РАЗДЕЛ 2. Теплопередача

ТЕМА 2.1. Теплопроводность при стационарном режиме.

Основные понятия и определения. Закон теплопроводности Фурье и коэффициент теплопроводности. Определение коэффициента теплопроводности материала. Те­плопроводность однослойной и многослойной плоской стенки. Теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки. Теплопроводность одно­слойной и многослойной сферической (шаровой) стенки. Теплопроводность сте­нок различной формы.

Приступая к изучению теории теплообмена необходимо усвоить механизм и физическую сущность каждого из способов передачи теплоты: теплопроводность (диффузия тепла), конвективный теплоперенос и излучение (радиационный теплоперенос). Обратите внимание на то, что все они одновременно участвуют в процессе теплопереноса, однако при различных условиях роль и значимость каждого из них может существенно изменяться. Так в неподвижных сплошных телах основным механизмом передачи теплоты является теплопроводность. При движении среды возрастает вклад конвекции, а в условиях разряженных газов и высоких температур приоритет переходит к радиационному механизму переноса теплоты.

При рассмотрении первого способа теплопереноса - теплопроводности, обратите внимание на понятие температурного поля, как совокупности значений температуры для каждой точки исследуемого пространства в соответствующий момент времени. Нужно также уяснить понятия градиента температуры, теплового потока и его плотности.

Изучая основной закон теплопроводности (закон Фурье) обратите внимание на то, что в его записи q =-lgrad t минус отражает факт противонаправленности векторов плотности теплового потока и температурного градиента. Здесь необходимо получить представления о численных значениях коэффициента теплопроводности l для различных материалов, как характеристики их способности проводить теплоту.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется температурным полем? Виды температурных полей (стационарное, нестационарное, трехмерное, двухмерное, одномерное).

2. Дать понятие градиента температур. Как направлен градиент температур?

3. Сформулировать закон Фурье и физический смысл коэффициента теплопроводности.

4. Описать особенности теплопроводности различных веществ.

5. Записать дифференциальное уравнение теплопроводности для одно-, двух- и трехмерного стационарного и нестационарного температурных полей.

6. Физический смысл коэффициента температуропроводности.

7. Что считается известным при граничных условиях первого, второго и третьего рода?

8. Для случая постоянного коэффициента теплопроводности вывести уравнение температурного поля плоской однослойной и многослойной стенок.

9. Получите уравнение для определения плотности теплового потока плоской однослойной и многослойной стенок.

10. Представьте характер изменения температуры в плоской стенке.

11. Как определить температуру между слоями стенки?

12. Получите уравнение для определения температурного поля и теплового потока цилиндрической стенки.

13. Как изменяется температура внутри цилиндрической стенки?

14. При каких условиях термическое сопротивление цилиндрической стенки можно определять по уравнениям, полученным для плоской стенки?

15. Вывод уравнения теплопроводности через однослойную плоскую стенку.

16. По какому закону изменяется температура в однослойной плоской стенке?

17. От каких величин зависит тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однослойную плоскую стенку.

18. Вывод уравнения теплопроводности через многослойную плоскую стенку.

19. Уравнение для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_эк плоской стенки, его вывод.

20. Определение температуры между слоями в многослойной плоской стенке.

21. Уравнение температурного поля для цилиндрической стенки.

22. Вывод уравнения теплопроводности через однослойную цилиндрическую стенку.

23. От каких величин зависит теплопроводность однослойной цилиндрической стенки?

24. Каков закон изменения температуры в цилиндрической стенке.

25. Вывод уравнения теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку.

26. Уравнение для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_эк цилиндрической стенки, его вывод.

27. Определение температуры между слоями в многослойной цилиндрической стенке.

28. Вывод уравнения теплопроводности через шаровую стенку.

ТЕМА 2.2. Конвективный теплообмен.

Сущность конвективного теплообмена. Факторы, определяющие его интенсив­ность. Общие положения теории подобия. Применение теории подобия к конвек­тивному теплообмену. Теплоотдача при больших скоростях движения газов.

Основной задачей раздела, посвященного конвективному механизму переноса теплоты движущейся средой (теплоносителем), является изучение методик определения коэффициента теплоотдачи и применения их для практических расчетов. Одной из таких методикявляетсяметодика определения коэффициента теплоотдачи базирующаяся на физическом моделировании и обобщении экспериментальных данных с помощью теории подобия в виде критериальных уравнений теплоотдачи.

Здесь нужно твердо усвоить физический смысл отдельных критериальных чисел подобия, участвующих в описании конвективного переноса теплоты: значением Nu оценивается интенсивность теплоотдачи с поверхности твердого тела в подвижную окружающую среду, критерии Re и Gr характеризуют интенсивность вынужденного и свободного движения теплоносителя, величина Pr показывает соотношение его механических и тепловых свойств.

Необходимо детально освоить процедуру расчета коэффициента теплоотдачи a с применением критериальных уравнений теплоотдачи.Рассмотрите теплообмен при вынужденном движении теплоносителя по трубам, а также при его свободной циркуляции. Обратите вниманиена методику получения критериальных уравнений путем обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче в подобных условиях.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется конвективным теплообменом?

2. Какие различают виды движения жидкости?

3. Какие факторы влияют на интенсивность свободного движения жидкости?

4. Что такое вынужденный и свободный конвективный теплообмен?

5. Дайте понятие теплового и гидродинамического пограничных слоев.

6. Как влияет режим течения жидкости на формирование пограничного слоя?

7. Каков механизм передачи тепла через пограничный слой при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости?

8. Запишите уравнение Ньютона-Рихмана (уравнение теплоотдачи). Дайте понятие коэффициента теплоотдачи.

9. Какие факторы определяют величину коэффициента теплоотдачи?

10. Как связан коэффициент теплоотдачи с толщиной и характером течения жидкости в пределах пограничного слоя?

11. В чем сущность аналитического метода определения коэффициента теплоотдачи?

12. Напишите систему дифференциальных уравнений конвективного теплообмена (уравнения сплошности, движения, теплопроводности, теплоотдачи).

13. Почему аналитический метод определения коэффициента теплоотдачи имеет ограниченное применение?

14. Какие методы, кроме аналитического используются для определения коэффициента теплоотдачи?

ТЕМА 2.3. Лучистый теплообмен.

Основные понятия лучистого теплообмена. Законы теплового излучения. (Планка, Стефана Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Лучистый теплообмен между телами (между плоскими стенками, между двумя произвольно расположенными поверх­ностями). Излучение газов. Защита от излучения. Определение степени черноты тела методом сравнения.

Прежде всего нужно усвоить принципиальное отличие радиационного механизма переноса теплоты, связанного с электромагнитным излучением, от теплопроводности и конвекции.

Обратите внимание на то, что описание закономерностей радиационного теплопереноса проводится с использованием абсолютной температуры T, К.

Подробно изучите содержание и физическое проявление основных законов излучения. Особое внимание следует уделить закону Стефана-Больцмана, основного с точки зрения инженерного применения (E =es T ⁴ ). Нужно усвоить, что степень черноты e не определяет цвет тела, а характеризует его излучательную способность относительно абсолютно черного тела.

Применение законов теплового излучения нужно рассмотреть на примере теплообмена между параллельными пластинами. Здесь обратите внимание на понятие приведенной степени черноты, как характеристики излучательной способности всей системы тел, участвующих в теплообмене. Изучите вопросы экранирования, как эффективного средства борьбы с тепловым излучением. Выясните, как изменится лучистый тепловой поток при наличии экрана, какую роль при этом имеет его степень черноты.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие длины волн ограничивают спектр теплового электромагнитного излучения?

2. Что происходит с лучистой энергией падающей на поверхность твердого тела?

3. Что понимают под коэффициентами поглощения, отражения и пропускания?

4. Какие тела называются абсолютно черными, абсолютно белыми и абсолютно прозрачными?

5. Что такое собственное, эффективное и результирующее излучения тела?

6. Закон Планка. Его графическое изображение.

7. Что понимают под спектральной плотностью потока излучения?

8. Закон Вина. От чего зависит длина волны, при которой достигается максимум спектральной плотности потока излучения?

9. Закон Стефана-Больцмана. Коэффициент излучения абсолютно черного тела.

10. Что такое степень черноты? Как определить коэффициент излучения серого тела?

11. Закон Кирхгофа. Закон Ламберта.

12. Как определить поток излучения между двумя плоскопараллельными пластинами?

13. Как определить поток излучения, когда одно тело находится внутри другого?

14. Как определить поток излучения для произвольно расположенных тел?

15. Что такое коэффициент облученности (угловой коэффициент)?

16. Для какой цели используются экраны? Как определяетсятемпература экрана?

17. Какие газы можно считать прозрачными для тепловых лучей?

18. Каковы особенности излучения газов?

19. Как определить поток излучения от газа к окружающей его поверхности теплообмена.

ТЕМА 2.4. Сложный теплообмен.

Передача тепла через однослойную и многослойную плоскую стенку. Передача тепла через однослойную и многослойную цилиндрическую стенку. Теплопере­дача в охлаждаемых турбинных лопатках.

Теплопередача – это процесс переноса теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через разделяющую их твердую стенку. Весь процесс можно условно разделить на три этапа: конвективный теплообмен между горячим теплоносителем и стенкой, теплопроводность через стенку и конвективный теплообмен между стенкой и холодным теплоносителем. Каждый из этих процессов имеет вполне определенное термическое сопротивление. От его суммарной величины будет зависеть количество передаваемого тепла. При изучении темы необходимо получить уравнение теплопередачи. Сформулировать физический смысл коэффициента теплопередачи. Получить зависимости для определения коэффициентов теплопередачи и суммарного термического сопротивления стенок: плоской однослойной и многослойной, цилиндрической однослойной и многослойной. Выяснить изменение суммарного термического сопротивления и тепловых потерь через цилиндрическую стенку при увеличении ее толщины. Показать, как можно использовать понятие критического диаметра при выборе материала изоляции. Выделить основные факторы, определяющие величину коэффициента теплопередачи. Наметить пути интенсификации данного процесса. Привести примеры использования процессатеплопередачи в системах авиационной техники, транспортных машин.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется процессом теплопередачи?

2. Показать характер изменения температуры между горячим и холоднымтеплоносителями в процессе теплопередачи через плоскую ицилиндрическую стенку.

3. Вывести уравнения для определения тепловых потоков, передаваемыхчерез плоскую однослойную и многослойную стенки.

4. Что называется коэффициентом теплопередачи?

5. Что такое общее термическое сопротивление и из каких величин оноскладывается?

6. Как определить температуру поверхности стенки?

7. Может ли коэффициент теплопередачи плоской стенки быть большекоэффициентов теплоотдачи со стороны горячего и холодноготеплоносителей?

8. Получите уравнения для определения тепловых потоковцилиндрической однослойной и многослойной стенок.

9. Что называется критическим диаметром цилиндрической стенки и какон определяется?

10. При каких условиях с увеличением толщины изоляции тепловыепотери будут уменьшаться?

11. Как влияет толщина стенки и коэффициент теплопроводностиматериала стенки на процесс теплопередачи?

12. Как влияет скорость движения, коэффициент теплопроводности ивязкость жидкости на коэффициент теплопередачи?

ТЕМА 2.5. Нестационарная теплопроводность.

Описание процесса. Дифференциальное уравнение теплопроводности.

Нужно понять физический смысл дифференциального уравнения теплопроводности, как варианта выражения первого закона термодинамики, из решения которого при соответствующих начальных и граничных условиях может быть получено температурное поле рассматриваемого объекта. Уясните различие между разными граничными условиями: I рода - задание значения температур на поверхности тела; II рода - задание на границе плотности теплового потока (температурного градиента); III рода -установление линейной зависимости теплового потока от температурного напора на границе в виде закона Ньютона-Рихманаq=a(t_п – t_ср). Здесь нужно понять, что коэффициент теплоотдачи a моделирует влияние на границу тела окружающей среды и зависит от ее физических свойств и условий движения.

Разберитесь с методикой решения дифференциального уравнения теплопроводности для отыскания стационарных температурных полей в простейших ситуациях плоского и цилиндрического слоев.

Обратите внимание на особенность теплоизоляции цилиндрических тел. Здесь в отличие от плоских поверхностей существует ограничение на выбор материала теплозащитного покрытия, вызванное существованием критического диаметра, при котором тепловые потери достигают максимума.

Расчет нестационарных температурных полей путем решения уравнения теплопроводности связан со значительными трудностями математического характера. Для приобретения навыков приближенной инженерной оценки процессов нагрева или охлаждения тел с маленьким термическим сопротивлением изучите метод регулярного теплового режима.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дать определение нестационарного температурного поля.

2. Дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия для нестационарного режима.

3. Уравнение температурного полядля нестационарного режима.

4. Из каких чисел подобия составляется уравнение температурного поля?

ТЕМА 2.6. Теплообменные аппараты.

Основные определения и схемы теплообменных аппаратов. Расчет теплообменных аппаратов. Определение коэффициента теплопередачи.

Рассмотрите классификацию теплообменных аппаратов по принципу действия: рекуператоры, регенераторы, смесители. Уясните основные принципы работы устройств каждого типа.

Наиболее распространенными являются рекуперативные теплообменники, поэтому при теоретическом анализе теплопередачи можно ограничится рассмотрением только этого типа устройств. Детально разберите методику расчета рекуперативного теплообменника для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей. Обратите внимание на понятия средне логарифмического и среднеарифметического температурного напора. Научитесь анализировать изменение температур теплоносителей в зависимости от схемы их движения и значения водяных эквивалентов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Поясните принцип работы рекуперативного, регенеративного и смесительного теплообменных аппаратов.

2. Какие способы оребрения трубок используются в теплообменных аппаратах?

3. Какие уравнения положены в основу проектно-конструкторского расчета теплообменного аппарата?

4. Что такое температурный напор?

5. Какие направления движения теплоносителей используются в теплообменных аппаратах?

6. Приведите график изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей.

7. Получите уравнение для определения среднего температурного напора.

8. Какие параметры являются искомыми при поверочном расчете теплообменного аппарата?