовательно, была бы абсолютно недостаточной. Поэтому мы применяем изоляцию, которая характеризуется малым коэффициентом теплопроводности и большей толщиной; поэтому ее средний коэффициент теплопроводности X = 0,12 и толщина 5 = = 250 мм. Так как внешние тепловые потери будут малы, температура внутренней поверхности также будет небольшой. Стенка находится в спокойном воздухе. Принимаем температуру внутренней поверхности равной 70° С и сообразно с этим а2=10 (см. рис. 13). Тогда по уравнению (31) коэффициент теплопередачи
1 1 0;25 0,25
_!_ j-
Оо 10 1,2 0,12
Если температура окружающей среды 25°, то тепловые потери
Q = 0,42 х 1375 = 580 ккал/м2-час.
Эти тепловые потери еще несколько больше, чем требуемые 500 ккал/м2 • час. Если хотим получить точно 500 ккал/м2 • часу то необходимо увеличить слой изоляции.
Температура между слоем изоляции и стенкой рассчитывается по уравнению (12)
4. _______ / Q ' s 1 о(^.
*2 — L1---------
А1
Fa= 1400 — 580 х0'25 = 1280°С.
1,2
Следовательно, температура на границе раздела очень высока. Для изолированной стенки создаются тяжелые условия вследствие сильной изоляции, так как температурный перепад в ней будет очень небольшим и высокая температура распространяется далеко внутрь кладки стенки по сравнению с более слабой изоляцией или совсем без нее. На 1 см стенки в данном случае
120 - о ^
Приходится температурный перепад --------- =5 С, в то время как
25
При неизолированной стенке соответствующий температурный
1150
Перепад примерно был бы равен ---------- = 46° С/см. Если стенка
25
Выложена из материала, который размягчается, например, при 1300° С (что справедливо для большинства видов шамотов), вследствие изоляции стенка полностью разрушится, так как ее температура повсюду будет превышать точку размягчения материала. Путем расчета температуры, господствующей между стенкой и изоляцией, получим, таким образом, два руководящих направления для конструирования и решения данной задачи. Первое направление заключается в том, что сам материал стенки, если она изолирована, должен быть выбран таким, чтобы его точка размягчения по крайней мере лежала около 1400°С. Следовательно, необходимо было бы выбрать не шамот, а динас. Второе направление касается изоляции. Так как высокоэффективная изоляция не смогла бы выдержать температуру 1280° С, то между слоем изоляции и стенкой необходимо положить дополнительный слой, который выдерживал бы высокую температуру (даже если он не является хорошей изоляцией). Этот слой можно выложить, например, пористым шамотом. Следовательно, получаем плоскую стенку, состоящую из трех слоев. Пусть промежуточная изоляция быдет выполнена из пористого кирпича С коэффициентом теплопроводности ^2 = 0,5 при толщине слоя 0,2 м. Собственно изоляционный слой характеризуется коэффициентом теплопроводности Лз = 0,12 и ТОЛЩИНОЙ 53 = = 0,12 м. Тогда коэффициент теплопередачи по уравнению (31)
K =----------------------- ------------------ = 0,42
1 1 . 0,25 0,2 0,2
—"■ —I— —I—
Оо, 10 Г 1,2 ^ 0,5 ^ 0,12
И тепловые потери
Q = 0,42 х 1375 = 580 ккал/м2-час.
В этом случае температура между 1 и 2-м слоями по уравнению (12)
L= 1400— 580х0’2-5-= 1280° С;
Температура между 2 и 3-м слоями по уравнению (13)
TOC o "1-5" h z *3 = 1400 — 580 + 1050° С
1,2 0,5 /
И внешняя температура по уравнению (13а)
И = 1400 — 5801-^- + — + = 80°С.
I 1,2 0,5 0,12 )
Эту внешнюю температуру можно рассчитать также по уравнению (35), зная температуру окружающей среды. Как видно, в слое изоляции температуры все еще достаточно высоки. Лучшим средством для их снижения является отказ от эффективной изоляции и допущение значительных тепловых потерь в размере, например, 1000 ккал/м2-час; другими словами, необходимо сознательное ослабление изоляции путем выбора более теплопроводного материала или более тонкого слоя-
Сказанное выше относительно газопроницаемости справедливо также и для данного случая; поэтому всегда необходимо учитывать, осуществляется ли тепловой транспорт раскаленными газами или, напротив, холодным воздухом, что, следовательно, вызывает изменение температурного поля. В данном случае необходимо принять меры по уплотнению на холодной стороне стенки.
3. ОДНОСЛОЙНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКА
По трубе внепшшм диам. 100 мм протекает нагретая до 120° С вода в кЪличестве 30 мъ/час. Труба изолирована слоем инфузорной земли толщиной 5 = 90 мм с коэффициентом теплопроводности Х = 0,1 ккал/м • час°С. Температура внешней поверхности изоляции составляет 40° С.
Определить теплоотдачу и падение температуры воды на каждом погонном метре трубы.
По уравнению (4) тепловые потери 1 пог. м трубы
О = .2 729>-1_ (120 — 40) ккал/м'Час;
С} = 49 ккал/м-час.
Пользуясь приближенным методом Якоба (см. стр. 31), вместо уравнения (4) можно применить уравнение (2а), справедливое для плоской стенки, причем в качестве поперечного сечения для теплового потока необходимо принять боковую поверхность У7, соответствующую средней толщине стенки..По уравнению (19) при ф= 1
П _ 0.1 • * ■ 0,380 . (120 — 40) .
2-0,09 <2 = 53 ккал/м-час.
Несмотря на пренебрежение коэффициентом ср, совпадение с результатом, вычисленным по точной формуле, удовлетворительное. Падение температуры рассчитано из условия, что количество тепла, выделяемое водой при охлаждении V - ср М, должно быть равно количеству отдаваемого тепла (2 ккал/м* час. Здесь V—объем или вес вещества, протекающего через поперечное сечение трубы за 1 час; ср —удельная теплоемкость, отнесенная к единице объема или веса; Ы — искомый температурный перепад, °С/м.
Следовательно,
У-СР
30000 -1
Т. е. количество воды, протекающее через трубы, так велико, а изоляция так хороша, что по длине водопровода, равной 1000 м, падение температуры воды составит только 1,6° С.
4. МНОГОСЛОЙНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКА
Если даны температуры поверхностей (аг и ав =°°)» то для расчета количества тепла, проходящего через многослойную стенку, справедливо уравнение (14); если же даны температуры находящихся по обе стороны стенки жидких или газообразных сред, а не температуры поверхностей (аг и ав конечны), то пользуются уравнениями (36) — (37а).
Доменный воздухопровод подает дутье с температурой 800° С при скорости 30 м/сек, отнесенной к нормальным условиям (0°С, 760 мм рт. ст.). Диаметр трубопровода в свету равен 1 м и снаружи по кожуху трубопровод изолирован. Изнутри он выложен шамотным кирпичом, причем толщина слоя 51 = 0,2 м. Толщина кожуха трубы 52 = 0,01 ж, а внешней изоляции 5з = 0,2 м. Коэффициенты теплопроводности отдельных слоев, ккал/м - час°С:
1,1;
Х2 = 40;
= 0,14.
Трубопровод расположен на открытом воздухе с температурой ^пр =15° С при скорости ветра 3 м/сек.
Надо определить тепловые потери и изменение температуры горячего воздуха на 1 пог. м трубы, температуры на внутренней поверхности, в кожухе и на наружной поверхности трубопровода.
При скорости горячего дутья 30 м/сек внутренний коэффициент теплоотдачи по уравнению (254)
Ол0, 71э
Аг = (3,55 + 0,00168 • 800)------------ = 62,5 ккал/м2-нас°С.
Здесь величину ЗО0,75 можно определить по рис. 72 приложения.
Внешний коэффициент теплоотдачи ав = ак + аиз, где ак определяется по уравнению (29) и в данном случае равен 16,1; принимая температуру внешней поверхности, равной 100° С,
Находим по рис:—15 значение~....... Следовательно; ~ ив =
= 22,1 ккал/м2 • час *° С. Используя обозначения, данные на рис.
2, получим с1 — 1,0 м = 1,4 м = 1,43 м и — 1,82 м. На основании этого определяем тепловые потери 1 пог. м трубопровода:
Q___________________________ (800 — 15) л:
TOC o "1-5" h z ~~ 1 1 1,151 , М 1,151 , М2 *
-------- 1 ---------------- I --------- ------ _1_-------- 1д------- _1_
62,5 22,1 . 1,82 ^ 1,1 & 1,0 1 40 & 1,40 ^
. 1,151 1,82 .
+ •
0 _ __________ .________ 2460__________________ _ 2460 . ’
0, 016 + 0,0249 + 0,1530 +0,0002 + 0,880 ~ 1,074*
(2 = 2290 ккал/м-час.
При расчете температурного (перепада для горячего воздуха прежде всего необходимо определить количество воздуха, проходящее через поперечное сечение Т7 за 1 час,
V = • У7 • 3600 м3/час.
Так как поперечное сечение Т7 в этом случае равно 0,784 м2, то количество воздуха, проходящее за 1 час по трубопроводу (при нормальных условиях)
V = 30 . 0,785 . 3600 - 85000 м3/час.
Зная удельную теплоемкость воздуха ср = 0,33 ккал/м3 • °С, температурный перепад
Д t = -5- =---------- —— = 0,08° С/м.
V ■ ср 85000 - 0,33
Значение знаменателя показывает, что тепловое сопротивление кожуха, равное 0,0002, по сравнению с остальными тепловыми сопротивлениями пренебрежимо мало. Это совершенно справедливо вообще для всех изолированных трубопроводов. Вследствие хорошей теплопроводности и малой толщины железного кожуха можно всегда пренебречь тепловым сапротивле - ' нием стенки при расчете теплопередачи. Но в данном случае внутри практической области точности можно пренебречь и сопротивлениями теплоотдаче и! (сравнивая с
• аг. ав
Тепловым сопротивлением стенки).
Температура внутренней поверхности по уравнению (41)
^ = 800 — 2290 = 788°С.
1-тс-62,5
Следовательно, практически она совпадает с температурой горячего воздуха, что справедливо для всех изолированных трубопроводов. Это будет наблюдаться всегда, если можно пренебречь сопротивлением теплоотдаче —— наравне с тепловым со-
А
Я
Противлением теплопроводности
Температура кожуха по уравнению (42)
1 1е"ГТ '■= 800 - ■22901 ^1=676°с-
Температура на внешней стороне кожуха по уравнению (43)
*з = *2 — 22901 ----- 1= 676 — 0,13° С.
' 2,729-40 7
Температурным перепадом в кожухе также можно пренебречь, как и его исчезающе малым тепловым сопротивлением.
Если длительное время температура кожуха будет 676° С, то он быстро разрушится. Поэтому принятая здесь изоляция неприемлема. Напротив, основной слой изоляции необходимо было бы положить между огнеупорной кладкой и внутренней поверхностью кожуха трубопровода, как это и делают на практике. Кроме того, преимуществом такой изоляции является свободный доступ и наблюдение за кожухом трубопровода. Другим путем является усиление внутренней обмуровки и ослабление внешнего изоляционного слоя. Это также приведет к снижению температуры кожуха.
Внешняя температура трубопровода по. уравнению (44) равна
/4 = 15 4------- —------- = 33° С.
■к - 1,82 • 22,1
Следовательно, температура значительно ниже предположенной. Несмотря на это, нет необходимости, как уже выяснилось при рассмотрении предыдущих задач, повторять расчет с полученной температурой внешней поверхности, так как внешнее сопротивление теплоотдаче характеризуется исчезающе малым
28* влиянием на общее тепловое сопротивление и поэтому ошибка при выборе внешнего коэффициента теплоотдачи не влияет заметно на конечный результат. Рассчитанные здесь тепловые потери и уменьшение температуры слишком занижены по сравнению с 'наблюдаемыми на практике, так как такая мощная изоляция обычно не применяется. Но расчет показывает, что тепловые потери на пути от каупера до доменной печи могут быть сильно уменьшены (сейчас они обусловливают на этом пути температурный перепад в 100° С) за счет, тщательной изоляции и (правильного расчета размеров трубопровода. Сделанный расчет можно было. проводить по уравнениям, справедливым для (плоских стенок, в частности по уравнениям (22) — (24). Это более просто' и достаточно точно, так как отношения диаметров меньше 2 (см. стр - 32—33). Пример такого расчета будет приведен ниже.
5. МНОГОСЛОЙНАЯ газопроницаемая ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКА
Труба диам. 1,5 м выложена внутри шамотом, имеющим коэффициент теплопроводности X = 0,9 ккал/м • час • °С, толщиной слоя Si = 0,5 м, а снаружи красным кирпичом, имеющим коэффициент теплопроводности Л.2 = 0,6 ккал/м- час-°С, толщиной слоя s2 = 0,5 м. Температура внутренней поверхности составляет t = = 500° С, температура внешней поверхности t2 = 20° С и разрежение h = 25 мм вод. ст.
Определить тепловые потери в рассматриваемом месте.
По уравнению (51а)
Я = <7т. п — v'cp'{t! — *2) ккал/м2-час.
Так как речь идет о мало напряженной кладке, коэффициент теплопроницаемости по Бензену можно принять г = 2. Следовательно, подсос воздуха через кладку по уравнению (52)
V = —— 0,5 м3/м2-час.
100
Отношения диаметров отдельных слоев
2,5 t d3 3,5 , Ari
= 1,66 и = —-— = 1,40,
Dx 1,5 d2 2,5
Следовательно, меньше двух.
Количество тепла, передаваемое теплопроводностью через поверхность 1 пог. м трубы по уравннению (22а) для двух слоев (б?4 — =0),
С) =-------------- (*і~71--------------- ккал/м-час; (22а)
^2 ^1 . ^3 — ^2
(С?2 “Ь ^і) ^1 № 4“ ^2) ^2
С}г„ =----- 1|------------------ = 2720 ккал/м • час.
4-0,9 + 6-0,6-
Относя это количество тепла на каждый квадратный метр поверхности, взятой по средней толщине кладки, получим
9790
<7_ _ =--------- = 346 ккал/м*-час.
4т*п 2,5 • *
Следовательно, общая теплопередача на каждый квадратный метр средней поверхности
<7 — 346 — 0,5 • 0,32 • 480 = 270 ккал/м*-час.
Несмотря на относительно малое количество воздуха, подсасываемого через стенку трубы, количество передаваемого тепла уменьшается, следовательно, на 77% своего первоначального значения. Очевидно большое влияние газопроницаемости стенок на количество передаваемого ими тепла. Но такая «экономия» тепла вызывает повышение тепловых потерь в топках и других тепловых установках вследствие подсоса воздуха.