Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа icon

Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа




Скачати 168.43 Kb.
НазваСя в окружающую среду. В тепловом насосе работа
Дата22.06.2012
Розмір168.43 Kb.
ТипДокументи


ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа l затрачивается на то, чтобы передать тепло от источника с температурой T1 к теплоприемнику с температурой T2>T1. В отличие от обычного назначения теплового насоса в данном случае тепло передается теплоприемнику не от окружающей среды, а от источника с температурой T1>T0.

Найдем значение идеального коэффициента преобразования повы­шающего термотрансформатора:

, (2.61)

В уравнении (2.61) выразим q2 и через :

, но

и, следовательно:

, (2.62)

, (2.63)

Подставляя в уравнение (2.61) найденные по формулам (2.62) и (2.63) значения q2 и , получим значение , вычисляемое по формуле (2.60). Из этой формулы видно, что поскольку у повышающего термотрансформатора T12, то для него а, следовательно, и q21.

Следует заметить, что АБХМ может быть использована в качестве понижающего термотрансформатора, а обращенная АБХМ – в качестве повышающего термотрансформатора. Хотя у таких термотрансформаторов будет значительно ниже, чем у рассмотренных выше, однако они проще и дешевле в изготовлении.

Часть 3 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ


3.1. Виды теплообмена


Теория теплообмена наряду с термодинамикой составляет теоретические основы теплотехники и изучает закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую.

Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры.

Существуют три различных по своей природе основных вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен, лучистый теплообмен.

Теплопроводность (встречаемая, как правило, только в твердых средах) – молекулярный процесс переноса теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента (перепада) температуры. Осуществляется за счет распространения упругих волн колеблющихся атомов и молекул (в диэлектриках) или связан с перемещением свободных электронов и колебаниями атомов кристаллической решетки (в металлах).

^ Конвективный теплообмен (имеющий место в движущихся средах) – перенос теплоты, обусловленный перемещением макроскопических элементов среды (объемов жидкости или газа) в пространстве, сопровождающийся теплопроводностью. Его наиболее распространенный случай – теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом).

^ Лучистый теплообмен, осуществляемый (в отличии от теплопровод­ности и конвекции) при отсутствии вещественной среды и обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию электромагнитных волн, распространением их в пространстве и поглощением энергии этих волн веществом.

На практике теплообмен часто происходит всеми тремя выше названными способами и носит название сложного теплообмена.

Радиационно-конвективный теплообмен – теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением, теплопроводностью и конвекцией.

Радиационно-кондуктивный теплообмен – передача теплоты теплопроводностью и излучением.

Теплопередача – процесс переноса теплоты между двумя теплоносителями (движущейся средой, используемой для переноса теплоты), разделенными твердой стенкой.


3.2. Теплопроводность


Введем некоторые определения, характеризующие процесс теплопроводности.

^ Температурное поле – совокупность значений температур Т во всех точках тела (пространства) в некоторый фиксированный момент времени : стационарное (установившееся) – зависящее только от пространственных координат, Т = f(x,y,z); нестационарное (неустановившееся) – зависящее также и от времени, Т = f(x,y,z,).

Поверхность, во всех точках которой температуры одинаковы, называют изотермической, а линии равных температур - изотермами.

^ Градиент температур – вектор, численно равный производной от температуры по направлению нормали к изотермической поверхности

. (3.1)

Так как объемная производная скалярного поля является его градиентом,

,

где  – символический вектор (оператор Гамильтона), заменяющий символ градиента, V – объем, заключенный внутри поверхности А.

Поле температурного градиента является векторным, поэтому



где , , – координаты градиента; i, j, k – единичные векторы, имеющие направление координатных осей.

За положительное направление вектора принимается направление в сторону возрастания температуры, т.е. .

^ Тепловой поток – количество теплоты Q, переданное в единицу времени. Отнесенный к единице площади поверхности называется плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой поверхности нагрева.

. (3.2)

Вектор всегда направлен в сторону, противоположную градиенту температур, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется только в сторону убывания температуры.

Линии теплового потока – линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора теплового потока (перпендикулярно к изотермическим поверхностям).

^ Основной закон теплопроводности (закон Фурье), установленный опытным путем, формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры

, (3.3)

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), численно равный тепловому потоку проходящему через единицу поверхности (1 м2) при градиенте температур, равном .

Знак минус в уравнении (3.3) показывает, что теплота распространяется в сторону понижения температуры, приращение которой в данном направлении имеет отрицательное значение.

Общее количество теплоты Q, Дж, переданное теплопроводностью через стенку F, м2 за время  составит

Q = q F . (3.4)

^

Дифференциальное уравнение теплопроводности и условия однозначности


Уравнение (3.3) является математическим выражением закона теплопроводности Фурье, а значение характеризует интенсивность процесса теплопроводности.

Количество теплоты Q, теряемое произвольным объемом V внутри тела, можно определить путем интегрирования плотности теплового потока по замкнутой поверхности А, ограничивающей этот объем так, что

,

где n – единичный вектор, направленный по нормали к поверхности,
– время.

Воспользовавшись формулой Остроградского-Гаусса, получим

. (3.5)

В соответствии с первым законом термодинамики это количество теплоты может появиться лишь за счет уменьшения внутренней энергии единицы объема тела в единицу времени , а также за счет действия внутренних источников теплоты мощностью qV (Вт/м3), имеющих различную природу. Поэтому

, (3.6)

где с – удельная теплоемкость тела.

Левые части выражений (3.5) и (3.6) равны, поэтому

.

Так как объем V выбран произвольно, равенство интеграла нулю означает, что

. (3.7)

Перенос теплоты в твердом теле осуществляется путем теплопроводности, поэтому с учетом уравнения (3.3) и соотношения уравнение теплопроводности примет вид

. (3.8)

Уравнение (3.8) выражает связь между пространственными и временными изменениями температуры и позволяет определять температурное поле в твердом теле. Его можно записать иначе

, (3.9)

где , м2/с – коэффициент температуропроводности (характери- зует скорость распространения тепла в теле), а выражение – оператор Лапласа.

Выражение (3.9) называют дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье.

В случае распространения тепла в одном направлении (пластина
неограниченных размеров) и отсутствия внутренних источников тепла
(qV = 0) уравнение (3.9) имеет простой вид

.

Для получения однозначного решения уравнения (3.9), описывающего класс явлений теплопроводности, необходимо выполнение условий однозначности (единственности):

  1. геометрических, согласно которым задаются форма и размеры твердого тела;

  2. физических, задаваемых физическими свойствами тела или их зависимостями от температуры;

  3. начальных, устанавливающих распределение температуры в теле в начальный момент времени – (временное краевое условие)

; (3.10)

  1. условий сопряжения теплового потока на границах различных слоев данного тела ;

  2. закона взаимодействия тела с окружающей средой (пространственное краевое условие).

Совокупность начальных и граничных условий называют краевыми условиями.

Пространственное граничное условие можно задать при помощи четырех способов. Первый способ состоит в задании закона распределения температуры по поверхности тела в зависимости от времени.

. (3.11)

При этом, режим нагрева (охлаждения), при котором распределение температур в теле не зависит от начальных условий и определяется только граничными, называют регулярным. Условие заданное таким образом называют граничным условием первого рода.

Второй способ заключается в задании закона распределения плотности теплового потока по поверхности тела в зависимости от времени

. (3.12)

Условие, заданное таким образом, называют граничным условием второго рода.

Третий способ состоит в задании температуры окружающей среды и закона теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой в зависимости от времени

. (3.13)

Условие, заданное таким образом, называют граничным условием третьего рода и оно соответствует случаю конвективного теплообмена с поверхностью тела. Выражение (3.13) называют законом теплоотдачи Ньютона. Согласно (3.13), плотность теплового потока q, который переносится путем конвекции от поверхности твердого тела в среду, пропорциональна разности температур поверхности тела tП и среды tС.

Этот способ задания граничных условий наиболее часто применяется при решении практических задач.

^ Коэффициент теплоотдачи  определяет интенсивность теплоотдачи с поверхности. Количество теплоты, соответствующее значению qПОВ, дол­жно подводится к поверхности тела путем теплопроводности изнутри, поэтому

, (3.14)

где – составляющая градиента температуры, нормальная к поверхности тела.

Приравнивая (3.13) и (3.14) получим

. (3.15)

В соответствии с граничными условиями третьего рода должны быть заданы значения температуры среды tC и коэффициента теплоотдачи .

В высокотемпературных объектах (энергоустановках, печах и др.) в общем случае имеет место сложный теплообмен, значительная доля в котором приходится на лучистый или радиационный теплоперенос. Тепловой баланс на границе в этом случае может быть описан уравнением

. (3.16)

Если разность температур среды ТОКР и поверхности ТПОВ невелика и соблюдается равенство 0,9 < ТОКР / ТПОВ <1,1, данный случай можно свести к граничным условиям третьего рода

, (3.17)

где Л – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/(м2С),

,

где О = 5,6710-8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана - Больцмана; – степень черноты тела, зависящая от природы тела, его температуры и состояния поверхности (определяется опытным путем 0,01 < < 0,99).

Четвертый способ задания граничных условий представляет собой случай, когда между твердым телом и жидкостью происходит теплообмен путем теплопроводности, что имеет место при малых скоростях течения жидкости

. (3.18)

Условие, заданное таким образом, называют граничным условием четвертого рода.

Наиболее распространенными для исследования процессов тепло-массообмена в ограждающих строительных конструкциях являются граничные условия третьего рода, которые характеризуют конвективный теплообмен и могут быть применены в более сложных случаях теплообмена, когда теплота на поверхности тела передается путем конвекции, радиации и кондукции. Они также используются при приведении граничных условий к некоторой условной поверхности, когда приведенное внешнее термическое сопротивление включает в себя, помимо собственного внешнего термического сопротивления, термические сопротивления элементов конструкции, а также учитывает изменение поверхностного теплообмена. Реже применяются граничные условия первого и четвертого рода. Граничные условия второго рода в основном используются, когда поверхность теплоизолирована или является осью симметрии температурного поля. В этом случае уравнение (3.12) имеет вид qП = 0 или .

Таким образом, исследование теплового состояния любых конструк­тивных элементов в общем случае связано с необходимостью решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье. Если по известному уравнению процесса (3.9) и краевым условиям (3.11) - (3.13), (3.18) определяется температурное поле объекта, т.е. устанавливаются причинно-следственные связи, то решается прямая задача теплопроводности. Определение условий однозначности или уточнение самой математической модели явления (включающей в себя уравнения процесса и краевые условия) по имеющимся данным о температурном поле объекта, т.е. восстановление причинных характеристик, составляет предмет обратных задач теплопроводности. Процедура оценивания, нахождения неизвестных характеристик (параметров) для установленного вида тепловой модели получила название “идентификации”.

Как уже отмечалось, различают два режима распространения тепла в теле: стационарный – T/ = 0 и нестационарный. На практике наиболее часто встречаются процессы нагрева (охлаждения) в условиях нестационарных режимов. Так, в регенеративных теплообменниках греющей средой сначала нагревается теплоемкая насадка, которая затем отдает тепло нагреваемой среде. В качестве наглядного примера можно рассмотреть применение принципа регенерации в отопительных комнатных печах: в то время, когда они топятся, разогревается кладка, а после закрытия трубы, тепло последней постепенно распространяется по помещению, где установлена печь.


^ Теплопроводность при стационарном режиме

Плоская стенка (толщиной с температурами стенок ТС1 и ТС2; Т / y = =T / z = 0). Из уравнения Фурье для установившегося режима Т /  =
= Т2 / x2 = 0 получаем T / x = С1. Следовательно

Т = С1 x + C2, (3.19)

где С1, C2 – постоянные интегрирования.

Из (3.19) вытекает, что в плоской стенке без внутренних источников теплоты температура распределяется по линейному закону.

Определив значения постоянных при (x = 0 и x = ) и подставив их в уравнение (3.19), найдем значение температуры в любой точке по толщине () стенки

. (3.20)

Тогда тепловой поток для единичной поверхности (1м2) будет равен

. (3.21)

Если задан удельный поток q, воздействующий на стенку, то значение температуры в каждой ее точке по координате равно



а общее количество теплоты, проходящее через стенку толщиной и площадью S за время ,

.

Закон Фурье можно записать в форме аналогичной закону Ома в
электротехнике, введя понятие о термическом сопротивлении стенки R,
2 К)/Вт

(3.22)

Для многослойной стенки, состоящей из n слоев, термическое сопротивление будет равно сумме сопротивлений отдельных слоев

(3.23)

и удельный тепловой поток можно определить по формуле

. (3.24)

Таким образом, распределение температуры внутри многослойной стенки изображается ломаной прямой линией, причем температурный перепад для каждого слоя I пропорционален термическому сопротивлению .

^ Цилиндрическая стенка. В промышленности строительных материалов, при обеспечении потребностей коммунального хозяйства и т.д. часто встречаются теплообменные устройства и элементы теплотехнического оборудования, имеющие трубчатую форму с цилиндрическими стенками.

Рассмотрим бесконечный цилиндр (l >> ^ D) с наружным и внутренним диаметром соответственно DН, DВН, толщиной стенки ; t1, t2 – температура внутренней и внешней поверхностей (t1 > t2).

В этом случае действуют те же закономерности переноса тепла, что и в случае плоской стенки, но площадь стенки F для каждого слоя по толщине  будет различна F = (DВ +2x)  l (l – длина трубы, x – толщина слоя).

Для элементарного слоя dx, исходя из уравнения Фурье, количество тепла будет равно или . Тогда перепад температур определяется как

.

Откуда

. (3.25)

Если – термическое сопротивление трубы, то .

Изменение температуры по толщине цилиндрической стенки

. (3.26)

Плотность теплового потока

. (3.27)

Для многослойной цилиндрической стенки

. (3.28)


Теплопроводность при нестационарном режиме

Нестационарные процессы теплопроводности сопровождаются изменением во времени температуры, внутренней энергии и энтальпии вещества и наблюдаются при нагревании (охлаждении). Задачи нестационарной теплопроводности решаются как точными аналитическими (в основном, одномерные задачи для тел классической формы – пластины, цилиндра, шара), так и приближенными численными методами (в первую очередь, при решении многомерных задач с переменными значениями , с, и зависимостью qV от координат и времени, переменными и нелинейными граничными условиями, когда точные аналитические методы оказываются неприемлемыми). Особенно эффективными эти методы стали в связи с развитием и применением электронно-вычислительной техники (цифровой, аналоговой, аналого-цифровой).

Плоская стенка. Рассмотрим распределение температуры в процессе охлаждения (нагревания) неограниченной плоской пластины (стенки) толщиной 2, помещенной в среду с постоянной температурой ТСР, рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Распределение температуры в процессе охлаждения (нагревания)
неограниченной плоской пластины


Метод разделения переменных (аналитический метод Фурье).

При постоянных физических свойствах тела и qV = 0 уравнение (3.9) принимает вид

, (3.29)

где – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в теле, – дифференциальный оператор – мера отклонения температуры в данной точке от средней температуры в ее окрестности.

Для решения уравнения (3.29) в наиболее общем виде вводятся безразмерные переменные: время (через комплекс Фурье) ; температура и координаты , , (для трехмерного случая). Здесь Т1 – температура тела в начальный момент времени;  - характерный размер тела. Поскольку



а следовательно



уравнение (3.29) в новых переменных примет вид

(3.30)

Метод разделения переменных заключается в подборе частных решений, удовлетворяющих уравнению (3.30) и граничным условиям. Линейная комбинация этих решений должна отвечать начальным условиям. Решение исходных уравнений представляется в виде произведения двух новых неизвестных функций, одна из которых = f(), а другая = f(x, y, z). Подставляя эти функции в (3.30), получим = 2 , или после разделения переменных

. (3.31)

Так как  / зависит только от времени, а 2 / – только от координат, равенство (3.31) возможно лишь при условии / = 2 / = const. Обозначив пока неизвестную константу (– 2), получим два обыкновенных дифференциальных уравнения

, (3.32)

. (3.33)

Вернемся к нашему примеру. В рассматриваемом одномерном случае при исходное уравнение теплопроводности (3.31) можно представить как

, (3.34)

где ; начало координат помещено в центральной плоскости пластины.

В начальный момент времени температура пластины T1= const. Интенсивность теплообмена на ее границах определяется граничными условиями третьего рода (коэффициентом теплоотдачи  и температурой среды ТСР), которые в безразмерном виде имеют вид

, (3.35)

где – безразмерный комплекс Био; – безразмерная температура стенки.

Начальные условия при FО = 0 ( = 0). Поскольку для одномерной задачи , решения уравнений (3.32, 3.33) могут быть представлены в форме и .

Ввиду симметрии граничных и начальных условий , , С2 = 0 и . Подставив значения и в (3.35), получим уравнение для определения константы в виде Bi  cos = Bi  sin (i = 1, 2, 3, ...., ) или сtgi = i / Bi. Каждый корень i этого уравнения соответствует частному решению уравнения (3.34), поэтому общее решение имеет вид суммы

. (3.36)

В соответствии с начальными условиями (при Fo = 0 ) . Умножив обе части этого равенства на и проинтегрировав в пределах от –1 до +1

. (3.37)

С учетом свойств системы ортогональных функций все слагаемые уравнения (3.37) при i = j можно представить в виде

.

Каждому значению I соответствует определенное значение константы интегрирования СI. Для определения значений I и СI существуют таблицы.

Анализ результатов решения показывает, что для расчета значений достаточно ограничиться шестью членами ряда. Из полученного решения следует, что при Bi < 0 температура поверхности и середины пластины практически одинакова при всех Fo. При Bi > 100 можно считать, что TСТTСР.

Температуры поверхностей и середины пластины могут быть также найдены с помощью имеющихся номограмм, на которых приведены зависимости СТ и О от безразмерного критерия времени при различных значениях (О – безразмерная температура середины пластины).

Для вычисления температур в пластине по формуле (3.36) на ЭВМ можно воспользоваться следующей программой на языке ФОРТРАН

^ DIMENSION A(6), B(6), TX(6), A1(6), B1(6)

1FORMAT (5F13, 6/4E13.5,14)

READ (1,1) TF, TN, T, DT, BT, TP, RO, TE, AL, K

WRITE (3,1) TF, TN, T, DT, BT, TP, RO, TE, AL, K

2FORMAT (F13.6)

AK=TP/(TE*RO)

PI=3.1415926

EPS=0.0001

BI=AL*BT/TP

DO8 J=1,6

B1(J)=PI*(J-1)+0.001

A1(J)=PI*0.5*(2*J-1)

D=B1(J)

E=A1(J)

10 FA=BI*cos(D)/sin(D)-D

FB=BI*cos(E)/sin(E)-E

DFA=-BI/sin(D)**2-1

D=D-FA/DFA

E=(E-(E)D)/(FB-FA)*FB

IF(E-D-EPS)12,12,10

12B(J)=(D+E)*0.5

8A(J)=2*sin(B(J))/(B(J)+sin(B(J)*cos(B(J))

^ WRITE (3,2) (A(J),J=1,6), (B(J),J=1,6)

5 DO3 I=1,K

F=-(AK/(BT**2))*T

X=0.

DO6 L=1,11

C=0.

DO4 J=1,6

4C=C+A(J)*cos(B(J)*X)*EXP((B(J)**2)*F)

TX(L)=TP-(TF-TN*C)

6X=X+0.1

WRITE (3,7) T?, (TX(L),L=1,11)

^ 7FORMAT (1X,T= F5,1,5X/(15X,11(F15.7,2X)))

3T=T+DT

STOP

END


В программе ТСР, Т1, , , x/, , с, и обозначены соответственно через TF, TN, T, BT, X, TP, RO, TE, AL. Температура в пластине, соответствующая заданным в программе значениям x/ (0; 0,1; 0,2; 0,3; ;1) обозначена через TX(L), где L = 1, 2, 3, .....11 – параметр пространственного цикла; в программе К – общее число моментов времени , для которых вычисляются температуры TX(L):

1) для = Т (I = 1), заданного в исходных данных;

2) для = Т +DT (I = 2), заданного в исходных данных;

...........................................................................................

K) для = Т + (K – 1)DT(I = K).

Здесь DT – заданный шаг по времени; I – параметр временного цикла.

Константы I и СI обозначены соответственно через A(J) и B(J), где J – номер члена ряда 1  J  6. В процессе выполнения программы значения I (для i = 1, 2, 3,...,6) вычисляются путем решения уравнения сtgI = I / Bi, а значения СI находятся по приведенной выше формуле.




Схожі:

Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconПути снижения техногенной нагрузки на окружающую природную среду при открытой разработке месторождений

Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа icon1 объясните появление участка с квадратичной зависимостью
В таблице приведены некоторые точки, лежащие на этих линиях. Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconВлияние макроэкономической политики на окружающую среду Макроэкономика
Макроэкономика – наука, изучающая экономические процессы на общественном уровне (мировом, государственном, отраслевом)
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconБелогуров Ю. Н. Реферат: Экологическая оценка выбросов двс транспортных средств
Оценка техногенных выбросов в атмосферу и доли в них различных источников загрязнения является одним из важнейших этапов организации...
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconИсследование подвижности тяжелых металлов в грунтах ландшафтов в районе отвалов фосфогипса
Илетия возникли существенные изменения в химическом составе различных природных экосистем, что стало причиной для более широкого...
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconМетодическая разработка по подготовке и работе на лабораторном занятии №46 для студентов медицинского факультета Тема: Основы санитарной микробиологии и вирусологии. Санитарно-микробиологическое исследование воды, почвы, воздуха
Актуальность темы состоит в том, что патогенные микроорганизмы, которые находятся в организме больных или носителей, попадают в окружающую...
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconИндивидуальное задание по курсу: Альтернативные источники энергии На тему: Возобновляемые источники энергии гидроэнергетика
Одна ко если мы будем заботиться о рыбе и делать специальные рыбопропускные устройства в плотинах, можно исключить этот недостаток....
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconНаучно-технологический потенциал страны как фактор, определяющий ее экономическую безопасность в условиях глобализации
Ира является быстро прогрессирующая глобализация, затрагивающая самые разные аспекты нашей жизни: экономику, политику, культуру,...
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconПовідомлення удк 502. 131. 1: 502. 15: 504. 12 Д. В. Горобченко 1 Влияние экологической эффективности и основных факторов производства на экологический ущерб
Определяется влияние основных факторов производства и экологической эффективности производства на экологический ущерб от негативного...
Ся в окружающую среду. В тепловом насосе работа iconЗаседание состоится 19 июня, в среду, в 16. 00 в Ореховой гостинной Одесского Дома ученых по адресу: с абанеев мост, 4
Очередное заседание состоится 19 июня, в среду, в 16. 00 в Ореховой гостинной Одесского Дома ученых по адресу
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи