Задачи по теплофизике.
6.Рассчитать коэффициент теплопроводности углеродистой стали У12 (С = 1,2 %; Мn = 0,2 %; Si = 0,3 %; Сr = 0,2 %; S = 0,02 %; Р = 0,03%) при температуре 400 0С
26.Вдоль задней поверхности резца имеющей в процессе резания среднюю температуру QS = 180 0С, направлена высоконапорная струя охлаждающей жидкости (рис. 11), вытекающая из насадки, диаметр отверстия которого 1,8 мм. Высота резца Н = 20 мм. Расход жидкости 3 л/мин. Рассчитать коэффициент теплоотдачи от инструмента в жидкость.
Рис. 10 - Резец с внутренним охлаждением |
Рис.11 - Высоконапорное струйное охлаждение резца |
Вопросы по теплофизике
Основные положения теплопроводности
6. Понятие температурное поле.
13. Изотермические поверхности.
20. Как определить количество теплоты, проходящей через плоскую стенку.
27. Сформулируйте законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана, относящиеся к процессам излучения.
Методы описания процессов теплопроводности в твердых телах
34. Назовите различные виды граничных условий.
41. В чем смысл обобщенного алгоритма теплофизического анализа.
48. Какие тепловые явления возникают в технологическом оборудовании.
Методы исследования температуры резания
55. Метод искусственной термопары.
62. Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на температуру резания.
69. Методы борьбы с тепловыми деформациями.
6. Тестовые вопросы по дисциплине
1. Какое явление наблюдается в движущихся жидкостях или газах:
а) конвекция;
b) теплопроводность;
с) тепловое излучение.
2. Перенос теплоты в виде электромагнитных волн с взаимным превращением тепловой энергии в лучистую и обратно называется:
а) тепловое излучение;
b) конвекция;
с) теплопроводность.
3. Если температура зависит от длительности нагрева или охлаждения то поле, называется:
а) не установившимся;
b) установившимся;
с) магнитным;
d) электрическим.
4. Основным законом теплопроводности является:
а) закон Фурье;
b) закон Дюлонга и Пти;
с) закон Хаббла;
d) закон Фика.
5. Коэффициент теплопроводности зависит от:
а) состава вещества;
b) скорости теплообмена;
с) времени;
d) массы.
6. Энергия, излучаемая телом в пространство, при попадании на другие тела в общем случае:
а) частично поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело;
b) полностью поглощается;
с) полностью отражается;
d) проходит сквозь тело.
7. Какой из методов заключается в том, что на контактные площадки инструмента наносится в вакууме тонкий слой чистого металла с известной температурой плавления:
а) метод пленок;
b) метод термокрасок;
с) калориметрический метод;
d) термоэлектрический метод.
8. Перенос теплоты (или внутренней энергий) при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с различной температурой называется:
а) теплопроводностью;
b) конвекцией;
с) тепловым излучением.
9. Какое из следующих утверждений верно:
а) конвекция всегда сопровождается теплопроводностью;
b) теплопроводность всегда сопровождается тепловым излучением;
с) конвекция не всегда сопровождается теплопроводностью;
d) тепловое излучение всегда сопровождается теплопроводностью.
10. При обработке резанием наибольшее значение имеет:
а)теплопроводность;
b)конвекция;
с)тепловое излучение.
11. Вектор, который направлен в сторону противоположную градиенту температуры, называется:
а) плотностью теплового потока;
b) коэффициентом теплопроводности;
с) плотностью теплообмена;
d) оператором Лапласа.
12. Количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу, называется:
а) коэффициентом теплоотдачи;
b) коэффициентом теплообмена;
с) коэффициентом теплопроводности;
d) коэффициентом температуропроводности.
13.При повышении коэффициента теплопроводности инструментального материала температура:
а) на передней поверхности резца понижается, а на задней повышается;
b) на передней поверхности резца повышается, а на задней понижается;
с) на передней поверхности резца повышается и на задней повышается;
d) на передней поверхности резца понижается и на задней понижается.
14. Метод, позволяющий определить количество теплоты, переходящей в стружку, деталь и инструмент, а также их средние температуры, называется:
а) калориметрический;
b) термокрасок;
c) пленок;
d) термоэлектрический.
15. Совокупность значений температур в различных точках тела в данный момент времени:
а) градиент температуры;
b) векторное поле;
с) температурное поле.
16. Вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный изменению температуры на единице длины этой нормали:
а) направленность поля;
b) градиент температуры;
с) избыточный вектор.
17. Источники, скорость ν перемещения которых превышает скорость V распространения теплоты в данном теле:
а) полярные источники;
b) неподвижные источники;
с) быстродвижущиеся источники.
18. Поле температур при неустановившемся тепловом режиме:
а) нестационарное;
b) стационарное;
с) квазистационарное.
19. Источники, тепловыделение которых связано с процессами, происходящими в материале твердого тела:
а) внутренние;
b) внешние;
с) полярные.
20. Частным случаем какого поля является осе симметричность?
а) трехмерного;
b) двухмерного;
с) одномерного.
7. Приложения для решения задач
1. Коэффициенты теплопроводности λ и температуропроводности ω, объемная теплоемкость сρ материалов заготовки и инструмента (средние в диапазоне температур, возникающих при механической обработке)
Материал | Марка | λ, Вт/(м·ºС) | ω·104, м2/с | сρ·10-6, Дж/(м3·ºС) |
Сталь углеродистая Сталь низколегированная Сталь аустенитного класса Сталь инструментальная Жаропрочный сплав Чугун Твердый сплав Алмаз Кубический нитрид бора (эльбор) Медь Констант | 40 45 30Х 40Х ШХ 15 20ХН3А 30ХГС 20Х23Н18 110Г13Л 12Х18Н9Т 14Х17Н2 У12 ХВГ Р18 ВТ4 ХН77ТЮР СЧ30 ВК8 Т14К8 Т15К6 АС - - - | 38,5 40,2 35,2 33,9 33,4 33,5 36,0 21,5 22,2 22,6 25,0 34,7 27,2 27,2 12,9 19,7 39,8 54,4 33,9 27,2 520,0 41,9 361,0 27,2 | 0,076 0,080 0,072 0,067 0,065 0,066 0,070 0,050 0,042 0,050 0,060 0,071 0,054 0,057 0,043 0,041 0,113 0,246 0,110 0,100 0,830 0,180 0,990 0,076 | 5,06 5,02 4,89 5,06 5,15 5,07 5,14 4,30 5,28 4,52 4,17 4,89 5,04 4,77 3,01 4,8 3,52 2,21 3,08 2,72 6,26 2,30 3,65 3,56 |
2. Коэффициенты для расчета коэффициентов тепло - и температуропроводности углеродистых сталей
Коэффициент | аi | bi | ci |
m1 m2 m3 n1 n2 n3 | 76.8 34.2 9.3 0.219 9.83·10-2 2.67·10-2 | -6.67·10-2 -9.88·10-2 -3.95·10-2 -3.58·10-2 -3.04·10-2 -1.03·10-2 | 0 8.14·10-5 4.18·10-5 1.78·10-7 2.5·10-7 1.0·10-7 |
3. Температура насыщения QН, теплота парообразования r, плотность ρп, характерный размер l* для водяного пара в зависимости от давления p
p, МПа | QН, ºС | r×10-3, Дж/кг | ρп, кг/м3 | l*×106, м |
0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,20 | 45,8 60,1 75,9 85,9 93,5 99,6 120,2 | 2392 2357 2318 2293 2273 2257 2202 | 0,07 0,13 0,25 0,36 0,48 0,59 1,13 | 3836 954,6 289,6 137,4 79,4 50,6 14,2 |
4. Коэффициенты теплопроводности λ, температуропроводности ω, коэффициент кинематической υ и динамической μ вязкости, коэффициент объемного расширения β и критерии Рr для сухого воздуха и воды в зависимости от температуры Q
Воздух (при нормальном давлении р = 0,1 МПа)
Q, ºС | λ×102, Вт/(м·ºС) | ω×106, м2/с | υ×106, м2/с | β×104, 1/ºС | Рr |
20 50 100 150 200 250 300 350 | 2,59 2,83 3,21 3,56 3,93 4,27 4,60 4,91 | 21,4 25,7 33,6 42,1 51,4 61,0 71,6 81,9 | 15,06 17,95 23,13 28,94 34,85 40,61 48,33 55,46 | 34,1 30,9 26,8 23,6 21,1 19,1 17,4 16,0 | 0,703 0,698 0,688 0,683 0,680 0,677 0,674 0,676 |
Вода (на линии насыщения)
Q, ºС | λ×102, Вт/(м·ºС) | ω×106, м2/с | υ×106, м2/с | μ×104, Па·с | β×104, 1/ºС | Рr |
20 30 40 50 60 70 80 90 100 | 59,9 61,8 63,5 64,8 65,9 66,8 67,4 68,0 68,3 | 14,3 14,9 15,3 15,7 16,0 16,3 16,6 16,8 16,9 | 1,006 0,805 0,659 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295 | 10.04 8.01 6.53 5.49 4.70 4.06 3.55 3.15 2.82 | 1.81 3.21 3.87 4.49 5.11 5.70 6.32 6.95 7.52 | 7.02 5.42 4.31 3.54 2.98 2.55 2.21 1.95 1.75 |
5. Ориентировочные значения степени черноты ε металлических тел в технологических системах механической обработки
Вид обработки | Материал детали | |||
Сталь | Чугун | Алюминий | Медь | |
Без обработки Обработка лезвийным инструментом Шлифование чистовое Полирование Покрытие масляной краской темного цвета Покрытие черным блестящим лаком | 0,9 0,7 0,52 0,21 0,9 0,87 | 0,95 0,75 0,6 0,24 0,9 0,87 | 0,3 0,2 0,1 0,05 0,9 0,87 | 0,6 0,4 - 0,02 - - |
6. Формулы для расчета температур в твердых телах
Код задачи | Условие задачи | Расчетные формулы |
| Точечный мгновенный источник в неограниченном теле, внесший Q теплоты, Дж |
|
| Точечный непрерывно действующий источник мощностью q, Вт, в неограниченном теле |
|
| Точечный быстродвижущийся источник мощностью q, Вт, в неограниченном теле | В системе координат, движущейся с источником (в направлении оси ОХ противоположно направлению υ, х > хи):
|
| Одномерный мгновенный источник в неограниченном теле, внесший теплоты Q1, Дж, на единицу длины источника |
|
| Одномерный источник плотностью q1, Вт/м, действующий непрерывно в неограниченном теле |
|
| Одномерный быстродвижущийся источник плотностью q1, Вт/м, в неограниченном теле или в пластине с адиабатическими граничными плоскостями (источник расположен перпендикулярно к плоскостям пластины) | В подвижной системе координат, движущейся вместе с источником (х > хи):
|
| Двумерный (полосовой) мгновенный источник плотностью Q, Дж/м2, на адиабатической поверхности полупространства (уи = 0; 0 ≤ хи ≤ l) |
где l – размер источника в направлении оси ОХ |
| Двумерный (полосовой) быстродвижущийся источник плотностью q, Вт/м2, на адиабатической поверхности полупространства (уи = 0; 0 ≤ хи ≤ l) | В пределах контактной площади (у = 0; х ≤ l):
|
| Двумерный источник плотностью q, Вт/м2, на торце стержня с адиабатическими поверхностями или на адиабатической поверхности полупространства (уи = 0) |
|
| Двумерный источник, расположенный перпендикулярно к оси неограниченного стержня на расстоянии уи от начала координат | При наличии теплообмена с окружающей средой и при установившемся процессе (τ → ∞):
где F и р – площадь и периметр сечения стержня; α – коэффициент теплоотдачи |
Примечания: 1. Линейный размеры, м: х, у, z – координаты точки тела; хи, уи, zи – координаты источника; |
; b, l – размеры источника. 2. τ – время, с. 3. υ – скорость движения источника, м/с. 4. λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·ºС); ω – коэффициент температуропроводности, м2/с.литература
1 , Алексеев металлов и режущий инструмент. – М.: Машиностроение, 1968.
2 , Рядно теории теплопроводности: Учебн. пособие для вузов. Ч.1. М.: Высшая школа, 19с.
3 , , Гринкевич. Теплотехника. Минск: Высшая школа, 1976. – 384 с.
4 , Червяков металлов и режущий инструмент. - М.: Машиностроение, 1963.
