ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Steam, его создание и использование от Babcock & Компания Wilcox входит в серию книг HackerNoon. Вы можете перейти к любой главе этой книги здесь. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Скорость передачи тепла от горячего газа к более холодной металлической поверхности, по которой течет газ, была предметом большого количества исследований как с экспериментальной, так и с теоретической стороны. Более или менее полное объяснение этого процесса необходимо для детального анализа работы паровых котлов. Такая информация в настоящее время почти полностью отсутствует, и по этой причине котел как физический аппарат еще не так хорошо изучен, как мог бы быть. Однако это мало повлияло на его практическое развитие, и вряд ли более полное понимание обсуждаемых явлений окажет какое-либо радикальное влияние на нынешнюю конструкцию.

Количество тепла, передаваемого через любую поверхность, обычно выражается как произведение, одним из факторов которого является наклон или линейная скорость изменения температуры, а другим — количество тепла, передаваемого на единицу разницы температур на единице длины. В аналитической теории теплопроводности Фурье этот второй фактор принимается за константу и называется «проводимостью» вещества. Следуя этой практике, количество тепла, поглощенного любой поверхностью из горячего газа, обычно выражается как произведение разницы температур между газом и поглощающей поверхностью на коэффициент, который обычно называют «скоростью передачи». В трудах даже лучших авторов были значительные разногласия относительно способа измерения разности температур газа. Если температура газа меняется по сечению канала, через который он предположительно течет, а большинство из них, по-видимому, считает, что это так и есть, то существуют две средние температуры газа, одна из которых представляет собой среднее значение фактических температур в любой точке. время по сечению, а другое — среднюю температуру всего объема газа, проходящего через такое сечение в любой данный момент времени. Поскольку скорость потока наверняка будет различаться по сечению, эта вторая средняя температура, которая в большинстве случаев молчаливо предполагается, может существенно отличаться от первой. Две средние температуры примерно равны только тогда, когда фактическая температура, измеренная по сечению, почти постоянна. В дальнейшем будем считать, что речь идет о средней температуре, измеренной вторым способом. В английских единицах разность температур выражается в градусах Фаренгейта, а скорость передачи — в Б.т. ед. в час на квадратный фут поверхности. Пекла, который, по-видимому, был одним из первых, кто рассмотрел этот вопрос аналитически, предположил, что скорость переноса постоянна и не зависит как от разницы температур, так и от скорости газа над поверхностью. Рэнкин, с другой стороны, предположил, что скорость передачи, хотя и не зависит от скорости газа, пропорциональна разнице температур, и выразил общее количество поглощенного тепла как пропорциональное квадрату разницы температур. Ни одно из этих предположений не имеет никаких оснований ни в теории, ни в эксперименте, и они ценны только в том случае, если их использование определяет формулы, соответствующие экспериментальным результатам. Из этих двух предположений предположение Рэнкина, похоже, приводит к формулам, которые более точно отражают реальные условия. Достаточно полно оно было развито Уильямом Кентом в его «Экономике паровых котлов». Профессор Осборн Рейнольдс в короткой статье, перепечатанной в первом томе его «Научных статей», предполагает, что скорость переноса пропорциональна произведению плотности и скорости газа, и следует предположить, что он имел в виду среднее значение скорость, плотность и температура на участке канала, по которому предполагалось течение газа. Вопреки распространенному мнению, профессор Рейнольдс не дал ни достоверного экспериментального, ни теоретического объяснения своей формулы, и предпринятые с момента ее первой публикации попытки установить ее на какой-либо теоретической основе вряд ли могут считаться имеющими научную ценность. Тем не менее, предложение Рейнольдса на самом деле было отправной точкой научного исследования этого предмета, и хотя его формулу ни в каком смысле нельзя считать полностью отражающей факты, она, несомненно, верна в первом приближении для небольших разностей температур, если аддитивная константа который в своей статье он считал незначительным, получает значение. [83]

В последние годы были проведены экспериментальные определения скорости теплообмена в цилиндрических трубках при сравнительно низких температурах и небольших перепадах температур. Результаты при различных скоростях были нанесены на график и определена эмпирическая формула, выражающая скорость переноса с учетом скорости в качестве фактора. Показатель степени скорости, входящий в формулу, согласно Рейнольдсу, будет равен единице. Однако наиболее вероятное значение, полученное в результате большинства экспериментов, делает его меньше единицы. Рассмотрев собственные эксперименты, а также эксперименты других, доктор Вильгельм Нуссельт [84 ] заключает, что данные подтверждают следующие формулы:

Если за единицу времени скорости взять час, а вместо произведения скорости на плотность написать его эквивалент — вес газа, протекающего за час, деленный на площадь трубки, то это уравнение примет вид: /п>

где величины выражены в упомянутых единицах измерения или, поскольку константы являются абсолютными константами, в английских единицах,

| а | — скорость передачи в Б.т. ты. в час на квадратный фут поверхности на градус разницы температур, | |----|----| | Вт | — вес газа, протекающего через трубку в час, в фунтах, | | А | площадь трубки в квадратных футах, | | д | — диаметр трубки в футах, | | c p | - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, | | λ | — проводимость газа при средней температуре и давлении в Б. т. ты. в час на квадратный фут поверхности на градус Фаренгейта, падение температуры на фут, | | λ w | – проводимость пара при температуре стенки трубки. |

Проводимость воздуха, углекислого газа и перегретого пара в зависимости от температуры в английских единицах равна:

| Проводимость воздуха | .0122 (1 + .00132 Т) | |----|----| | Проводимость углекислого газа | 0,0076 (1 + 0,00229 Т) | | Проводимость перегретого пара | .0119 (1 + .00261 Т) |

где T — температура в градусах Фаренгейта.

Формулы Нуссельта можно считать типичными из ряда других формул, предложенных немецкими, французскими и английскими писателями. [85] Физические свойства, помимо плотности, представлены в форма коэффициентов, основанная на учете физических размеров различных агрегатов и теоретических формул, которые, как предполагается, управляют потоком газа и передачей тепла. Все предполагают, что правильным методом представления скорости теплопередачи является использование одного члена, что представляется необоснованным и, вероятно, было принято из-за удобства обработки результатов путем их логарифмического построения. Именно этот метод профессор Рейнольдс использовал при определении своего уравнения потери напора в жидкостях, протекающих по цилиндрическим трубам, и теперь известно, что полученное уравнение нельзя рассматривать как нечто большее, чем эмпирическую формулу. Поэтому каждому, кто задумывается над этой темой, полезно с самого начала понять, что обсуждаемые формулы носят лишь эмпирический характер и применимы к ограниченным диапазонам температур в условиях, примерно таких же, как и в экспериментах, в которых были получены константы формула была определена.

Маловероятно, что вопрос теплопередачи в котлах когда-либо будет находиться на какой-либо иной основе, кроме экспериментальной, до тех пор, пока не будет найдено математическое выражение, связывающее количество жидкости, которая будет течь через канал любого сечения под данным напором, и некоторое объяснение. его вывода получено. Взяв простейшее сечение, а именно круг, обнаруживается, что при малых скоростях потеря напора прямо пропорциональна скорости и жидкость течет по прямым линиям тока или движение прямое. Это движение находится в точном соответствии с теоретическими уравнениями движения вязкой жидкости и представляет собой почти прямое доказательство правильности основных предположений, на которых основаны эти уравнения. Однако когда скорость превышает значение, определяемое для трубы любого размера, прямое движение или движение по линии тока нарушается и заменяется вихревым или перемешивающим потоком. В этом потоке потеря напора из-за трения примерно, хотя и не точно, пропорциональна квадрату скорости. Никакого объяснения этому так и не было найдено, несмотря на то, что эта тема уже много лет назад рассматривалась лучшими математиками и физиками. Следует предположить, что скорость передачи тепла во время смешивающего потока будет намного выше, чем при прямом или прямоточном потоке, и профессора Крокер и Клемент [86] продемонстрировали, что это правда, причем увеличение переноса было настолько заметным, что позволило им определить точку критической скорости, наблюдая за повышение температуры воды, протекающей по трубке, окруженной паровой рубашкой.

Приведенные формулы применимы только к потоку смешения, и, поскольку, как только что было сказано, эта форма движения не существует от нулевой скорости вверх, отсюда следует, что любое выражение для скорости теплопередачи, которое сделало бы ее значение равным нулю, когда скорость равна нулю, это вряд ли может быть правильным. Скорость передачи ниже критической, по-видимому, мало зависит от изменения скорости и Нуссельта, [87] в другой статье, в которой математически рассматривается прямой поток или поток по линии тока, приходит к выводу, что, хотя скорость примерно постоянна в прямой цилиндрической трубе, она будет меняться от точки к точке трубка, которая растет меньше по мере увеличения пройденной поверхности.

Следует далее отметить, что ни в одной из этих экспериментальных работ не учитывалось излучение тепла газом. Поскольку обычные газы поглощают очень мало лучистого тепла при обычных температурах, предполагалось, что они излучают очень мало при любой температуре. Это может быть правдой, а может и нет, но видимое пламя должно не только поглощать тепло, но и излучать его. Однако такое излучение может возникнуть, поскольку оно будет объемным, а не поверхностным явлением, и его следует рассматривать несколько иначе, чем обычное излучение. Это можно было бы применить как увеличение проводимости газа, которая, хотя и не зависит от излучения, как известно, увеличивается с температурой. Поэтому следует ожидать, что при высоких температурах скорость переноса будет выше, чем при низких температурах. Экспериментальные определения скорости переноса при высоких температурах отсутствуют.

Хотя сравнительно ничего не известно о тепловом излучении газов при высоких температурах, не подлежит сомнению, что большая часть поглощенного котлом тепла поступает непосредственно в виде излучения из печи. Эксперименты показывают, что нижний ряд трубок Babcock & Котел Wilcox поглощает тепло со средней скоростью на квадратный фут поверхности между первой перегородкой и передними коллекторами, что эквивалентно испарению от 50 до 75 фунтов воды при температуре 212 градусов по Фаренгейту и при температуре 212 градусов по Фаренгейту в час. Поскольку в этих экспериментах нельзя было провести разделение между теплом, поглощенным нижней частью трубки, и теплом, поглощенным верхней частью, среднее значение включает в себя как максимальные, так и минимальные скорости для этих конкретных трубок, и справедливо предположить, что часть трубки, фактически подвергающиеся воздействию излучения печи, поглощают тепло с большей скоростью. Часть этого тепла, конечно, поглощалась при непосредственном контакте горячих газов с поверхностью нагрева котла. Однако большая часть этого, должно быть, произошла из-за радиации. Пришло ли это лучистое тепло от поверхности огня и кирпичной кладки и прошло через газы в печи практически без поглощения или, с другой стороны, излучение было поглощено печными газами, и тепло, полученное котлом, было вторичное излучение от самих газов и со скоростью, соответствующей реальной температуре газа, - под вопросом. Если излучение прямое, то термин «температура печи», как его обычно употребляют, не имеет научного смысла, ибо очевидно, что температура газа в печи совершенно отличалась бы от температуры излучения, даже если бы можно было придать какое-либо значение термин «температура излучения», и это невозможно сделать, если только излучение не является так называемым «полным излучением» от так называемого «черного тела». Если излучение печи происходит таким образом, то показания пирометра, помещенного в печь, трудно интерпретировать, и такие измерения температуры могут иметь мало значения. Если печные газы поглощают излучение огня и кирпичной кладки боковых стенок и, в свою очередь, излучают тепло на поверхность котла, то с научной точки зрения правильно предположить, что фактическая или ощутимая температура газа будет измеряться пирометром. и количество излучения можно рассчитать по этой температуре по закону Стефана, который заключается в том, что скорость излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, используя константу с результирующей формулой, которая была определена из прямого эксперимента. и другие явления. При таком понимании дела поглощенное котлом излучение можно принять равным излучению, поглощаемому плоской поверхностью, покрывающей часть труб котла, обращенную к печи, и при температуре поверхности труб, когда она полностью подвергается воздействию одна сторона - излучениям атмосферы при температуре в печи. При таком допущении, если S 1 - площадь поверхности, Т - абсолютная температура топочных газов, t - абсолютная температура поверхности труб котла, поглощенное за час тепло измеряется в Б. .т. u. равно

При использовании этой формулы или в любой работе, связанной с теплообменом, внешнюю температуру поверхности нагрева котла можно принять как температуру насыщенного пара при том давлении, при котором работает котел, с почти пренебрежимо малой погрешностью, так как эксперименты показали что при чистой внутренней поверхности внешняя поверхность всего на несколько градусов горячее, чем вода, контактирующая с внутренней поверхностью, даже при самых высоких скоростях испарения. Более того, немыслимо, чтобы в современном котле могла быть большая разница в температуре котла в разных его частях или большая разница между температурой воды и температурой пара в барабанах, находящегося в котле. свяжитесь с ним.

Если общее испарение котла измеряется в Б. т. ед. в час обозначается Е, температура печи - Т 1 , температура газа на выходе из котла - Т 2 , масса газа, выходящего из печи и проходящего через установку в час, - Вт, удельная теплоемкость газа на С, следует из того, что общее количество поглощенного тепла равно теплу, полученному от излучения плюс тепло, отведенное от газов при охлаждении от температуры Т 1 до температуры Т 2 , что

Эту формулу можно использовать для расчета температуры печи, когда известны E, t и T 2, но следует помнить, что при ее использовании подразумевается допущение, которое, вероятно, по крайней мере частично, неверно или при использовании любой подобной формулы. Однако, выраженный таким образом, он кажется более рациональным, чем тот, который предложил несколько лет назад доктор Николсон [88] где вместо поверхности, подвергающейся воздействию радиации, он использует поверхность колосниковой решетки и принимает температуру печного газа равной температуре горения.

Если принять скорость теплопередачи независимой от температуры газа и приравнять тепло, поглощенное элементом поверхности за данное время, к теплу, отдаваемому от газа, проходящего над этой поверхностью за то же время, то однократное интегрирование дает

где s — площадь поверхности, по которой газы проходят из печи в любую точку, где измеряется температура газа T, а скорость теплопередачи равна R. Как написано, эту формулу можно использовать для расчета температуры газа в любой точке настройки котла. Однако на температуру газа, рассчитанную таким образом, не следует полагаться, поскольку известно, что скорость переноса не зависит от температуры. Опять же, если предположить, что скорость переноса напрямую зависит от веса проходящих газов, что является предложением Рейнольдса, то видно, что вес газов полностью исчезает из формулы и, как следствие, если формула была правильной, как Пока температура газа, поступающего на поверхность из печи, была одинаковой, температуры на протяжении всей установки будут одинаковыми. Известно, что это также неверно. Однако если вместо Т написать Т 2 и вместо s написать S, вся поверхность котла, и формула перестроится, то получится:

Эту формулу можно рассматривать как способ расчета средней скорости передачи. Таким образом, он использовался для расчета средней скорости передачи по результатам испытаний котлов, в которых производительность варьировалась от испарения чуть более 3 фунтов на квадратный фут поверхности до 15 фунтов. При построении графика зависимости от газовых весов было обнаружено, что точки почти точно лежат на одной линии. Эта линия, однако, не проходила через нулевую точку, а начиналась в точке, соответствующей скорости передачи, приблизительно равной 2. Проверено многими другими тестами, закон прямой линии, по-видимому, в целом выполняется, и это верно, даже несмотря на существенные изменения. выполнено методом расчета температуры печи. Однако наклон трубопровода изменялся обратно пропорционально средней площади прохождения газа через котел. Если А — средняя площадь между всеми проходами котла, то скорость теплопередачи в Babcock & Котлы типа Вилкокс с обычными чистыми поверхностями можно с достаточно близким приближением определить по формуле:

Способ появления А в этой формуле такой же, как и в любой формуле, в которой скорость теплопередачи принимается как зависящая от произведения скорости и плотности газа вместе, поскольку это произведение, как указывалось, выше, эквивалентно W/A. Эксперименты Нуссельта, как и эксперименты других, показывают, что это соотношение проявляется правильным образом.

Хотя основные принципы, на основе которых была определена формула для этой средней скорости переноса, сомнительны и в лучшем случае верны лишь приблизительно, из этого, тем не менее, следует, что, если предположить, что скорость переноса определена экспериментально, формулу можно использовать обратным образом для расчета количества поверхность, необходимая в котле для охлаждения газов в диапазоне температур, охватываемом экспериментами, и было обнаружено, что результаты подтверждают это предположение. Практическое применение теории теплопередачи в ее нынешнем виде, по-видимому, основывается, следовательно, на этих двух последних формулах, которые по своей природе являются более или менее эмпирическими.

Благодаря диапазону производства пара, встречающемуся в котлах, находящихся в настоящее время в эксплуатации, который в морских котлах простирается до среднего испарения от 12 до 15 фунтов воды при температуре 212 градусов по Фаренгейту на квадратный фут поверхности, константа 2 в приблизительном формула средней скорости теплоотдачи составляет довольно большую долю от общего объема. Сравнительное увеличение скорости переноса вследствие изменения массы газов, следовательно, не так велико, как было бы, если бы эта константа была равна нулю. По этой причине при одинаковой температуре газов, поступающих на поверхность котла, будет происходить постепенное повышение температуры газов, выходящих с поверхности, по мере увеличения скорости или веса потока и доли тепла, содержащегося в поступающих газах. котел, поглощенный им, постепенно уменьшается. Конечно, возможно, что вес газов можно увеличить до такой величины или уменьшить площадь их прохождения через котел за счет дополнительных перегородок до тех пор, пока постоянный член в формуле теплопередачи не станет относительно неважным. В таких условиях, как указывалось ранее, дальнейшее увеличение скорости потока не будет влиять на конечную температуру газа, а доля тепла, переносимая газами, отводимыми котлом, будет постоянной. Реальные испытания котлов-утилизаторов, в которых масса газа на квадратный фут площади проходного сечения во много раз больше, чем в обычных установках, показывают, однако, что это условие не достигнуто и, вероятно, никогда не будет достигнуто ни в какой практической практике. монтаж. Именно по этой причине выводы доктора Николсона в упомянутой статье и господ Крейзингера и Рэя в брошюре «Передача тепла в паровые котлы», опубликованной Министерством внутренних дел в 1912 году, неприменимы. без изменения конструкции котла.

В пароперегревателях передача тепла осуществляется в два этапа; первая передача происходит от горячего газа к металлу трубы перегревателя, а вторая передача происходит от металла трубы к пару внутри. Теоретически существует промежуточный этап передачи тепла от внешней поверхности трубки к внутренней. Однако проводимость стали достаточна для того, чтобы поддерживать температуры двух сторон трубки почти равными друг другу, так что эффектом переноса в самой трубке можно пренебречь. Переход от горячего газа к металлу трубы происходит так же, как и в собственно котельных трубах, с учетом температуры трубы, которая увеличивается по мере нагревания пара. Передача тепла от внутренней поверхности трубки к пару является обратным процессу передачи тепла снаружи и, по-видимому, подчиняется тем же законам. Следовательно, скорость передачи будет увеличиваться вместе со скоростью пара через трубку. По этой причине в пароперегревателях довольно часто используются внутренние сердечники, что фактически приводит к увеличению количества перегрева, получаемого с данной поверхности. Средняя скорость передачи в пароперегревателях, основанная на разнице средней температуры между газом снаружи труб и паром внутри труб, равна: R — скорость передачи от газа к трубе и r< /em> скорость из трубки в пар:

и всегда меньше, чем R или r . Эта скорость обычно превышает среднюю скорость передачи для котла, рассчитанную способом, описанным в предыдущих параграфах. Поскольку, однако, пар не может ни при каком воображаемом наборе условий забрать из трубы больше тепла, чем вода при той же средней температуре, этот факт подтверждает утверждение, что фактическая скорость передачи в котле должна довольно быстро увеличиваться с ростом температуры. температуры. На фактическую скорость теплопередачи в пароперегревателях влияет так много условий, что до сих пор не удалось разработать какую-либо формулу, имеющую практическое значение.

О книжной серии HackerNoon: мы предлагаем вам наиболее важные технические, научные и познавательные книги, являющиеся общественным достоянием.

Эта книга является общественным достоянием. Бэбкок и amp; Компания Уилкокс (2007). Steam, его создание и использование. Урбана, Иллинойс: Проект Гутенберг. Получено https://www.gutenberg.org/cache/epub/22657/pg22657-images.html.

Эта электронная книга предназначена для использования кем угодно и где угодно, бесплатно и практически без каких-либо ограничений. Вы можете скопировать ее, отдать или повторно использовать в соответствии с условиями лицензии Project Gutenberg, включенной в данную электронную книгу или на сайте www.gutenberg.org< /a>, расположенный по адресу https://www.gutenberg.org/policy/license.html.. эм>