Теплопередача. Учебник для ВУЗов – часть 1

Литература, выдержки, инструкции, пособия      Постоянная ссылка | Все категории

При составлении учебника автор использовал свой двадцати­летний опыт преподавания курса «Теплопередача» и научной работы на одноименной кафедре Московского высшего технического учили­ща им. Баумана.

В книге рассмотрены физические основы переноса теплоты и ме­тоды расчета процессов тепло – и массообмена.

Изложен метод обобщенных координат (теория подобия), основ­ные положения которого разработаны учеными нашей страны.

Приведены методы численного решения дифференциальных урав­нений теплопроводности.

Должное внимание уделено методу расчета теплообмена между твердым телом и жидкостью с помощью теории пограничного слоя.

В последнее время, используя теорию пограничного слоя и элект­ронно-вычислительные машины, удалось решить много важных задач теплообмена и в том числе о переносе теплоты в турбулентном по­граничном слое. В дальнейшем, по-видимому, методы расчета тепло­обмена с применением электронно-вычислительных машин будут развиваться и, следовательно, при подготовке инженеров на них следует обратить особое внимание. Автор старался изложить эти методы как можно полнее.

Бурное развитие самолетной и ракетной техники стимулировало интенсивные исследования процессов тепло – и массообмена при боль­ших и особенно при сверхзвуковых скоростях полета. Исследовать и рассчитывать такие процессы трудно, так как они осложнены влиянием существенного нагрева от трения, химических реакций, диссоциации и т. д. Поэтому этим процессам уделено большое внимание.

В книге не приводятся задачи и числовые примеры, так как ранее коллективом кафедры под редакцией автора было написано учебное пособие «Сборник задач по технической термодинамике и теплопереда­че», второе издание которого вышло в свет в 1968 г. [97].

В книге используются труды крупных отечественных и иностран­ных ученых М. В. Кирпичева, М. А. Михеева, А. А. Гухмана, А. В. Лы­кова, А. А. Дородницына, С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина, Л. Прандтля, Г. Кармана, Г. Шлихтинга, Э. Р. Эккерта, Ван Дрийста и многих других.

Автор будет благодарен за все замечания и пожелания, направлен­ные на улучшение книги.

Автор



ГЛАВА I

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ

В курсе «Теплопередача» изучаются самопроизвольные необра­тимые процессы распределения (переноса) теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры.

При работе тепловых двигателей, компрессоров, холодильных установок, высокоскоростных летательных аппаратов отдельные час­ти и узлы этих установок нагреваются. Для того чтобы конструкция работала надежно, необходимо предусмотреть меры, которые устано­вили бы предел росту температуры. В противном случае нормальная работа таких установок может прекратиться, так как конструкцион­ные материалы при нагревании теряют прочность и при определенной температуре разрушаются. Например, если не предусмотреть спе­циальных мер для защиты камеры сгорания и сопла, то ракетный дви­гатель разрушится в течение долей секунды. Баллистическая ракета, входящая в плотные слои атмосферы, без тепловой защиты ее голов­ной части и стенок корпуса разрушится в течение нескольких секунд, так как температура ее головной части при этом достигает нескольких тысяч градусов.

При работе компактных электронных устройств генерируется теплота, которая может повысить температуру отдельных элементов до уровня, при котором устройство не будет выполнять своих функций.

Здесь приведены некоторые примеры, в которых следует сни­жать интенсивность процессов переноса теплоты к их отдельным элементам. В то же время во многих других устройствах следует по­вышать интенсивность процессов переноса теплоты.

Например, в теплообменниках — аппаратах, где осуществляет­ся теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями[1] или между теплоносителями и твердыми телами (стенкой, насадкой), стремятся повысить интенсивность теплообмена для уменьшения их размеров (затраты материала).

Все эти примеры убедительно говорят о том, что при конструиро­вании тепловых двигателей, машин, летательных аппаратов и ряда других устройств следует учитывать процессы переноса теплоты. В ряде случаев эти процессы становятся определяющими при выборе конструкции.

Сложный процесс переноса теплоты разбивают на ряд более про­стых: теплопроводность, конвекция и тепло – обмен излучением. Такой прием упрощает его изучение. Кроме того, как будет показано ниже, каждый простой процесс пере­носа теплоты подчиняется своим законам.

Различают молекулярный и конвективный меха­низмы переноса теплоты.

Молекулярный перенос теплоты осуществляется посредством теп­лового движения микрочастиц в среде с неоднородным распределением температуры.

Конвективный перенос теплоты осуществляется в среде с неодно­родным распределением скорости и температуры макроскопическими элементами среды при их перемещении.

Теплопроводностью называют молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента тем­пературы, представленного уравнением (1-3).

Конвективным теплообменом называют процесс, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты. В инженерной практике большое значение имеет частный случай этого способа переноса теплоты, а именно теплоотдача. Теплоотдачей называют конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой с твер­дым телом, жидкостью или газом.

Теплообмен излучением — это процесс, который про­исходит следующим образом: внутренняя энергия вещества превра­щается в энергию излучения (энергия фотонов или электромагнитных волн), далее происходит распространение излучения в пространстве (процесс переноса излучения), далее энергия излучения поглощается веществом, которое оказалось на пути фотонов или электромагнит­ных волн.

В природных объектах и инженерных сооружениях теплота пере­носится всеми тремя способами одновременно — такой процесс на­зывается теплопередачей. Во многих случаях удается выде­лить способ, на который приходится большее количество перенесен­ной теплоты. Тогда задача об определении ее количества оказывается относительно простой. В тех случаях, когда это сделать не удается, задача усложняется.

Теплепередача связана с весьма сложными процессами и при ее изучении надо знать законы и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидрогазодинамике и химии.

§ 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Опытами установлено, что количество теплоты, передаваемое через плоскую стенку, прямо пропорционально разности температур горя – чей tWi и холодной twt сторон стенки, площади стенки F и времени х и обратно пропорционально толщине 6 стенки (рис. 1-1)

Q=K tw>~ta” Fx, (1-1)

о

[

вт '1

м град I — коэффициент пропорциональности, который при­нято называть коэффициентом теплопроводности


Q __ ^ ^ W\ tw2

Ft ~~ б

(1-2)

Представим (1-1) в виде

<7 = X

где у — тепловая проводимость;

Рис. 1-2. Распределение температуры в многослойной плоской стенке

q — плотность теплового по­тока (или для крат­кости можно называть просто тепловым потоком).

Рис. 1-1. Распределе­ние температуры в плоской стенке




Фурье выдвинул гипотезу, согласно которой тепловой поток прямо пропорционален градиенту температуры[2], т. е.

<7=— XgradT (1-3)

или

дт

(1-За)

дп

где п — нормаль к изотермической поверхности.

С тех пор эта гипотеза многократно подтверждалась эксперимен­тально и теперь она имеет значение физического закона.

Представим (1-2) в виде

tWl—tw,^q — . (1-4)

ф

Здесь – j – — тепловое сопротивление.

Определим тепловое сопротивление многослойной стенки (рис. 1-2). Напишем (1-4) для каждого слоя

f i ‘ — ‘ffi’i lw — Ц ~т,


(1-5)

j t jtr 62

lw lw = Q ~7 >

2

%


t” — t — a —2-

Л

где t’w и С—температуры на поверхностях соприкосновения соот­ветственно первого—второго и второго—третьего слоев.

Сложим (1-5) почленно

t —t – nf A. ikiA

‘Wl l-Wz — 4 . I л I л \ «1 лЗ

Из полученного уравнения следует, что тепловое сопротивление мно­гослойной стенки равно сумме тепловых сопротивлений отдельных слоев.

Формула для определения теплового потока через многослойную стенку имеет вид

i = л g

q={tw1~twl)l^i у: • (1-6)

! = 1 ‘

§ 2. ТЕПЛООТДАЧА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Определим тепловой поток q от жидкости с температурой tfi к жидкости с температурой t^ через твердую стенку (рис. 1-3); темпе­ратуры twi и tW2 обычно не известны.

Опытами установлено, что температура жидкости резко изменяет­ся в тонком слое у стенки и Д2 (рис. 1-3). Этот слой называют тепловым пограничным слоем.

В пограничном слое будет происходить интенсивный перенос теплоты, так как здесь имеется большой градиент температуры. Для определения теплового потока q по уравнению (1-3) надо знать рас­пределение температуры по толщине пограничного слоя, т. е. функ­цию / = t (х). Однако найти эту зависимость как теоретически, так и экспериментально трудно (гл. VII). Поэтому величину q часто опреде­ляют по формуле Ньютона

?=«(/!-*,). (1-7)


Величину а называют коэффициентом теплоотдачи. Он характеризует интенсивность теплоотдачи и равен плотности теп­лового потока q на поверхности раздела, отнесенной к температур­ному напору (tx — t2) между средой и поверхностью.

через стенку

Рис. 1-3. Распределе­ние температуры при теплопередаче через плоскую стенку

Формула (1-7) для определения теплового потока от жидкости к твердому телу (или обратно) оказывается более удобной, чем фор­мула (1-3), так как коэффициент а проще определить эксперименталь­но, чем зависимость t = t{x). Определить коэффициент теплоотдачи а теоретически трудно (гл. VII). Продолжим ре­шение задачи, поставленной в начале параг­рафа.

(1-8)

Тепловой поток к левой поверхности стен­ки (рис. 1-3) можно определить по формул

(1-9)

от правой поверхности стенки q = а2 (tw,—tf,).

(1-10)

После простых преобразований формул (1-8, 1-9 и 1-10) получим

<J=ai(tf,—tw,)\

Введем обозначение

К ОСх Л

1

где —— суммарное тепловое сопротивление пограничного слоя жид­кости на левой поверхности стенки (см. рис. 1-3), твердой стенки и пограничного слоя жидкости на правой поверхности. Величину

1 (Ы2)

к =

a i А а 2

называют коэффициентом теплопередачи. Тепловой поток с учетом (1-12) можно представить в виде

4=K(th-tf,). (ЫЗ)

Уравнение (1-13) не вносит никакого вклада в выяснение физической сущности процесса переноса теплоты, но оно удобно для практических расчетов.

Литература, выдержки, инструкции, пособия      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника