Теплопередача вода или пар

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Источник

Теплопередача вода или пар

Вода — однородное химическое соединение, молекула которой состоит из трех атомов, принадлежащих двум химическим элементам — водороду и кислороду. Вода является прекрасным растворителем, поэтому все природные воды представляют собой растворы, содержащие разнообразные вещества — соли, газы.

Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили наибольшее применение в промышленности. Это объясняется широким распространением воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками.

Так, теплоемкость воды выше теплоемкости многих других жидкостей и твердых тел и в пределах от 0 до 100 °С при атмосферном давлении она равна 4,19 кДж/(кг- К), или 4,19 кДж/(кг °С). Теплопроводность воды Вт/(м-К), в отличие от теплопроводности других жидких и твердых тел с повышением температуры до 120. 140°С увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры — уменьшается. Плотность воды изменяется с температурой. Наибольшей плотностью вода обладает при 4 °С.

Процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное (пар) называется испарением, а из газообразного в жидкое — конденсацией. Превращение воды в пар может протекать как при испарении, так и при кипении. Испарение — это процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. При испарении молекулы воды отрываются от поверхности жидкости, имея относительно большие скорости. Вследствие этого средняя скорость движения молекул в массе воды уменьшается и температура жидкости понижается.

При подводе теплоты в процессе нагревания температура жидкости и интенсивность ее испарения увеличиваются, и при определенных температуре и давлении жидкость закипает.

Кипение — это процесс интенсивного парообразования во всей массе жидкости, который получает развитие при ее нагревании, т.е. подводе к системе определенного количества теплоты. При атмосферном давлении температура кипения составляет приблизительно 100 °С. С повышением давления температура кипения возрастает и, наоборот, в условиях пониженного давления (высоко в горах) температура кипения снижается.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования г. С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается (табл. 1.1).

Ранее было отмечено, что конденсация — это процесс превращения пара в жидкость, называемую конденсатом.

Таблица 1.1 Свойства воды и сухого насыщенного пара

Источник

Чем паровое отопление отличается от водяного?

Обойтись без отопления в средних и северных широтах невозможно. И если в многоэтажных домах проблему обогрева жилых помещений решают централизованно, то владельцы частных домов выбирают вариант, позволяющий поддерживать комфортную температуру в помещении, самостоятельно.

Различия между паровым и водяным отоплением

Отопительные системы различают по нескольким категориям. Одной из них является теплоноситель, который используется при эксплуатации. Ошибка большинства кроется в том, что люди путают водяное и паровое отопление. Причина в том, что в обоих случаях система состоит из труб, котла, радиаторов, а в качестве отправного теплоносителя используется вода.

Принцип работы у обеих систем идентичный. В котле производится нагрев воды. Теплоноситель двигается по трубам, отдавая температуру окружающей среде. Затем остывшая вода возвращается в точку отправления, и цикл повторяется.

Но разница между системами есть, она в теплоносителе. При работе водяного отопления по трубам циркулирует вода. А в паровом используется теплоноситель в газообразном состоянии. Поэтому задача последнего не нагреть воду и разогнать ее по помещениям при помощи труб. Здесь требуется превратить воду в пар.

В результате необходимы большие мощности, что увеличивает затраты на нагрев. Кроме того, требования к надежности и прочности материалов, из которых изготовлены компоненты системы, а также риски при эксплуатации парового отопления выше. Последствия поломок и неисправности могут нанести сильный урон хозяину жилища.

Элементы системы

Поскольку пар циркулирующий нагревается до +130. +200ºC, нельзя пренебрегать требованиями к качеству материалов изготовления компонентов цепи.

Котел

Парогенератор — отправная точка всей системы.

Паровые котлы различаются по потребляемому топливу. Различают парогенераторы:

жидкотопливные;
твердотопливные;
газовые;
комбинированные.

Источник

Общий коэффициент теплопередачи

Содержание:

Общий коэффициент теплопередачи (величина U) показывает, насколько хорошо тепло проходит через различные устойчивые вещества. Он измеряется в Вт/(м 2 °C).

Пар или горячая вода?

В данной статье речь пойдет о том, как рассчитать и сравнить коэффициент теплопередачи пара и горячей воды посредством различных типов рабочей среды, в т.ч. с учетом пленочного коэффициента и характеристик самого стенового материала.

На общий коэффициент теплопередачи влияет толщина и теплопроводность рабочей среды, передающей тепло. Чем больше коэффициент, тем легче тепло передается от источника к нагреваемому продукту. В теплообменнике связь между общим коэффициентом теплопередачи (U) и количеством теплоты (Q) может быть определена следующим уравнением,

Q = количество теплоты, Вт = Дж
А = поверхность теплообмена, м 2
U = общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 °C)
ΔT_LM = средняя логарифмическая разница температур, ° C [°F]

Из этого уравнения следует, что значение U прямо пропорционально Q, скорости теплообмена. Допустим, что поверхность теплопередачи и разница температур остаются неизменными, тогда чем больше значение U, тем больше будет скорость теплопередачи. Другими словами, для определенного теплообменника и продукта большой коэффициент теплопередачи сократит время запуска и увеличит эффективность работы и прибыль.

Расчет величины U

Для определения значения U используется множество уравнений, вот одно из них:

h = коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м 2 °C)
L = толщина стенки, м [фут]
λ = теплопроводность, Вт/(м°С)

Теплопередача через металлическую стенку

При подогреве воды, например, теплопередача проходит из жидкости 1 (источник тепла) к жидкости 2 (вода, нагреваемый продукт) через проводящее твердое вещество (металлическую стенку). Но нельзя забывать и о сопротивлении пленки. Именно поэтому коэффициент конвективного теплообмена (h), иногда называемый пленочным коэффициентом, учитывается при расчете теплообмена между жидкостью и проводящей стенкой.

Кроме того, в некоторых уникальных производственных процессах, как в технологическом нагреве, применяемом в биотехнологии или в фармацевтике, передача тепла может проходить через несколько слоев стенок. Для таких случаев приведенное выше уравнение можно адаптировать, включив в него каждый слой толщины твердого тела (L), разделенный на его теплопроводность (λ).

Чтобы упростить приведенные ниже типовые вычисления, следующие значения могут использоваться в качестве примера для коэффициентов конвективного теплообмена:

Текучая среда	Коэффициент конвективного теплообмена (h)
Вода	около 1000 Вт/(м 2 °C)
Горячая вода	1000 — 6000 Вт/(м 2 °C)
Пар	6000 — 15000 Вт/(м 2 °C)

Пример для сравнения влияния на величину U различных источников тепла, пара или горячей воды

Для подогрева воды используются два паровых котла из углеродистой стали (λ = 50 Вт/(м°C)) со внутренней толщиной стенки 15 мм. Предположим, что коэффициент теплопередачи подогреваемой воды — 1000 Вт/м 2 °C, горячей воды — 3000 Вт/м 2 °C и пара — 10000Вт/м 2 °C, а теперь рассчитаем значение U для обоих процессов нагревания.

Паровой котел из углеродистой стали — Сравнение источников тепла: пара и горячей воды

Горячая вода:

Пар:

В этом случае пар обеспечивает расчетное улучшение значения U на 17%.

Теперь представьте, что теплопроводящая стенка котла также облицована слоем стеклоэмали толщиной 1 мм [0.0033 фт] (λ = 0.9 Вт/(м °C)). Включение этих значений в вышеприведенное уравнение для расчета величины U дает следующие результаты:

Стеклоэмалированный паровой котел — Сравнение источников тепла: пара и горячей воды

Горячая вода:

Пар:

В данном случае при дополнительном сопротивлении проводимости значение U также увеличится, но только на 9%. Этот пример демонстрирует, как плохой тепловой проводник, такой как стекло, может сильно мешать теплопередаче.

Так, для некоторого теплообменного оборудования, как для котла из углеродистой стали, изменение источника тепла с горячей воды на пар может потенциально улучшить значение U и существенно повысить теплопередачу, если материал стенки будет обладать высокой теплопроводимостью. Однако, такого потрясающего эффекта достичь не удастся при использовании теплообменника с несколькими слоями стенок, не обладающими высокой теплопроводимостью (напр. котла со стеклоэмалью).

Тем не менее в некоторых процессах для предотвращения взаимодействия с продуктом как раз и потребуются особые стеклоэмалированные стенки.

Другие факторы

Загрязнение

Загрязнение поверхности материала стенки может представлять собой дополнительный барьер для теплопередачи. Эта проблема возникает по многим причинам: как из-за нагревательной среды, так и из-за продукта. Другими факторами могут стать отложения частиц на источнике нагрева и чрезмерно высокая или низкая температура продукта.

Например, давление пара иногда повышают для того, чтобы при его помощи протолкнуть конденсат через выпускной регулирующий клапан на уровне бака. Однако с увеличением давления внутри теплообменника температура пара также возрастает, и это избыточное тепло может вызвать повышенное загрязнение продукта. И наоборот, если конденсат накапливается в оборудовании, загрязнение может быть вызвано частицами, попавшими на источник нагрева именно с ним. А загрязнение продукта может быть спровоцировано более низкими температурами, из-за которых он прилипает к поверхности при несоблюдении требуемого уровня вязкости.

Загрязнение можно добавить к данному уравнению, включив сюда отношение толщины его слоя (L_F) к его проводимости (λ_F) как и в нашем примере со стеклоэмалью. Как правило, фактор загрязнения учитывается для теплообменников, которые уже были в эксплуатации. Обычно, расчеты, где сравнивается снижение показателей величины U, используются для новых и уже находящихся в эксплуатации теплообменников.

Источник