Потапов Б.Б. Основы тепломассообмена. Часть 1 - файл n1.doc

Потапов Б.Б. Основы тепломассообмена. Часть 1
скачать (706 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc706kb.24.11.2012 02:51скачать

n1.doc

Б.Б. ПОТАПОВ



ОСНОВЫ

ТЕПЛОМАССООБМЕНА


конспект лекций для студентов специальности

промышленная теплоэнергетика

и техническая теплофизика


ДНЕПРОПЕТРОВСК
2006

Р а з д е л 1. Введение в теорию теплообмена


    1. Способы и механизмы переноса теплоты.


Наблюдения процесса распространение теплоты показало, что теплообмен сложное явление, которое можно представить тремя простейшими коренным образом отличающимися друг от друга способами – теплопроводностью, конвективным переносом (конвекцией) и излучением.
перенос теплоты теплопроводностью
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Механизм переноса зависит от агрегатного состояния вещества.

Молекулы газа обладают кинетической энергией поступательного и вращательного движений. Средняя кинетическая энергия одной молекулы прямо пропорциональна ее абсолютной температуре. Передача теплоты теплопроводностью в газах обусловлена переносом кинетической энергии при молекулярном движении, в результате чего температура в неравномерно нагретом газе постепенно выравнивается. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия, длина свободного пробега и скорость движения молекул. При столкновении “горячих” молекул с менее нагретыми элементарными частицами кинетическая энергия передается от первых ко вторым, в результате чего холодные молекулы начинают двигаться быстрее, что равносильно их нагреву.

Силы взаимодействия молекул в жидкостях проявляются сильнее, чем в газах. Однако молекулы жидкости, как и в газах, совершают беспорядочные колебания вокруг хаотически перемещающегося центра равновесия. Если температура молекул будет повышаться, то увеличится и амплитуда их колебаний. Эти упругие колебания будут передаваться смежным молекулам, таким образом, вся энергия будет передаваться от слоя к слою за счет упругих колебаний.

В твердых телах также перенос теплоты осуществляется посредством упругих колебаний. Исключение составляют металлы, в которых передача теплоты осуществляется за счет свободных электронов, поток которых можно уподобить идеальному одноатомному газу.

Итак, механизм передачи теплоты теплопроводностью в газах, жидкостях и твердых телах различен, в силу чего эти вещества, нагретые до одинаковой температуры, будут передавать теплоту с разными скоростями.




Перенос теплоты конвекцией



Под конвекцией понимают перенос макро объемов жидкости или газов в неподвижной или движущейся среде. Объемы жидкости или газа из области с большей температурой перемещаются в область с меньшей температурой и переносят с собой теплоту. Конвекция возможна в телах, макрообъемы которых могут перемещаться относительно друг друга.

Беспорядочное движение молекул в теле, обусловленное теплопроводностью, имеет место наряду конвективным переносом теплоты. Таким образом, конвективный перенос сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос тепла конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом.

При прочих равных условиях конвективный теплообмен намного интенсивнее, чем перенос теплоты теплопроводностью, так как порции энергии переносимые макро объемами больше энергии переносимой отдельными молекулами.

Излучение



Для переноса теплоты излучением не требуется материя в виде вещества. По современным представлениям тепловое излучение в одних случаях проявляет себя как волновой процесс, в других как поток квантов или фотонов, летящих со скоростью света. Испускание фотонов, энергия которого равна разности энергий возбужденного и равновесного состояний, зависит от температуры. Энергия фотонов, испускаемая поверхностью тела, называется тепловым излучением.


    1. . Основные понятия и определения


Интенсивность переноса теплоты можно характеризовать тепловым потоком и его плотностью, а температурное состояние системы – температурным полем.

Обозначим через Q­* (Дж) количество теплоты, передаваемое через поверхность F (м2) за время 

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность оценивается тепловым потоком Q (Дж/с) =(Вт).

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через 1 м2 поверхности тела называют плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой:

.

Тепловые потоки возникают в телах или между телами только при наличии разности температур.

под температурным полем понимают совокупность значений температур во всех точках изучаемого пространства. Под стационарным температурным полем понимают случай, когда температуры могут быть различны в различных точках тела, но неизменны во времени.

Температурное поле в зависимости от числа координат может быть трехмерным , двухмерным и одномерным .

Если соединить точки тела с одинаковыми температурами, то возникнут изотермические поверхности. Пересечение плоскостью изотермической поверхности даст на этой плоскости множество изотерм, изотермические линии не пересекаются.



Рис. 1.1. Распределение температур в теле

Они располагаются либо внутри тела, либо заканчиваются на его поверхности. Изменение температур наблюдается только в направлениях пересекающих изотермические поверхности или линии, причем наиболее резкое изменение температуры наблюдается в направлении к нормали к изолинии.

Предел изменения температуры t к расстоянию между изотермами  называют градиентом температуры:

.

Градиент - векторная величина, направленная в сторону возрастания температур. Тепловой поток направлен противоположно градиенту температур.
1.3 Основные законы переноса теплоты.

Теплопроводность



Опытами установлено, что количество теплоты, передаваемое в плоской твердой стенке пропорционально разности температур поверхности горячей tc1 и холодной tc2 стенки, площади стенки F, времени и обратно пропорционально толщине стенки .



-коэффициент пропорциональности называемый коэффициентом теплопроводности.

Физический смысл коэффициента теплопроводности легко понять из выражения:





Рис. 1.2. Теплопроводность в плоской однослойной стенке

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит через один квадратный метр поверхности стенки толщиной один метр за одну секунду при разности температур на этих поверхностях в один градус.

Согласно определению, плотность теплового потока в пластине равна:

(Вт/м2).

В общем виде, закон теплопроводности Фурье имеет вид:

.

Разрешив выражение для плотности теплового потока относительно разности температур, получим

.

Отношение называют термическим сопротивлением теплопроводности.

Как показано выше, для каждого отдельного слоя многослойной стенки справедливо соотношение:

;

;

.

Просуммировав левые и правые части приведенной системы уравнений, получим
или .





Рис. 1.3. Распределение температур в многослойной стенке

Из полученного выражения следует, что термическое сопротивление трехслойной стенки равно сумме сопротивлений отдельных слоев. Тогда плотность теплового потока через стенку из n слоев определяется выражением:

.
Конвективный теплообмен. Теплоотдача.
Встречается два вида конвективного теплообмена - конвективный теплообмен в объеме жидкости или газа и конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого или жидкого тела.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью тела называется теплоотдачей.

Определим плотность теплового потока конвекцией от жидкости с температурой tж к стенке с температурой tс. Опытами установлено, что температура греющей жидкости резко уменьшается в тонком слое у стенки, называемом тепловым пограничным слоем.

Для расчета теплового потока необходимо знать распределение температур в пограничном слое

.

Определить это распределение как теоретически, так и экспериментально сложно, поэтому Ньютоном предложено удельный тепловой поток определять по формуле:

,

где  - коэффициент пропорциональности названный коэффициентом теплоотдачи. Физический смысл коэффициента теплоотдачи легко установить из соотношения:

.
Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность процесса переноса теплоты и показывает количеству теплоты отдаваемой жидкостью одному квадратному метру стенки за одну секунду при разности их температур в один градус.

Теплообмен излучением



Полная энергия, излучаемая единицей поверхности абсолютно черного тела равна

.

Здесь - постоянная Больцмана; - плотность теплового потока излучением; T=273+t – абсолютная температура. Реальные тела излучают меньше абсолютно черного тела. В расчетах это учитывается введением эмпирического множителя , называемого степенью черноты:

.

Если тело имеет температуру Т1 и окружено другими телами с температурой Т2 , то обмен излучением энергией подчиняется соотношению

.

Формула справедлива, если площадь тела F1 мала по сравнению с площадью F2 всех окружающих тел, то есть F1/F2 , близко к нулю.
Теплопередача
Теплопередачей называется перенос теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую стенку. На рисунке 1. показана плоская стенка толщиной .



Рис.1.2. Теплопередача через плоскую стенку

Определим удельный тепловой поток от жидкости с температурой к жидкости с температурой .

При установившемся состоянии количество теплоты, переданное от горячей жидкости к стенке, равно количеству теплоты, прошедшему в стенке, и количеству теплоты, отданному от стенки к холодной жидкости. Следовательно, для плотности теплового потока справедливы следующие выражения:
;

;

.

Из этих уравнений определяются частные температурные напоры

;

;

.

Складывая их, получим полный температурный напор:

,

из которого определяется значение плотности теплового потока



и значение коэффициента теплопередачи

.

Величина обратная коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением теплопередачи. Из полученного уравнения следует. Что эта величина равна:
-

Из этого соотношения следует, что общее термическое сопротивление равно сумме частных:

,

где, =1/1 –частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя;  - частное термическое сопротивление теплопроводности (стенки); =1/2 – частное термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя.

Для многослойных стенок выражение, из которого определяется плотность теплового потока, имеет вид

,

.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации